Instalação de processamento de resíduos sólidos de biomassa e de resíduos municipais

A gaseificação da biomassa e dos resíduos sólidos urbanos (RSS) difere de muitas formas da gaseificação do carvão, do coke ou da conversão do gás natural em gás sintético.Esta secção abordará estas diferenças, a tecnologia utilizada para gasificar a biomassa e os resíduos sólidos, e dar uma breve visão geral de algumas instalações em funcionamento.

Gasificadores de leito fluidizado (BFB), um tipo de gasificador de leito fluidizado geralmente caracterizado por maior secção transversal, altura mais curta, velocidades de fluidização mais baixas e leitos mais densos,São as tecnologias de gasificação de biomassa mais demonstradasA tecnologia BFB tem sido utilizada numa ampla gama de temperaturas, pressões, rendimentos e uma variedade de tipos de biomassa.e a produção de hidrogénio beneficia de altas temperaturas, como os observados na gasificação do carvão, porque a temperaturas superiores a 1.200-1.300°C, pouco ou nenhum alcatrão, metano ou hidrocarbonetos mais elevados são formados,enquanto a produção de gás de síntese (hidrogénio [H2] e monóxido de carbono [CO]) é maximizadaVários gasificadores BFB foram operados a altas pressões (> 20 bar) que seriam vantajosas para a síntese de combustível e química.Enquanto isso elimina a necessidade de um compressor seguindo o gasificadorOs BFB podem exigir que o alimento seja picado, pulverizado ou reduzido de outra forma,e provavelmente precisaria de ser secado ou torrado para permitir as temperaturas de funcionamento mais elevadas.

A escolha do oxidante – uma combinação de ar, oxigénio e/ou vapor – tem um efeito substancial na composição do gás de síntese de saída.que diluem o gás do produto e prejudicam os processos de síntesePor esta razão, uma planta de oxigênio é geralmente necessária. Variar a entrada da proporção de vapor para oxigênio é uma maneira de ajustar a proporção H2/CO a fim de corresponder aos requisitos de síntese.A síntese de combustível de transporte Fischer-Tropsch com catalisadores de ferro requer uma relação H2/CO de cerca de 0.6, é otimizado, enquanto para o catalisador de cobalto seria preferível uma proporção de 2.A produção de metanol seria favorecida com um rácio de H2/CO de cerca de 2 e para a produção de hidrogénio deve ser o mais elevado possívelSe não for possível atingir temperaturas mais elevadas no interior do gasificador BFB, pode ser necessário o craqueamento de alcatrão.Este não é o caso e, portanto, a limpeza do gás é um pouco mínima para aplicações de síntese.O estudo conclui que os gasificadores BFB estão entre as opções de baixo custo de capital para a gasificação de biomassa e, no geral, os gasificadores BFB são bastante adequados para combustíveis, produtos químicos,e produção de hidrogénio.

Gasificadores de circulação fluidizados (CFB), geralmente caracterizados por uma secção transversal menor, uma altura mais elevada e velocidades de fluidização mais elevadas,Não foram demonstrados com biomassa na medida do BFBDe facto, a literatura analisada mostrava muito poucos ensaios a pressões elevadas e todos com temperaturas inferiores a 1000°C.Embora os gaseizadores de cama fluidizada de borbulha tenham sido testados (no momento do artigo) até 35 barComo a gaseificação por BFB, os tamanhos das partículas teriam de ser reduzidos e a matéria-prima secada.Provavelmente o maior problema com CFB é a falta de demonstrações com oxigênio puro e / ou vapor, o que limita consideravelmente a confiança na tecnologia para aplicações de síntese.porque a falta de vapor significa que a reação de mudança de água-gás é suprimida.

Não foram demonstrados gasificadores de cama fixa (FB) numa ampla gama com biomassa.Este projecto de gasificador tende a produzir grandes quantidades de alcatrão ou de carvão não convertido e, por conseguinte, não foi amplamente prosseguido.No entanto, são capazes de manipular matérias-primas heterogéneas, como MSW, e têm assim uma utilização para a transformação de resíduos em combustíveis ou resíduos em energia.

Gasificadores de cama fluidizada, de aquecimento indireto, que podem ser arrastados, fluidizados ou circulantesestão numa fase inicial de desenvolvimento e não foram testados numa ampla gama de aplicaçõesDe facto, a partir de Junho de 2002, estas unidades só tinham sido testadas a pressão atmosférica.Mas são capazes de produzir um gás de síntese com um valor de aquecimento muito elevado, que é importante para aplicações de energia/calor. Uma das vantagens é que não requerem oxigénio ou ar para gasificação,o que significa que não é necessária nenhuma instalação de oxigénio (menor custo de capital e perdas de eficiência) e nenhuma diluição de nitrogénioEstas unidades tendem a ter rendimentos mais elevados de metano e outros hidrocarbonetos, o que seria um problema para aplicações de síntese, mas benéfico para a geração de calor/potência.,Os hidrocarbonetos podem ser reformados a vapor ou parcialmente oxidados, geralmente através de altas taxas de adição de vapor que promovem a atividade de mudança de água-gás.Estes sistemas precisam de ser estudados mais.

Para mais informações sobre este tópico, consulte a secção Tecnologias de gaseificação de biomassa para a produção de combustíveis, produtos químicos e hidrogénio [PDF].

Exemplos de instalações de gaseificação de biomassa e resíduos sólidos

Burlington, VT ¢Em Agosto de 2000, um gasificador de madeira de baixa pressão de 12 MW foi adicionado à estação geradora McNeil existente.Produção de gás de síntese que é alimentado na caldeira existente da central (artigo da EIA na página Web da EIA sobre biomassa para geração de eletricidade).

Ver o relatório “Base de dados de gasificadores de biomassa para fins de simulação por computador”,que contém um resumo da fábrica de Burlington VT e mais de uma dúzia de outras plantas de gasificação de biomassa ou demonstrações em todo o mundo.

Gasificadores para resíduos sólidos municipais

Tal como referido acima, os gasificadores FB são capazes de manipular matérias-primas heterogéneas, como o MSW. Isto é importante porque, como referido na secção relativa às características do MSW,Os resíduos sólidos podem variar muito em composição (imaginem o conteúdo de um contentor de lixo), com muitas formas, tamanhos, densidades e composição variáveis) e requer um gasificador flexível.A gaseificação a pressão atmosférica reduz a complexidade em comparação com a alimentação de uma alimentação altamente não uniforme a pressãoSe possível, é vantajoso evitar sistemas de preparação de rações caros, como os resultantes da pulverização.

Gasificação por plasma, que utiliza um arco de plasma elétrico extremamente quente para decompor os resíduos de MSW em gases simples e resíduos sólidos,está actualmente a ser considerada para muitas grandes instalações de gaseificação de MSWA alta tensão e a corrente eléctrica produzem um arco de plasma entre dois elétrodos.O produto do gás de síntese pode ser utilizado numa turbina para potencialmente gerar mais energia elétrica do que a necessáriaO arco de plasma pode atingir temperaturas de até 13.900°C, podendo assim decompor matérias-primas difíceis em moléculas de gás constituintes simples e um subproduto sólido de escória.

Dificuldades

A biomassa e os resíduos sólidos municipais podem constituir problemas para os projetistas de sistemas de gasificação, ambos apresentando problemas para os sistemas de alimentação, uma vez que estas matérias-primas são em grande parte heterogéneas no seu estado de entrega.Alguma biomassa, como os serrados de fábricas de madeira, podem estar em condições adequadas para muitos sistemas de alimentação existentes, enquanto outros, como a maioria dos MSW, exigiriam uma preparação extensiva ou uma personalização do sistema de alimentação.A biomassa e os resíduos sólidos podem também apresentar características como um maior teor de umidade que pode exigir a secagem pré-gaseificação.Os conteúdos de cinzas também podem variar muito, o que significa que o gasificador deve ser capaz de lidar com níveis potencialmente elevados de cinzas.Biomassa e gaseificação de resíduos sólidos requer flexibilidade na concepção para lidar com alimentos não uniformes.

Co-gaseificação de carvão e biomassa

A co-gaseificação de misturas de carvão e biomassa é de considerável interesse atual,A Comissão considera que a utilização de um método de gaseificação convencional de carvão puro não pode ser considerada como uma alternativa à utilização de um método de gaseificação convencional.:

As características de baixas ou nulas emissões de carbono da biomassa reduzem proporcionalmente a pegada de carbono do processo global de gasificação no ambiente.

A adição de biomassa à mistura de alimentos melhora a relação H2/CO no gás produzido, que é geralmente desejável para a síntese de combustível líquido.

A matéria inorgânica presente na biomassa catalisa a gasificação do carvão.

A co-gaseificação também é vantajosa, reduzindo o teor típico de alcatrão elevado resultante da gaseificação de biomassa de biomassa direta.

As operações de base envolvidas na co-gaseificação de misturas de carvão e biomassa são ilustradas na Figura 1.

Figura 1. Várias operações envolvidas no processo de gasificação de carvão e biomassa

Em primeiro lugar, em vez de um único esquema de preparação de matérias-primas, a co-gaseificação é uma forma de produção de gás.Normalmente, é necessário ter operações de pré-processamento separadas para o carvão e a biomassa.A biomassa, com um teor tipicamente elevado de humidade, não é normalmente apenas secada, mas também torrefiada (que envolve aquecimento a temperaturas tipicamente entre 200 e 320 °C, na ausência de oxigénio).em que a biomassa é submetida a uma forma leve de pirólise) e eventualmente compactada, o que melhora consideravelmente a qualidade como matéria-prima para utilização de combustível ou gasificação.A redução do tamanho do carvão e da biomassa para partículas de tamanho uniforme é necessária para uma gaseificação ideal.

As reacções e transformações de co-gasificação partilham aspectos dos da gasificação de carvão e da gasificação de biomassa, mas incluem também alguns efeitos sinérgicos que não são definitivamente descritos.No entanto, em geral, a abordagem básica para a escolha da tecnologia de co-gasificação é a mesma que para a gasificação convencional a carvão,com as propriedades da matéria-prima e a utilização desejada do gás de síntese determinando em grande parte o tipo de gasificador a utilizarSe o gás de síntese for utilizado para a geração de electricidade, um gasificador de fundo fixo é uma boa escolha, porque libera gás a alta temperatura com baixas impurezas.Os gasificadores de leito fluidizado podem não ser a melhor escolha para algumas aplicações de co-gasificação, uma vez que pode ocorrer uma desfluidização do leito fluidizado devido à aglomeração de cinzas de baixo ponto de fusão presentes na biomassa,juntamente com o entupimento dos tubos a jusante devido ao acúmulo excessivo de alcatrão.

Observou-se que os gasificadores de fluxo de enxerto devem ser investigados para a co-gasificação de carvão e biomassa, dada a sua capacidade de aceitar diferentes tipos de matérias-primas,o perfil de temperatura uniforme no interior da zona de reação, curto tempo de permanência dos reatores e conversões de carbono elevadas, todos os quais têm uma importância crescente para resolver os problemas associados à co-gasificação.

As composições dos gases do produto são influenciadas tanto pelo tipo de biomassa co-gaseificada como pela sua proporção na mistura de alimentos para animais.em especial,, a lignina na biomassa madeireira parece aumentar o rendimento de H2 no gás de síntese. Uma ampla gama de proporções de carvão e biomassa pode ser possível para determinadas aplicações,Mas o óptimo é uma função complexa do tipo de carvão usado, tipo de biomassa, tipo de gasificador e condições de funcionamento, composição de gás de síntese desejada, etc.,Para não mencionar as quantidades disponíveis de biomassa que podem ser consideravelmente inferiores ao carvão disponível.

Além do gasificador, o tipo de agente gasificante também é importante. O uso de vapor como agente gasificante em oposição ao ar auxilia a reação de mudança de água-gás e produz gás de síntese rico em H2.A utilização de catalisadores afeta a produção de gás de sínteseUm exemplo interessante é o estudo da co-gasificação do carvão de Puertollano misturado com pinho, petcoke e polietileno (PE). Findings were that the use of dolomite catalysts helped in increasing the gasification rate along with reducing hydrogen sulfide (H2S) generation and increasing sulfur and chlorine retention in the solid phase.

A limpeza do gás de síntese do gás de síntese derivado da co-gaseificação inclui as mesmas operações necessárias para a gaseificação convencional do carvão, incluindo a remoção de partículas, a remoção de enxofre, etc.,Mas pode ser mais complicado do que a gasificação de carvão ou a gasificação de biomassa sozinha, porque podem ser necessárias tanto as espécies presentes no gás de síntese derivado do carvão bruto (enxofre e mercúrio) como as presentes em quantidades elevadas da gasificação da biomassa (tesouros e álcalis).

No futuro, a co-gaseificação de carvão e biomassa é promissora como forma de reduzir substancialmente a intensidade de carbono da gaseificação,Para a utilização de combustíveis de biomasse de baixo custo, como resíduos de madeira e de alto teor energético, culturas de biomassa de terras marginais, como a erva-doce, e para melhorar os processos de gaseificação, otimizando a qualidade do gás de síntese e aumentando o rendimento e a produção.