Gaseificação

O termo gaseificação é usado para descrever as reações termoquímicas de um combustível sólido (carvão, biomassa) na presença ar ou oxigênio (O2), em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão) e vapor d’água (H2Ovap), com a finalidade de formar gases que podem ser usados como fonte de energia térmica e elétrica, para síntese de produtos químicos e para a produção de combustíveis líquidos (Fischer-Tropsch).

  O principal produto da gaseificação apresenta-se como uma mistura de gases: monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), traços de enxofre (S), outros hidrocarbonetos leves impurezas. A composição final do gás proveniente da gaseificação dependerá, entre outros aspectos, das condições de operação como temperatura, pressão, tempo de residência, das características da matéria prima (matérias voláteis, carbono fixo, cinzas, enxofre, reatividade, etc.), do tipo de reator e das características dos agentes gaseificantes: ar ou oxigênio. A Figura 1 representa, de forma ilustrativa, um gaseificador, mostrando a entrada dos reagentes e saída dos produtos/rejeitos.

Figura 1 – Representação de um Gaseificador.
Fonte: National Energy Technology Laboratory (NETL).

  Os principais componentes da mistura gasosa produzida pela gaseificação são o hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO). Com o uso de oxigênio e vapor d’água, o gás produto, com a ausência de NOx, é chamado de gás de síntese (syngas).

  O fluxograma da Figura 2 apresenta o conceito da geração de energia elétrica em ciclo combinado (IGCC), com gás obtido através da gaseificação de combustíveis sólidos. Esta tecnologia é a que apresenta os melhores rendimentos na geração termelétrica.. O processo inicia com a gaseificação do combustível (carvão, biomassa e outros), obtendo como produto o gás de combustível. Este gás, após sua limpeza, onde são retidos materiais particulados, derivados de enxofre (em alguns casos) e outras impurezas, alimenta o ciclo gás (turbinas a gás) gerando energia elétrica. O gás de combustão, quente, em uma caldeira de recuperação, produz vapor que alimenta uma turbina a vapor gerando mais energia elétrica, sendo que o conjunto de ciclo gás mais ciclo vapor apresentam elevado rendimento.

Figura 2 – Representação de uma planta de IGCC
Fonte: National Energy Technology Laboratory (NETL).

  Quando o gás produzido, através da gaseificação, é um gás de síntese (syngas), este também pode ser utilizado para a produção de combustíveis líquidos (Coal to Liquid) como o Diesel, gasolina, óleos lubrificantes de elevada qualidade produtos químicos (carboquímica) e hidrogênio (Shift).

  Na Tabela 1 apresentam-se resumidamente as reações que ocorrem na gaseificação

Tabela 1 – Principais reações envolvidas na gaseificação.

TIPO DE REAÇÃO	REAÇÃO QUÍMICA
Combustão com oxigênio	C   +   O2   à   CO2
Gaseificação com oxigênio	C   +   ½ O2   à   CO
Gaseificação com vapor	C   +   H2O   à   CO   +   H2
Gaseificação com dióxido de carbono (Reação de Boudouard)	C   +   CO2   à   2CO
Reação de Shift	CO   +   H2O   à   CO2   +   H2
Gaseificação com hidrogênio	C   +   2H2   à   CH4
Reação de Metanização	CO   +   3 H2   à   CH4   +   H2O

  Dependendo da quantidade de metano contida no gás produzido pela gaseificação, o seu poder calorífico, poderá ser de 4.000 a 5.500 kcal/Nm3. Após sua limpeza, esse gás será apropriado para produção de produtos químicos (amônia), combustíveis líquido sintéticos (metanol), combustíveis gasosos (metano) ou para uso direto como fonte de energia. Um gás combustível de baixo poder calorífico apresenta cerca de 1.300kcal/Nm3, de médio poder calorífico de 2.500 a 5.500kcal/Nm3 e um de alto poder calorífico aproximadamente de 9.000kcal/Nm3, equivalente ao gás natural.

  Dentre os diversos tipos de gaseificadores destacam-se os de leito fixo (Fixed Bed Gasifier), leito fluidizado (Fluidized Bed Gasifier), leito arrastado (Entrained Flow Gasifier).

  1 – Leito Fixo – A denominação de “leito fixo” é devido à camada de carvão estar suportada dentro do gaseificador por grelhas fixas e apresentando sua espessura mais ou menos constante. Dentro deste leito, o carvão move-se vagarosamente, de cima para baixo, passando por várias zonas distintas, saindo finalmente um resíduo, as cinzas, pelo fundo. Os agentes de gaseificação (vapor e ar, O2 e outros), circulam, geralmente, em contra corrente, de baixo para cima, neste caso, temos o chamado fluxo em contra-corrente.

  2 – Leito Fluidizado – A gaseificação em “leito fluidizado” requer uma alimentação de oxigênio (ou ar) e vapor pressurizado por baixo da tela da câmara de combustão vertical, sendo que o carvão é alimentado por cima, assim o oxigênio e o vapor mantém o carvão moído em suspensão (fluidizado) em constante ebulição para controle da combustão. No processo em leito fluidizado a velocidade dos gases é aquela apenas necessária ao processamento das reações, ainda que não seja suficiente ao arraste das partículas, o qual ocorre no leito fixo. Isto significa que as interações entre fluidos e partículas dão-se com maior intensidade e o processo de gaseificação é mais completo.

  3 – Leito Arrastado – Para este tipo de gaseificador as partículas de carvão precisam ser muito finas (carvão pulverizado) e são gaseificadas na presença de oxigênio (com muito menos freqüência usa-se ar) em fluxo co-corrente. A maioria dos carvões podem ser gaseificados neste tipo de equipamento devido a sua elevada temperatura de operação que funde o carvão e as cinzas, além de proporcionar excelente separação das partículas de carvão dentro do leito evitando aglomeração. Em contrapartida esta elevada temperatura impõe um resfriamento dos gases de saída antes de sua limpeza devido a limitações técnicas destes equipamentos atualmente.