An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Tecnologia de leito fluidizado para pirólise rápida de biomassa vegetal

 

 

Juan Miguel Mesa Pérez^I; Luís Augusto Barbosa Cortez^II; Edgardo Olivares Gómez^III; José Dilcio Rocha^IV; Luis Enrique Brossard González^IV; José Roberto Nunhes^V

^IFaculdade de Engenharia Agrícola -FEAGRI/UNICAMP, Cidade Universitária "Zeferino Vaz", Barão Geraldo, CP 6011, CEP 13083-970, Campinas SP, Brazil, Fax 55193788-1010. juanca_mesa@hotmail.com
^IIFaculdade de Engenharia Agrícola -FEAGRI/UNICAMP, Cidade Universitária "Zeferino Vaz", Barão Geraldo, CP 6011, CEP 13083-970, Campinas SP, Brazil, Fax 55193788-1010. cortez@agr.unicamp.br
^IIIFaculdade de Engenharia Agrícola -FEAGRI/UNICAMP, Cidade Universitária "Zeferino Vaz", Barão Geraldo, CP 6011, CEP 13083-970, Campinas SP, Brazil, Fax 55193788-1010. egomez@ct.unicamp.br
^IVNúcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético-NIPE, UNICAMP. jdr1203@uol.com.br
^VFaculdade de Engenharia Química -FEQ/UNICAMP

 

 

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RESUMO

Discute-se detalhes sobre a tecnologia de leito fluidizado existente na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Brasil, a qual tem capacidade para processar entre 100 e 250 kg/h de biomassa. A planta é usada para produzir bio-óleo e finos de carvão a partir do processo de pirólise rápida de biomassa vegetal (capim elefante e bagaço de cana-de-açúcar), utilizando ar como agente de fluidização.
Apresenta-se a estratégia empregada para a otimização experimental dos parâmetros de operação da planta e de qualidade dos produtos da pirólise. São discutidas ademais algumas considerações para o "scale-up" da planta assim como os principais problemas e soluções encontrados pelos autores durante a operação do reator.
Finalmente são expostos alguns critérios para a análise econômica de alternativas geradas a partir de mudanças operacionais e de escala.

Palavras chaves: pirólise, biomassa, "scale-up", otimização, bio-óleo

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ABSTRACT

This research presents details about the fluidized bed technology developed at Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Brazil, to convert biomass into bio-oil using fast pyrolysis as a process, and agricultural and industrial residues such as cane trash and bagasse as raw material. The pilot plant has a capacity in the range of 100 to 250 kg/h of biomass.
The facility is able to produce bio-oil and fine charcoal from biomass. The fluidization is made with air. The experimental optimization of the parameters and the quality of pyrolysis products is the strategy applied and shown in this study. Some considerations about the process scale-up and the main operational problems are also showed, discussed, and troubleshooted. Finally some criteria to make an economical analysis are delined to consider the scale up and operational changes in the facility.

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INTRODUÇÃO

A partir da década de 70 muitos programas de pesquisa foram implantados objetivando o desenvolvimento de tecnologias alternativas de conversão termoquímica da biomassa vegetal, fundamentalmente a gaseificação e a pirólise. Nesse sentido, muitos têm sido também os trabalhos realizados por pesquisadores na busca constante de correlações que permitam descrever os processos de conversão termoquímica da biomassa vegetal, principalmente a gaseificação e a pirólise em reatores de leito fluidizado.

A obtenção de gás combustível e de síntese a partir da gaseificação, e de carvão vegetal, combustíveis líquidos (bio-óleo) e gasosos a partir da pirólise, usando biomassa vegetal como insumo inicial, têm hoje atenção especial por parte de instituições de pesquisa e governamentais, universidades e muitas empresas vinculadas com a produção e comercialização de energia elétrica.

Entretanto os estudos desenvolvidos em laboratório e planta piloto para a obtenção de modelos matemáticos, quase sempre relacionam parâmetros de operação como temperatura e taxa de aquecimento, só por citar alguns, mas não vinculam os efeitos destes parâmetros com as características de qualidade dos subprodutos da pirólise.

Neste trabalho apresenta-se a estratégia para a otimização experimental de características de qualidade dos produtos da pirólise, assim como, algumas considerações para o "scale-up" da planta num reator de leito fluidizado em regime borbulhante. Discute-se também os principais problemas encontrados durante a operação do reator e as soluções praticadas.

DETALHES SOBRE A TECNOLOGIA DE LEITO FLUIDIZADO DA UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS (UNICAMP)

A instalação experimental em escala piloto está baseada na tecnologia de leito fluidizado. As principais partes da planta são: um reator do tipo de leito fluidizado, uma bateria de ciclones (2 ciclones) de eficiência média que separam os finos de carvão até uma determinada classe de tamanhos (Ponto A), uma segunda bateria de ciclones (1 ciclone) de alta eficiência para separar partículas de carvão de menor tamanho (Ponto B), um sistema de recuperação de bio-óleo, e um sistema de alimentação de biomassa. (Figura 1).

 

 

O reator está configurado basicamente para uma capacidade nominal em torno de 280 kW_th e utiliza durante sua operação um leito de material inerte. O reator é de secção transversal cilíndrica e está construído em aço carbono com diâmetro interno de 417 mm, revestido internamente com isolamento térmico refratário de 88 mm de espessura. Sua capacidade nominal de alimentação é de 100 kg/h de biomassa polidispersa e possui uma placa de distribuição de ar com bicos. Cada bico tem 4 orifícios na sua parte superior colocados em posição tangencial para evitar perda do material inerte pelo plenum.

O sistema de alimentação está composto por uma esteira transportadora, um silo de secção quadrada e uma rosca sem fim. A biomassa é alimentada na rosca através de um dosador rotativo de velocidade variável. A Figura 2(a) mostra um esquema do reator com a localização das tomadas de pressão estática, temperatura e concentração ao longo da altura do reator e as Figuras 2(b) e 2(c) uma vista em detalhes da planta.

 

 

È utilizado um sistema de aquisição de dados via computador que realiza a coleta de 14 dados de temperatura em tempo real. são medidos também valores de pressão estática ao longo da altura do reator.

O monitoramento dos dados inclui a retirada de uma amostra de carvão vegetal na seção abaixo do ciclone e de bio-óleo no sistema de recuperação. a amostra de gás pirolítico é retirada continuamente através de uma linha de gás até a unidade amostradora que está acoplada ao analisador de monóxido de carbono (CO) da Horiba modelo VIA 510.

 

ETAPAS PARA O DESENVOLVIMENTO DE PESQUISAS RELACIONADAS COM A TERMOCONVERSÃO DE BIOMASSA EM REATORES DE LEITO FLUIDIZADO

Na Figura 3 os autores apresentam as etapas fundamentais que conformam a estratégia para o desenvolvimento de pesquisas relacionadas com a termoconversão de biomassa vegetal em reatores de leito fluidizado.

 

 

Os objetivos a serem atingidos através do uso da estratégia proposta são:

1. Otimizar em laboratório ou na planta piloto as principais características de qualidades dos produtos da termoconversão a partir do ajuste de modelos estatísticos,
2. Ajustar os modelos estatísticos em uma região de experimentação o suficientemente ampla que inclua "todas" as possíveis condições práticas de operação,
3. Obter informações adicionais sobre o processo e/ou produtos através do uso de ferramentas computacionais,
4. Estimar o efeito da mudança de tamanho na qualidade do produto ou processo,
5. Gerar alternativas para a análise econômica a partir do conhecimento das distorções entre modelos em diferentes escalas visando a seleção de alternativas viáveis ou a busca de novas a partir da reformulação do planejamento experimental inicial.

A seguir são discutidas algumas considerações sobre a estratégia a partir da experiência adquirida pelos autores durante a otimização do processo de pirólise rápida em um reator de leito fluidizado que utiliza ar como agente de fluidização.

 

USO DA ESTRATÉGIA DE OTIMIZAÇÃO EXPERIMENTAL (EOE) VISANDO A OTIMIZAÇÃO DOS PARÂMETROS DE QUALIDADE DOS SUBPRODUTOS DA PIRÓLISE RÁPIDA EM LEITO FLUIDIZADO

A Estratégia de Otimização Experimental - EOE é usada no estudo da influência dos fatores de possível influência sobre as principais propriedades que caracterizam quantitativa e qualitativamente os finos de carvão vegetal e bio-óleo obtidos a partir do processo de pirólise rápida em leito fluidizado.

Suponhamos que se deseja otimizar um processo cujos contornos apresentam um ótimo no ponto C (Figura. 4). A estratégia para localizar os níveis dos fatores que geram uma resposta ótima, neste caso X_1c e X_2c, consiste em escolher uma região que contenha o ponto I, realizar uma serie de experimentos planejados convenientemente e determinar um modelo de primeira ordem que somente será válido para a região escolhida.

 

 

O modelo ajustado indicará a direção onde a reposta se aproxima mais rapidamente ao ótimo, podendo ser um ponto de máxima ou mínima resposta. uma vez determinada esta direção que neste caso corresponde ao vetor I-II, realizam-se experimentos sobre a trajetória até obter uma reposta significativa menor que a anterior, quando isto ocorre se toma o ponto de mais alta reposta como centro de um novo planejamento experimental (II), também de primeira ordem.

O número de passos necessários para chegar ao ótimo depende da localização da região onde são planejados os primeiros experimentos. O número de etapas para atingir o ponto ótimo depende do pesquisador e de seu entendimento sobre o problema.

Quando a zona que se estuda encontra-se contendo um ponto estacionário, um modelo de primeira ordem é insuficiente para descrever o comportamento da reposta que se estuda, precisando-se acrescentar o número de níveis e de experimentos. Desta maneira é possível estimar os novos coeficientes contidos na correlação de segunda ordem. Finalmente são realizadas manipulações matemáticas ao modelo visando determinar o ponto ótimo e efetivar experimentos em seu entorno para determinar a estabilidade da reposta. (MESA, 1998)

Os passos necessários que antecedem à experimentação e posterior obtenção de modelos matemáticos são:

a) Identificação dos fatores de possível influência e variáveis de resposta

b) Realização de testes exploratórios (os primeiros testes)

c) Definição dos níveis dos fatores independentes identificados

IDENTIFICAÇÃO DOS FATORES DE POSSÍVEL INFLUÊNCIA E VARIÁVEIS DE RESPOSTAS

Uma análise aprofundada das variáveis de possível influência no reator de leito fluidizado possibilita diferenciá-las entre dependentes e independentes. Assim tem que, do total anterior considera-se como variáveis dependentes ou respostas do planejamento as seguintes:

 

 

As variáveis independentes, podem ser agupadas em 4 grupos fundamentais, os quais são:

 

 

Grupo 3: Altura estática de materal inerte do leito

Quando se alimenta biomassa de baixa densidade (biomassa polidispersa) na parte inferior do leito de material inerte, os gases produtos da termoconversão precisam vencer a resistência provocada pela alta concentração das partículas de inerte. O tempo de residência dos gases produtos está relacionado com a altura do material inerte e a porosidade do leito. Uma conseqüência das altas resistências do material de inerte ao escoamento dos gases produtos é o refluxo dos gases da pirólise pelo sistema de alimentação. A intensidade deste vazamento de gás e função da queda de pressão que se estabelece entre a parte interior do leito e o sistema de alimentação, a qual depende da altura do leito de inerte e a vazão do agente de fluidização.

Grupo 4: Variáveis relacionadas com os fluxos de entrada;

1. Vazão mássica de biomassa alimentada;
2. Vazão mássica de ar suprido ao reator;
3. Temperatura do ar na entrada do distribuidor;

Considerando-se que a temperatura do ar permanece praticamente constante, para um tipo específico de biomassa (mesma natureza, fonte de suprimento, e características físicas) e de material inerte do leito, as variáveis envolvidas nos grupos 1 e 2 podem ser consideradas invariáveis, portanto as correspondentes aos grupos 3 e 4 constituem as possíveis variáveis independentes, que pelas suas características podem ser controladas pelo pesquisador, elas são:

1. Relação mássica ar/biomassa R_a/b ou porcentagem de ar em relação ao estequiométrico Pae.
2. Altura estática do leito de material inerte H;

OS PRIMEIROS TESTES EXPERIMENTAIS

Para garantir a operação estável do reator de leito fluidizado em regime de pirólise rápida, assim como o estabelecimento dos níveis dos fatores independentes acima identificados, é recomendável realizar testes experimentais exploratórios, a partir dos quais seja possível identificar as principais dificuldades associadas com a operação da planta piloto. Na Tabela 1 abordam-se as principais dificuldades encontradas pelos autores durante a estabilização da planta piloto de pirólise rápida em leito fluidizado da UNICAMP, assim como algumas das soluções praticadas

Os resultados dos testes exploratórios possibilitaram o trabalho estável da planta, maior conhecimento dos fenômenos que ocorrem durante a pirólise rápida em leito fluidizado assim como o estabelecimento dos níveis adequados para os fatores independentes identificados.

DEFINIÇÃO DOS NÍVEIS DOS FATORES INDEPENDENTES IDENTIFICADOS

O processo de pirólise rápida em reatores de leito fluidizado utilizando ar como agente de fluidização é complexo. Isso é provocado pelas restrições que devem ser cumpridas durante a operação do reator, tais como:

1. A vazão de ar utilizada deve ser tal que garanta uma adequada fluidização do leito de inertes,
2. As vazões de ar devem corresponder com não mais do que um 5 a 15 % do ar estequiométrico;
3. Conseguir baixos tempos de residências da fase gasosa dentro do reator. Procura-se evitar reações secundárias significativas;
4. Conseguir uma adequada distribuição de temperatura ao longo da altura do reator a qual é uma conseqüência dos itens anteriores.

O cumprimento das condições anteriores depende dos níveis estabelecidos para os fatores que influenciam na operação do reator, tais como: diâmetro do inerte, altura do leito fixo de material inerte, velocidade de mínima fluidização do inerte utilizado e a relação ar/biomassa, entre outras variáveis.

Os valores da Pae foram determinados através do conhecimento das relações estequiométricas Ar/Combustível para combustão total da biomassa (bagaço de cana-de-açúcar e capim elefante). Os resultados obtidos mostram-se a continuação:

 

 

Finalmente os níveis estabelecidos para a altura do leito de material inerte HL e a porcentagem de ar em relação ao estequiométrico (Pae) são os seguintes:

 

 

AMPLIAÇÃO DA REGIÃO DE EXPERIMENTAÇÃO

A realização de testes adicionais visa a obtenção de modelos matemáticos válidos para uma região de experimentação suficientemente ampla que possa incluir "todas" as possibilidades práticas durante a pirólise rápida de biomassa usando a tecnologia de leito fluidizado.

Os novos testes podem ser planejados seguindo a trajetória de máxima inclinação. Na Figura 5.1 apresenta-se varias retas que partem do ponto central e passam pelas esquinas do quadrado que limita a região em estudo, esta representação é colocada só para mostrar possíveis trajetórias de forma esquemática.

 

 

Outra forma que pode ser utilizada para ampliar a região experimental é através de planejamentos fatoriais na direção na qual, segundo o modelo inicial, os valores da resposta sejam os melhores (Figura 5.2). A aplicação de Técnicas Evolutivas (EVOP) também pode ser usada para esta finalidade, fundamentalmente quando o estudo experimental é feito em plantas de tamanho apreciável. Para o uso das Técnicas Evolutivas (EVOP) é preciso que os fatores independentes possam ser mudados convenientemente durante a realização dos ensaios, e determinadas as características de qualidades.

 

 

A analise da superfície de resposta é outra forma por meio da qual pode-se conhecer as características da resposta que se estuda. Esta análise é feita sobre correlações de segunda ordem, que a diferença com os métodos anteriormente discutidos. A transformação canônica de uma equação de segundo grau, brinda informações adicionais acerca das características da superfície de resposta em uma região curva do hiper-espaço.

Por outro lado, em reatores de leito fluidizado, fatores tais como, velocidade superficial, diâmetro médio de partícula e temperatura, podem ser consideradas variáveis naturais porque podem ser medidas convenientemente em separado. Variáveis fundamentais que não são diretamente medidas, mas que podem descrever melhor o sistema (por exemplo, número de Reynolds, Archimedes) são freqüentemente função de duas ou mais variáveis naturais. Nesses casos, os sistemas "telha" são freqüentes durante a análise canônica, indicando a relação entre as variáveis naturais.

A análise dimensional determina a forma na qual se encontram relacionadas as variáveis fundamentais com as variáveis naturais.

 

EFEITO DA MUDANÇA DE TAMANHO SOBRE OS PARÂMETROS DE QUALIDADE DOS SUBPRODUTOS DA PIRÓLISE

Existem diferentes estudos sobre a influência do diâmetro de partículas do material inerte na hidrodinâmica de leitos fluidizados visando compreender as causas da diminuição da conversão ou a qualidade de determinado produto com o incremento do diâmetro do reator. Esses estudos têm ajudado no desenvolvimento de modelos físicos sobre o desempenho do reator.

A base de conhecimentos sobre a qual se apóia a Teoria de Escalamento ou Teoria dos Modelos está contida no seguinte princípio fundamental:

A configuração espacial e temporal de um sistema físico está determinada pela razão de grandezas dentro do mesmo sistema, e não depende do tamanho deste nem da natureza das unidades em que se medem essas grandezas. Se diz que dois sistemas são semelhantes quando entre eles guardam-se semelhanças geométrica, cinemática, térmica, etc. (ROSABAL, 1988)

Através da Teoria dos Modelos são analisados os diferentes critérios de semelhança, que vêm expressados por grupos adimensionais de força (números adimensionais, por exemplo, Reynolds, Freude, Nusselt, etc.).

O conjunto de números adimensionais que caracterizam um processo dado (equações criteriais) constitui a informação necessária e suficiente para o projeto de mudança de escala.

Na Tabela 2 são apresentados alguns parâmetros de escala determinados a quente na unidade piloto da UNICAMP para verificar a relação de escala no reator e sua influência nas características de qualidade dos subprodutos da pirólise:

 

 

CORREÇÃO DE MODELOS MATEMÁTICOS POR EFEITO DE MUDANÇA DE ESCALA

Os modelos matemáticos empíricos derivados do planejamento experimental, descrevem as principais características de qualidade de um produto ou processo em uma região experimental pequena e para uma escala determinada.

As relações de escalas obtidas ao igualar os parâmetros adimensionais para plantas de diferentes tamanhos são incorporadas nos modelos matemáticos para estimar o efeito da mudança de escala (modelos corrigidos por efeito da mudança de escala). A diferença entre os valores das respostas preditas pelo modelo matemático ajustado e o corrigidos, para as mesmas condições de operação é chamada de distorção.

Essas distorções serão não significativas se o grau de mistura e a eficiência de contato gás - sólido são mantidas constantes entre leitos de diferente tamanhos já que, as características térmicas e a velocidade da reação química serão também similares. O fato anterior envolve o entendimento das mudanças hidrodinâmicas e como essas mudanças influenciam as condições térmicas e químicas por variação no contato sólido - gás, tempo de residência, circulação de sólidos, mistura e distribuição do gás, etc. (WEN-CHING, 1998)

O uso d ferramentas computacionais possibilita o entendimento de fenômenos que na pratica são difíceis de quantificar ou os recursos necessários para sua determinação são elevados.

 

CRITÉRIOS PARA A ANÁLISE ECONÔMICA DE LEITOS FLUIDIZADOS

Freqüentemente se acostuma fazer análises econômicas de tecnologias para diferentes escalas visando o estudo da viabilidade econômica em função do volume de produção. Esse processo é feito quase sempre sem considerar as mudanças que experimentam a qualidade dos produtos durante a mudança de tamanho.

O uso de relações lineares na maioria dos casos levam à toma de decisões erradas técnica e financeiramente. Esse fato se deve à relação existente entre a qualidade do produto e o preço de venda.

Essa situação exige o conhecimento das verdadeiras relações de escala entre plantas de diferentes tamanhos visando conhecer as possíveis distorções entre as características de qualidade do produto ou processo nas diferentes escalas e sua influencia nos parâmetros econômicos e financeiros.

Recomenda-se que as alternativas geradas pela combinação entre os níveis dos fatores que influenciam na operação do reator, sejam avaliadas técnica, econômica e financeiramente. O anterior permite que os modelos econômicos sejam função dos parâmetros operacionais e levem em conta o efeito da mudança de tamanho usando critérios de semelhança.

Embora esses indicadores sejam calculados, o uso das estruturas dos planejamentos experimentais, além de ser válido é vantajoso.

 

CONCLUSÕES

A unidade piloto de leito fluidizado para a pirólise de biomassa da UNICAMP, trabalha de forma estável, porém as flutuações de pressão durante a operação ainda não foram completamente resolvidas.

A utilização da Estratégia da Otimização experimental minimiza tempo e recursos.

Estimar a influencia do efeito da mudança de tamanho na qualidade dos produtos da pirólise e nos parâmetros econômicos e financeiros e uma necessidade.

A estratégia generalizada para o desenvolvimento de pesquisas relacionadas com a termoconversão de biomassa indica o caminho a resultados concretos e viáveis economicamente ou à reformulação do projeto de pesquisa.

 

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à FAPESP pelos recursos em bolsas e auxílio a pesquisa sem os quais seria impossível o desenvolvimento desse trabalho: Processos: 98/15448-5 ; 01/08152-7

 

REFERÊNCIAS

[1]MESA PÉREZ, J.M, L.E. BROSSARD, J.R. GUERRERO, E. HENRY. Estrategia de utilización del Diseño de Experimentos", Tecnología Química Vol.18, N° 2, 1998

[2]ROSABAL, J. Teoria del Escalado edición ISPJAM, Santiago de Cuba, Cuba, 1988;

[3]WEN-CHING YANG. Fluidization Solids Handling and Processing, Pittsburgh, Pennsylvania, 1998