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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Sistemas de gaseificação de biomassa na geração de energia elétrica para comunidades isoladas
Prof. Dra. Suani Teixeira CoelhoI; M. Sc. Sílvia M. Stortine Gonzáles VelázquezII; M. Sc. Osvaldo Stella MartinsIII; M. Sc. Ademar Hakuo UshimaIV; Eng. Sandra Maria Apolinario dos SantosV; Fernando BasagliaVI
ICENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 Cidade Universitária - São Paulo / SP Cep: 05508-010 Fone / Fax: (11) 3091-2649 suani@iee.usp.br;
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VIIPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas. Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária - São Paulo /SP Cep: 05508-901 Fone: (11) 3767-4791 adidas@ipt.br
RESUMO
O projeto GASEIFAMAZ "Comparação entre Tecnologias de Gaseificação de Biomassa Existentes no Brasil e no Exterior e Formação de Recursos Humano na Região Norte", convênio FINEP/CT-ENERG 23.01.0695.00, é uma parceria entre o CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa, BUN - Biomass Users Network do Brasil, IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas, UA - Universidade do Amazonas e INCRA - Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária.
O objetivo principal desse projeto é estudar um sistema de gaseificação de biomassa e sua implantação, de maneira sustentável, em comunidades isoladas localizadas na região norte do Brasil, como uma alternativa aos combustíveis fósseis.
O sistema utilizado consiste em um gaseificador, importado do Indian Institute of Science - IISc, com capacidade de geração de 20 kWe, um gerador (motor de combustão interna e alternador), um extrator de cinzas, um sistema de tratamento e resfriamento de água, um secador e um painel de controle.
Os testes no IPT avaliam as condições de operação do sistema de gaseificação, bem como, a limpeza dos gases de processo para a geração de energia elétrica, servindo como base para o desenvolvimento dessa tecnologia no Brasil e para a formação de recursos humanos na região norte (capacitação do pessoal na operação e manutenção do sistema), colaborando com instituições que trabalham nessa área.
Palavras-chave: Gaseificação, geração de energia, biomassa.
ABSTRACT
The project "Comparison Among Existing Technologies of Biomass Gasification", accord FINEP/CT-ENERG 23.01.0695.00, is a partnership between CENBIO - The Brazilian Reference Center on Biomass, BUN - Biomass Users Network of Brazil, IPT - Technology Research Institute and UA - Amazon University.
The project main objective is to present the biomass gasifier system study and implantation, in sustainable way, at isolated communities in the North Region, offering an alternative to replace fossil fuel
The system utilized is composed by a gasifier from Indian Institute of Science - IISc that can generate 20 kW of output energy, a generator (internal combustion engine), an ashes extractor, a water cooler and treatment system, a dryer and a control panel.
The project study, made at IPT, intends to evaluate the operation conditions of the gasification system: gas cleaning, electric energy generation and to transfer the technology to Brazil, allowing the formation of human resources in the Brazilian North region and collaborating with any institute working on this area.
1. Introdução
As regiões Norte e Nordeste do país concentram a maior parte das comunidades brasileiras sem acesso à rede de distribuição de energia elétrica. É de conhecimento dos pesquisadores da área energética que essa questão é antiga e que as soluções adotadas têm se mostrado, com muita freqüência, insatisfatórias (CENBIO, 2001).
Os sistemas de geração de energia elétrica encontrados nas comunidades, na maioria dos casos são formados por um gerador movido por um motor a diesel. Um dos problemas enfrentados é o alto custo do diesel, que chega a atingir até duas vezes o seu valor, devido ao custo de transporte. Portanto, a utilização de unidades geração de pequeno porte utilizando combustíveis regionais, como a biomassa, apresenta-se como alternativa viável.
Ainda que os grandes centros consumidores sejam abastecidos por outras fontes energéticas, como Manaus, que será abastecido com gás natural através de um gasoduto, as comunidades mais distantes não terão acesso a essa energia, dependendo ainda do diesel que representa um valor muito significativo para essas populações (CENBIO, 2003).
No Brasil já existem algumas instituições que trabalham com gaseificação de biomassa, porém, ainda apresentam peculiaridades na limpeza dos gases de alimentação do motor e na obtenção de sistemas de operação e manutenção simplificadas. A Índia, que possui comunidades muito semelhantes às encontradas no Brasil, desenvolveu esse sistema, implantado há mais de dez anos. O projeto propiciará uma troca de experiências entre Índia e Brasil, com o intuito de aperfeiçoar a tecnologia para as comunidades isoladas (COELHO, MARTINS, SANTOS, 2002).
O projeto GASEIFAMAZ "Comparação entre Tecnologias de Gaseificação de Biomassa Existentes no Brasil e no Exterior e Formação de Recursos Humano na Região Norte", convênio FINEP/CT-ENERG 23.01.0695.00, com o intuito de suprir, de modo sustentável, a demanda de energia elétrica em comunidades isoladas, importou um sistema de gaseificação de 20 kW, do Indian Institute of Science (IISc), instalou-o para testes no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). O projeto previu, também, a capacitação de pessoal na operação e manutenção desta tecnologia fabricada pelo IISc, utilizando os conhecimentos adquiridos para o aperfeiçoamento dos equipamentos nacionais em função dos testes realizados no IPT.
O projeto é uma parceria entre o Centro Nacional de Referência em Biomassa (CENBIO), Biomass Users Network do Brasil (BUN), Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) e a Universidade do Amazonas (UFAM).
Para avaliar as condições de operação desses sistemas de gaseificação e de limpeza de gases e geração de energia elétrica, foi testado no IPT um sistema de gaseificação composto por um gaseificador de 20kW, extrator de cinzas, sistema de tratamento e resfriamento de água, gerador (motor de combustão interna e alternador), secador de biomassa e painel de controle, a partir destes resultados a equipe técnica do projeto simplificou o sistema, adaptando-o às condições brasileiras e tornando-o de fácil operação e manutenção, apto a ser instalado em comunidades isoladas para geração de energia elétrica.
Os testes realizados analisaram: composição do gás gerado no sistema, temperaturas registradas no gaseificador, vazão de gás, variação do Poder Calorífico Superior (PCS) e da potência térmica do gaseificador, a água de lavagem, bem como, a eficiência de um filtro de areia e carvão construído, especialmente, para retenção dos compostos aromáticos da água de lavagem, além dos testes do sistema de gaseificação operando com o motor indiano e com o motor nacional.
Com a conclusão dos testes no IPT, o CENBIO transferiu o sistema de gaseificação para uma comunidade no estado do Amazonas, para a geração de energia elétrica. O sistema será alimentado com os resíduos da atividade agrícola da região, com destaque para as cascas de cupuaçu.
2. Funcionamento do sistema de gaseificação
O gaseificador importado do IIS é do tipo cocorrente estratificado, ou seja, o escoamento do combustível sólido segue na mesma direção e sentido do gás (MUKUNDA et all, 1994). As correntes de biomassa e de ar entram pelo topo do gaseificador, que é aberto à atmosfera ("open top") seguindo para a base, como indicado na Figura 1.
O gaseificador opera com uma pressão ligeiramente inferior à atmosférica, suficiente para garantir, através de depressão, o escoamento de gases através da carga de biomassa. Ele pode ser dividido em três partes principais: gaseificador, sistema de lavagem primário e sistema de lavagem secundário.
3. Instrumentação Instalada
Foram instalados no gaseificador 4 termopares, 3 transdutores de pressão e uma placa de orifício, esta última para determinação da vazão de gás gerado. Os locais de instalação da instrumentação são mostrados na Figura 2.
Os termopares foram instalados ao longo do circuito de gás para medir a temperatura dos gases: na saída do gaseificador (T1), antes do ciclone; na saída do trocador de calor (T2); após a sistema primário de limpeza (T3); o último após o sistema secundário de limpeza (T4). Para medir e monitorar a pressão ao longo do gaseificador, foram instalados três transdutores de pressão: um na saída do gaseificador (P1); outro na saída do sistema primário de limpeza de gases (P2); o terceiro na saída do sistema secundário (P3). A vazão de gás é medida através de placa de orifício.
Os gases monitorados de forma contínua são: CO (% vol.), CO2 (% vol.), CH4 (% vol.), H2 (% vol.) e O2 (% vol.). Como a soma dos teores de outros gases ou vapores combustíveis, com pesos moleculares maiores que o metano (eteno, penteno, benzeno etc.) e não monitorados é muito baixa (em geral menor que 1 % vol.), ela pode ser desprezada e o teor de nitrogênio ser calculado por diferença.
Os pontos PAM1 e PAM 2 da Figura 2 são pontos de medição de teores de alcatrão e de material particulado nos gases. O primeiro está localizado antes do sistema de limpeza de gases e o segundo, após o sistema. A determinação destes teores permitirá determinar a eficiência do sistema de limpeza de gases do gaseificador. A metodologia de determinação do teor de alcatrão e de material particulado a ser utilizada nesta avaliação foi desenvolvida dentro do projeto "Energy Project EEN5-1999-00507 (tar protocol)", patrocinado pela União Européia e é específica para gaseificadores.
4. Biomassa Ensaiada
O teste inicial foi ensaiado com cavaco de eucalipto com cerca de 80 % apresentando dimensões acima de 10 mm e baixo teor de cinza. A umidade do primeiro lote foi determinada a partir da secagem de uma amostra representativa do lote, de cerca de 20 kg, até peso constante, em estufa a 104 ºC. A umidade, base úmida, ficou em 24,2 % b.u. Como a umidade recomendada no manual é de até 15 % b.u., decidiu-se iniciar os testes com cavacos secos. Eles foram secos em estufa elétrica, de 1,5 m3 de volume, existente no LCG.
Pesando um tambor de 200 litros cheio de cavaco seco consegue-se a densidade de empilhamento, ou global, do cavaco totalmente seco, sendo essa 184,3 kg/m3. Esta densidade está abaixo da descrita no manual de operações, que recomenda densidades acima de 300 kg/m3 para materiais com umidade de até 15 % b.u. No caso de cavacos com umidade de 15 % b.u., a densidade de empilhamento seria de 216,8 kg/m3, ainda abaixo do recomendado.
5. Resultados dos Testes
No primeiro teste, utilizou-se carvão vegetal, o mesmo utilizado para churrascos, no gaseificador carregando-o até o topo, o carvão foi quebrado em pedaços com dimensões da ordem de 5 cm. Em ensaios subseqüentes, não mais se alimentou com carvão vegetal, apenas cavacos de eucalipto. Após o acionamento das bombas e regulagem das vazões de água, procedeu-se ao acendimento do gaseificador, operação que demonstrou ser muito simples, bastando colocar uma chama em frente aos orifícios de entrada de ar secundário, um de cada vez. A chama atravessa o orifício succionada pela depressão no interior do leito provocada pelos bicos ejetores dos sistemas de lavagem, dando ignição ao material parado nesta região. A zona de combustão se espalhou rapidamente ao longo da seção e o teor de oxigênio nos gases também sofreu uma queda rápida, sendo que após aproximadamente 6 minutos, esse teor nos gases gerados baixou rapidamente, chegando próximo de zero.
As curvas registradas de composição e vazão de gases podem ser apresentadas a seguir.
O teor de vapor d'água nos gases (linha verde na Figura 4) foi calculado a partir da temperatura dos gases na saída do sistema 2 de lavagem, considerando o gás saturado. Os teores base seca, medido nos analisadores contínuos, foram corrigidos para base úmida, a partir dessa umidade foi plotado no gráfico.
A figura 5 demonstra a elevação da vazão de gases gerada após a descarga das cinzas.
Alguns dados gerais do processo de teste podem ser observados na Tabela 1 a seguir:
O Poder Calorífico Superior (PCS) foi calculado a partir da composição dos gases combustíveis (Co, H2 e CH4).
5.1 Concepção e Montagem de uma Unidade de Tratamento da Água de Lavagem
Para verificar o grau de ativação do carvão proveniente do gaseificador, mediu-se a sua área específica, que resultou em 174 m2/g (RE IPT Nº 902.503). Trata-se de um carvão semi-ativado, uma vez que, para ser considerado ativado, tem de apresentar área específica maior que 800 m2/g.
O carvão retirado do gaseificador demonstrou uma grande capacidade de absorção de aromáticos, mesmo não sendo considerado um carvão ativado. Esse fato possibilitou a criação de um sistema simples de filtragem, formado por areia grossa e o carvão retirado do gaseificador, colocados em uma caixa d'água comum de seção circular. Esse sistema é muito favorável uma vez que os materiais apresentados são de fácil aquisição, mesmo em localidades remotas. A efetividade deste filtro na absorção de aromáticos está em fase de avaliação.
6. Comunidade Isolada
O sistema de gaseificação foi instalado, para geração de energia elétrica, no assentamento Aquidabam, no município de Manacapu, no estado do Amazonas. Nesta comunidade vivem 700 pessoas, cerca de 180 famílias.
A escolha desse local se deve ao fato do assentamento Aquidabam possuir as condições básicas necessária à implementação de um sistema de gaseificação: disponibilidade de biomassa, experiência em motores diesel e, principalmente, grande envolvimento dos moradores no projeto.
A comunidade já possui uma área plantada de 100 hectares de cupuaçu sendo este vendido in natura (apresentando baixo valor agregado), pois eles não possuem energia para dar o acondicionamento térmico necessário à polpa. Com o sistema de gaseificação será possível implantar uma agroindústria para o comércio da polpa do cupuaçu (com maior valor agregado). As cascas, resultantes da extração da polpa, alimentam o gaseificador, uma vez que a colheita feita em um período do ano resulta em biomassa suficiente para suprir a geração de energia durante o ano inteiro.
7. Conclusão
O sistema de gaseificação foi testado também com cavaco de Eucalipto peletizado, cascas de cupuaçu e babaçu, mostrando que é possível gerar energia com diversas biomassas bastando respeitar-se, somente, dois parâmetros: tamanho, facilmente controlado, pois o sistema de gaseificação dispõe de uma serra e umidade, controlada por um secador de biomassa alimentado com os gases de escape do motor.
Para a implantação destes sistemas em comunidades isoladas, foi executada uma simplificação do sistema de gaseificação e do processo de operação e manutenção.
A instalação do sistema de gaseificação no assentamento Aquidabam possibilitará a implantação de uma agroindústria para a extração e venda da polpa do cupuaçu (produto com maior valor agregado). Assim sendo, haverá um aumento da renda da comunidade e conseqüentemente, melhoria na qualidade de vida dos moradores.
Este projeto é de particular relevância, pois além de contribuir com as instituições de pesquisa que já trabalham na área de geração de energia elétrica, ele poderá ser replicado em outras comunidades isoladas do país.
Com a experiência adquirida no projeto GASEIFAMAZ, o CENBIO irá desenvolver o projeto GASEIBRAS "Nacionalização da Tecnologia de Gaseificação de Biomassa e Formação de Recursos Humanos na Região Norte", aprovado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Este projeto irá nacionalizar a tecnologia de gaseificação de biomassa para geração de energia elétrica e discutirá as perspectivas para fabricação destes sistemas no país.
8. Referência Bibliográficas
[1] CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Projeto GASEIFAMAZ. Dezembro, 2001.
[2] CENBIO - Centro Nacional de Referência em Biomassa. Projeto GASEIBRAS. Dezembro, 2003.
[3] COELHO, S. T.; MARTINS, O. S.; SANTOS, S. M. A.; "Estado da Arte da Gaseificação". CENBIO, 2002.
[4] MUKUNDA, H. S.; DASAPPA, S.; PAUL, P. J.; RAJAN, N. K. S.; SHRINIVASA, U. "Gasifier and Combustor for Biomass - Technology and Field Studies. Energy for Sustainable Development"; Volume 1; Nº 3. September, 1994.
[5] USHIMA, A. "Testes no sistema de gaseificação para geração de energia elétrica em comunidade isoladas". Setembro, 2003.
[6] USHIMA, A. "Testes no sistema de gaseificação para geração de energia elétrica em comunidade isoladas". Dezembro, 2003.