Desenvolvimento de processos de co-gasificação de carvão com resíduos - André, Rui Manuel Neto (2011)
Portugal e a maioria dos países da União Europeia são altamente dependentes da importação de fontes de energia que permitam manter os níveis de conforto e de qualidade de vida a que a sua população se habituou. Em virtude do tempo de vida limitado das reservas de petróleo, principal combustível fóssil utilizado, e face aos problemas políticos, sociais e económicos dos principais países produtores deste combustível, é urgente diversificar os processos de produção de energia, bem como encontrar fontes energéticas alternativas. Uma delas poderá ser a co-gasificação aplicada ao processamento de carvão misturado com resíduos com potencial energético, sendo este um dos aspectos inovadores deste trabalho, de forma a valorizar esses resíduos e simultaneamente reduzir a carga poluente a eles associada. Este trabalho teve como principal objectivo estudar o efeito das condições experimentais, de modo a seleccionar as variáveis que permitissem maximizar o rendimento e a qualidade do gás produzido por co-gasificação em leito fluidizado usando misturas de ar e vapor. Os resultados obtidos mostraram que a composição das misturas a co-gasificar, assim como o tipo e características dos resíduos a utilizar afectavam bastante a composição e o rendimento do gás obtido. No presente trabalho foi estudada a co-gasificação de um carvão, proveniente das minas de Puertollano, em Espanha, misturado com diferentes teores de resíduos, tendo sido utilizados resíduos de polietileno e de biomassa. Foi utilizada biomassa florestal, pinho, e bagaço de azeitona, proveniente da indústria de produção de azeite. De um modo geral, o aumento da quantidade de resíduos a co-gasificar aumentava o teor em hidrocarbonetos no gás e consequentemente o seu poder calorifico, o que seria vantajoso se esse gás se destinasse a ser utilizado como combustível, próximo da unidade de produção. Caso contrário e devido ao teor elevado em alcatrões, que poderia causar problemas mesmo no transporte do gás, seria preferível reduzir o teor em hidrocarbonetos, especialmente se o gás se destinasse à produção de energia, a partir da utilização em motores, turbinas ou pilhas de combustível, que exigem um controlo apertado de determinados constituintes, tais como: partículas, alcatrões, ou compostos de enxofre. A redução do teor em alcatrões mostrou-se particularmente necessária quando foram utilizados resíduos de polietileno. O trabalho desenvolvido mostrou que a partir da selecção de condições operatórias adequadas era possível atingir este objectivo, nomeadamente através da utilização de temperaturas de ensaio mais elevadas e de maiores caudais de ar. O aumento da temperatura permitiu reduzir consideravelmente os teores de hidrocarbonetos gasosos, de alcatrões e de carbonizado, aumentando o rendimento do gás e a produção de hidrogénio. As evoluções das concentrações de hidrogénio e de hidrocarbonetos foram opostas, pois um aumento da temperatura de 765 para 885ºC, durante a co-gasificação de carvão misturado com 20 % (m/m) de PE, permitiu aumentar a concentração de hidrogénio em 56% e diminuir a de hidrocarbonetos gasosos de 47%. Os resultados obtidos mostraram que em termos técnicos a temperatura a seleccionar deveria ser relativamente elevada, entre 850 e 900ºC. O aumento do caudal de ar e consequentemente da razão de equivalência também permitiu diminuir apreciavelmente os teores de alcatrões e de carbonizado, conduzindo a um gás com menores concentrações de hidrocarbonetos e de hidrogénio e com maiores teores de CO e sobretudo de CO2, devido à oxidação parcial do gás formado, apresentando este consequentemente, um menor poder calorífico. Com tal, os resultados obtidos mostraram que embora a razão de equivalência dependesse da composição da mistura a co-gasificar e da aplicação do gás produzido, não deveriam ser seleccionados valores superiores a 0,20 para este parâmetro, uma vez que tal correspondia a inverter as concentrações relativas de H2 e de CO2, tornando-se o gás mais rico neste último componente. Reduções adicionais dos teores de alcatrões e de carbonizado e consequentemente o aumento do rendimento do gás foram conseguidos com a introdução de catalisadores no meio reaccional sendo estre também outro aspecto inivado do trabalho desenvolvido. Dos vários catalisadores testados deve salientar-se a dolomite, pela sua acção moderada e o seu baixo custo e também um catalisador de óxido de níquel suportado em alumina (Ni-Al) que revelou ser o mais eficaz, embora apresentasse um custo mais elevado. A presença de 25% (m/m) de dolomite no leito durante a co-gasificação de carvão Puertollano misturado com 20 % (m/m) de PE e 20 % (m/m) de pinho a 845ºC, permitiu aumentar o rendimento do gás em 35% e reduzir em 55 % e em 47%, respectivamente os teores em alcatrões e em carbonizado. A utilização de óxido de níquel durante a co-gasificação da mesma mistura de carvão e resíduos, permitiu aumentar o rendimento do gás em 75% e diminuir em 79 % e 66% respectivamente os teores em alcatrões e em carbonizado. Os resultados obtidos demonstraram que seria interessante combinar a acção destes dois catalisadores, utilizando a dolomite dentro do reactor de gasificação, podendo o catalisador de óxido de níquel ser utilizado num segundo reactor sempre que o aperfeiçoamento das características do gás produzido assim o exigisse. O trabalho desenvolvido de co-gasificação de carvão misturado com resíduos demonstrou a viabilidade técnica deste tipo de tecnologia para o processamento de resíduos com aproveitamento do seu teor energético, quer à escala laboratorial, quer à escala piloto. O estudo do efeito das condições experimentais conduziu em ambos os casos ao mesmo tipo de tendências e a composições gasosas muito semelhantes, embora as razões de caudais entre o reactor piloto e laboratorial tivessem aumentado 16,7 vezes. Estes resultados promissores encorajam a continuação do estudo do efeito do aumento da escala e a demonstração desta tecnologia a uma escala semi-industrial. Outro dos aspectos inovadores do trabalho realizado foi o desenvolvimento de um processo de modelação com o programa CHEMKIN, modificando um modelo cinético (GRI-mech) desenvolvido para simulação de oxidação. para o adaptar à descrição dos fenómenos e das reacções químicas que ocorrem durante a co-gasificação, permitiu melhorar o conhecimento sobre o tipo de sistemas estudado. O modelo desenvolvido permitiu conhecer quais as reacções químicas que apresentam uma velocidade mais elevada e os correspondentes parâmetros cinéticos, sendo portanto possível prever a composição final do gás produzido a partir da constituição da mistura de carvão e diferentes resíduos a co-gasificar, desde que estes apresentem composições químicas não muito diversas das utilizadas no presente estudo.