6.3.3 Gaseificação

A gaseificação envolve a conversão de matéria carbonácea em produtos gasosos com valor de aquecimento adequado. É um processo de conversão de combustíveis sólidos em gasosos, por meio de reações termoquímicas, onde a técnica mais comum é a oxidação parcial utilizando-se O2, ar ou vapor quente para a produção de um gás (comumente denominado gás de síntese ou syngas) constituído de H e CO em duas proporções variadas (HIGMAN, 2003). Ou seja, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão). A matéria orgânica é total ou parcialmente transformada em gases cujos principais componentes são: monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio e, dependendo das condições, metano, hidrocarbonetos leves, nitrogênio e vapor de água em diferentes proporções. Esta tecnologia se encontra em estágio de desenvolvimento e comercialização, incluindo: tecnologias Fischer-Tropsch (GTL), para a produção de biodiesel ou biogasolina a partir da conversão do gás de síntese, tecnologias para a obtenção de biometanol com alto teor de alcoóis e alcoóis misturados como a mistura de gasolina ou substitutos, tecnologias desenvolvidas para fermentar o gás de síntese para etanol, com um co-produto do hidrogênio (LORA e VENTURINI, 2010).

O processo de gaseificação da biomassa resulta em complexas reações, ainda não bem conhecidas em sua totalidade. Porém, de forma introdutória e em termos teóricos, a Cenbio (2002) subdividiu em várias etapas:

1. Etapa de pirólise ou decomposição térmica, que se desenvolve a temperaturas próximas de 600º C.

2. Oxidação de parte do carbono fixo do combustível, método que constitui a fonte de energia térmica para o processo de volatilização e gaseificação.

3. Gaseificação propriamente dita, que inclui reações heterogêneas entre os gases e o coque residual, assim como reações homogêneas entre os produtos já formados.

4. Craqueamento do alcatrão – processo de destruição térmica das moléculas dos compostos que formam o alcatrão com a obtenção de CO, CO2, CH4 e outros gases como produtos.

5. Oxidação parcial dos produtos da pirólise.

Dependendo da organização do processo de gaseificação (movimento relativo da biomassa e do gás de gaseificação), estas etapas transcorrem em diferentes regiões do gaseificador, ou em todo seu volume de maneira simultânea.

Existem vários tipos de gaseificadores, funcionando com grandes diferenças de temperatura e/ou pressão (Fig. 04). Os mais comuns são os reatores de leito fixo e de leito fluidizado. Os gaseificadores de leito fixo são simples e são os mais adequados para pequenas unidades. Os mesmos se classificam especialmente em contracorrente (Fig. 04a) e equicorrente (Fig. 04b) segundo as diferentes maneiras com que as etapas de gaseificação podem se suceder. No tipo contracorrente a biomassa geralmente entra por cima enquanto o ar entra por baixo. O gás combustível sai por cima e as cinzas da biomassa utilizada saem por baixo, caracterizando o fluxo contracorrente. Ao entrar no gaseificador o ar reage com o carvão vegetal formado logo acima, e produz gás carbônico e vapor d’água em altas temperaturas. Esses produtos são empurrados para cima e reagem endotermicamente com o carvão para formar CO e H2. Esses gases ainda quentes fornecem o calor necessário para a pirólise e a secagem da biomassa que está entrando.

No gaseificador equicorrente a biomassa também entra por cima, mas o ar entra num ponto intermediário e desce no mesmo sentido da biomassa. Depois de passar pelo processo de redução, o ar sobe sem entrar em contato direto com a biomassa que está entrando, apenas troca calor para auxiliar o processo de pirólise. O ar entra na região de pirólise e produz uma

chama queimando grande parte dos voláteis. Essa chama é conhecida como combustão pirolítica onde a quantidade limitada de ar produz gases combustíveis além de gás carbônico e água. Quando os voláteis restantes são obrigados a passar pela zona de combustão, atingem temperaturas altas que os transforma em gases não condensáveis (WANDER, 2001).

Após a zona de combustão a biomassa se transforma em carvão vegetal, o dióxido de carbono e o vapor d’água que vem da região de combustão reagem com esse carvão para gerar mais monóxido de carbono e hidrogênio. Esse processo resfria bastante o gás, já que as reações de redução são endotérmicas.

A gaseificação também pode utilizar a técnica da fluidização que é uma tecnologia adequada para converter diversos resíduos agrícolas em energia, devido a suas vantagens inerentes de flexibilidade de combustível, baixas temperaturas e condições isotérmicas de operação. A fluidização é uma operação em que um sólido entra em contato com um líquido ou um gás, de maneira tal que o conjunto adquire características similares às de fluidos, de modo que as taxas de transferência de massa e energia são elevadas. Desta forma um reator de leito fluidizado consiste em uma câmara de reação que contém partículas suportadas por uma placa distribuidora e mantidas em suspensão por um fluido que as atravessa em sentido ascendente.

Angel et al., (2009) estudaram a tecnologia de leito fluidizado com casca de arroz e obtiveram cinza amorfa a partir destas cascas com baixo teor de carbono não queimado em intervalos curtos de reação. A partir da combustão da biomassa das cascas foi gerado calor que pode ser utilizado em diversos processos industriais. A temperatura de combustão pode ser controlada com base na relação ar-combustível no reator de leito fluidizado e, por conseqüência, gerar resíduos com características distintas.

A gaseificação reúne algumas vantagens quanto ao seu uso:

a) As cinzas e o carbono residual permanecem no gaseificador, diminuindo assim a emissão de particulados;

b) Alta eficiência térmica, variando de 60% a 90%, dependendo do sistema implementado;

c) Associada a catalisadores, como alumínio e zinco, a gaseificação aumenta a produção de hidrogênio e de monóxido de carbono e diminui a produção de dióxido de carbono;

d) A demanda de energia pode ser controlada e, conseqüentemente, a taxa de gaseificação pode ser facilmente monitorada e, também, controlada.

Porém as desvantagens são:

a) A biomassa deverá ser limpa, sem a presença de terras ou outros elementos que possam comprometer o processo de gaseificação;

b) Há o potencial de fusão de cinzas, que poderá alterar o desempenho do gaseificador, quando se usa a biomassa com alto teor de cinzas, e

c) se não completamente queimado, o alcatrão, formado durante o processo de gaseificação, pode limitar suas aplicações.

A partir da gaseificação da biomassa ou de outros combustíveis sólidos é formado, segundo LORA et al., (2008), o gás de síntese ou syngas que é uma mistura de gases de compostos químicos variados. Esse gás tem sua composição basicamente através de uma mistura de hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO) com aplicação em processos industriais de produção de hidrogênio para células combustíveis, metanol e vários produtos químicos, como a amônia. Alguns autores diferenciam um gás de síntese de menor qualidade (baixo poder calorífico) passível de ser utilizado em motores de combustão interna alternativos, turbinas a gás ou para a queima direta em fornos e caldeiras. A poligeração consiste no uso do gás de gaseificação tanto para processos de síntese como para a geração de eletricidade em uma única planta. No caso da via bioquímica de conversão existe a opção de gaseificar os resíduos de lignina (LORA e VENTURINI, 2010).