O documento discute a gaseificação de biomassa, abordando sua história, conceitos, processos e tecnologias envolvidas. Define biomassa e detalha suas composições e propriedades, além de apresentar análises e aplicações comerciais do processo. Destaca a importância da operação, manutenção e viabilidade econômica dos sistemas de gaseificação de pequeno porte.

1. Tecnologia e Estado da Arte da Gaseificação de Biomassa,
Universidade do Amazonas, Manaus, 8 e 9 de abril de 2002
Gaseificação de Biomassa -
Histórico e Conceitos
Básicos
NIPE/UNICAMP

2. Leito Fluidizado 100 kg/h de
Biomassa

4. Gaseificação,
um novo
processo?

5. “Os princípios básicos da gaseificação de biomassa são conhecidos desde o final do
século XVIII. As primeiras aplicações comerciais foram registradas em 1830. Em
1850, grande parte da cidade de Londres era iluminada com gás e a indústria então
estabelecida cresceu usando gaseificadores para produzir gás, principalmente de
carvão mineral e madeira. Em 1881, pela primeira vez o gás de gaseificação foi
usado para acionar um motor de combustão interna. Nos anos de 1920 várias
demonstrações de aplicações estacionárias, caminhões, tratores e automóveis
aconteceram na Europa e outras partes, mas foram aos poucos abandonadas.
Durante a Segunda Guerra Mundial os gaseificadores de biomassa para a geração
de eletricidade reapareceram com força na Europa, Ásia, América Latina e
Austrália, devido a escassez de petróleo. Apenas na Europa cerca de um milhão de
veículos eram acionados por gaseificadores naquela época usando carvão vegetal
ou madeira. Com o fim da guerra foram todos abandonados novamente.
As crises energéticas dos anos de 1970 e 1980 reacendem o interesse pela
gaseificação de biomassa…”
Fonte: Stassen, H.E. (1995) Small-Scale Biomass Gasifiers for Heat and Power. A Global Review. World Bank
Technical Paper Number 296, Energy Series.

6. O que é a biomassa?
lenha, resíduos de serrarias e movelarias,
produtos da cana, álcool etílico, bagaço,
resíduos agro-pecuários, florestais,
industriais, casca de arroz, esterco,
carvão vegetal e briquetes,
óleos vegetais; palma, mamona, buriti,
resíduos urbano,
Lixivia, licor negro, casca de madeira, etc.

7. Constituintes da Biomassa
• Celulose
• Hemicelulose
• Lignina
• Extrativos
• Minerais

8. Outras Formas de Analisar a
Biomassa
Análise Elementar
• C
• H
• O
• N
• S
• Cl
• Si, etc
Análise Imediata
• Carbono fixo
• Matéria volátil
• Umidade
• Teor de cinzas

9. Análise Elementar da
Biomassa, % b.s.
C H N O
Bagaço de cana 43,8 5,8 0,4 47,1
Fibra de coco 47,6 5,7 0,2 45,6
Casca de coco 50,2 5,7 0,0 43,4
Sabugo de milho 47,6 5,0 0,0 44,6
Pé de milho 41,9 5,3 0,0 46,0
Resíduo de algodão 42,7 6,0 0,1 49,5
Casca de amendoim 48,3 5,7 0,8 39,4
Casca de painço 42,7 6,0 0,1 33,0
Casca de arroz 38,9 5,1 0,6 32,0
Palha de arroz 36,9 5,0 0,4 37,9
Madeira (subabul) 48,2 5,9 0,0 45,1
Palha de trigo 47,5 5,4 0,1 35,8
Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

10. Análise Imediata, Poder
Calorífico Superior e Massa
Específica da Biomassa, % b.s.
Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995
Cinzas Voláteis PCS (MJ.kg-1
) Massa
específica
(kg.m-3
)
Bagaço de cana 2,9 84,2 16,29 111
Fibra de coco 0,9 82,8 14,67 151
Casca de coco 0,7 80,2 20,50 661
Sabugo de milho 2,8 85,4 15,65 188
Pé de milho 6,8 80,1 16,54 129
Resíduo de algodão 5,4 88,0 17,48 109
Casca de amendoim 5,9 83,0 18,65 299
Casca de painço 18,1 80,7 17,48 201
Casca de arroz 23,5 81,6 15,29 617
Palha de arroz 19,8 80,2 16,78 259
Madeira (subabul) 0,9 85,6 19,78 259
Palha de trigo 11,2 83,9 17,99 222

11. Celulose Hemicelulose Lignina Extrativos
Bagaço de cana 41,3 22,6 18,3 13,7
Fibra de coco 47,7 25,9 17,8 6,8
Casca de coco 36,3 25,1 28,7 8,3
Sabugo de milho 40,3 28,7 16,6 15,4
Pé de milho 42,7 23,6 17,5 9,8
Resíduo de algodão 77,8 16,0 0,0 1,1
Casca de amendoim 35,7 18,7 30,2 10,3
Casca de painço 33,3 26,9 14,0 10,8
Casca de arroz 31,3 24,3 14,3 8,4
Palha de arroz 37,0 22,7 13,6 13,1
Madeira (subabul) 39,8 24,0 24,7 9,7
Palha de trigo 30,5 28,9 16,4 13,4
Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

12. Composição das Cinzas
da Biomassa, ppm b.s.
Si Ca K Na Mg Al Mn Fe P S
Bagaço de cana 17.340 1.518 2.682 93 6.261 - 9 125 284 60
Fibra de coco 2.990 477 2.438 1.758 532 148 4 187 47 64
Casca de coco 256 1.501 1.965 1.243 389 73 1 115 94 35
Sabugo de milho 9.857 182 9.366 141 1.693 - 19 24 445 15
Pé de milho 13.400 4.686 32 6.463 5.924 1.911 12 518 2.127 564
Resíduo de algodão 13.000 3.737 7.094 1.298 4.924 - 38 5746 736 58
Casca de amendoim 10.960 12.970 17.690 467 3.547 3.642 44 1.092 278 299
Casca de painço 150.840 6.255 3.860 1.427 11.140 - 38 1.020 1.267 317
Casca de arroz 220.690 1.793 9.061 132 1.612 - 108 533 337 163
Palha de arroz 174.510 4.772 5.402 5.106 6.283 - 463 205 752 221
Madeira (subabul) 195 6.025 614 92 1.170 - 2 614 100 66
Palha de trigo 44.440 7.666 28.930 7.861 4.329 2.455 25 132 214 787
Fonte: Fuel, 74(12), 1812-22, 1995

13. Gaseificação de biomassa
é um processo no qual o
combustível sólido é
fragmentado com o uso de calor
numa atmosfera com pouco
oxigênio para a geração de uma
mistura de gases combustível.

14. Processos de Convers
Processos de Conversão
ão
de Biomassa
de Biomassa
• Combustão
• Gaseificação
• Pirólise
(Carbonização)
• Liquefação
• Torrefação
• Fermentação
• Hidrólise
• Biodigestão
• Digestão
• Extração de
Óleos (Físico)

15. Processos Termoquímicos e Produtos
Pirólise
Liquefação
Gaseificação
Combustão
Carvão
Bio-óleo
Água
Gás MPC*
Gás BPC*
Calor
Misturador
Transformação
Turbina
Síntese
Gerador
Síntese
Caldeira
Emulsões
Gasollina +
Diesel
Metanol
Álcool
Potência
Amônia
*MPC e BPC significam Médio e Baixo Poder Calorífico, respectivamente.
Tecnologias de
Conversão
Produtos
Primários
Tecnologias de
Processamento
Produtos
Secundários

16. Rendimentos (% b.s.)
Líquido
(%)
Sólido
(%)
Gás
(%)
Pirólise
Rápida
Temperatura moderada,
curto tempo de
residência dos vapores
75 12 13
Carbonização Baixa temperatura,
tempo de residência
longo
30 35 35
Gaseificação Alta temperatura,
tempo de residência
longo
5 10 85
Fonte: WRE, 4(1) 2001

17. Reações de Gaseificação de Biomassa
Zona de oxidação
• C + O2 ↔ C O2 + 401,9 kJ/mol
• H + O2 ↔ H2O + 241,1 kJ/mol
Zona de Redução
• C + CO2 + 164,9 kJ/mol ↔ 2 CO
• C + H2O +122,6 kJ/mol ↔ CO + H2
• CO2 + H2 + 42,3 kJ/mol ↔ CO +H2O
• C + 2H2 ↔ CH4 + 87,0 kJ/mol
• CO+3H2 ↔ CH4+H2O + 205,9 kJ/mol

18. Severidade da Pirólise e seus produtos (Milne Evans, 1987)

19. Modelo dos Fenômenos Físicos da
Gaseificação
Modelo de Partícula Porosa
1. Difusão dos reagentes através do
filme estacionário que envolve a
superfície externa da partícula,
2. Difusão do gás e reagente no poro
em direção ao centro da partícula,
3. Adsorção, reação na superfície e
desorção na parede do sólido,
4. Difusão do produto de reação para
fora do poro,
5. Difusão do produto de reação
através do filme estacionário.

20. Características da Matéria
Características da Matéria-
-prima para
prima para
Vários tipos de Gaseificadores
Vários tipos de Gaseificadores
Gasifier Type Downdraft
(co-corrent)
Updraft
(counter-
corrent)
Open-core
(rice husk)
Cross-draft
(charcoal)
Size (mm) 20-100 5-100 1-3 40-80
Moisture (%
w.b)
15-20 50 12 7
Ash (% d.b) 5 15 Approx. 20 6
Morphology uniform Reasonable
uniform
uniform uniform
Bulk density
(kg/m3
)
500 400 100 400
Ash melting
point (°C)
1250 1250 1000 1250

21. Composição típica dos gases para
diferentes combustíveis e tipos de
gaseificadores
Tipo de gaseificador
Umidade (% bu)
Contra-corrente
Madeira (10-20%)
Concorrente
Madeira (10-20%)
Fluxo cruzado
Carvão vegetal (5-10%)
Hidrogênio
Monóxido de carbono
8-14
20-30
12-20
15-22
5-10
20-30
Metano
Dióxido de carbono
2-3
5-10
1-3
8-15
0,5-2
2-8
Nitrogênio
Oxigênio
45-55
1-3
45-55
1-3
55-60
1-3
Umidade no gás
(Nm3
água/Nm3
gás seco) 0,20-0,30 0,06-0,12 0,3
Alcatrão no gás
(g/Nm3
gás seco) 2-10 0,1-3 0,3
Poder calorífico inferior
(MJ/Nm3
gás seco)
Temperatura de saída (0
C)
5,3-6,0
200-400
4,5-5,5
700
4,0-5,2

23. Rendimento de alcatrão x Temperatura
(Baker et al. 1988)

24. Proposta de Maturação do Alcatrão
(Elliott, 1988)

26. Updraft and Downdraft Gasifiers Tar MBMS,
(Reed et al. 1986)

27. Composição do alcatrão de gaseificação de biomassa a
780°C, pressão atmosférica, (Bangala et al. 1997)

28. Componentes do Alcatrão de Biomassa
(Elliott, 1988)
Pirólise Flash
Convencional
(450°C - 500°C)
Pirólise Flash Alta
Temperatura
(600°C - 650°C)
Gaseificação
Convencional com Vapor
(700°C - 800°C)
Gaseificação a Alta
Temperatura com Vapor
(900°C - 1000°C)
Ácidos
Aldeídos
Cetonas
Furanos
Álcoois
Compostos oxigenados
complexos
Fenóis
Guaiacóis
Siringis
Fenóis complexos
Benzenos
Fenóis
Catecóis
Naftalenos
Bifenis
Fenantrenos
Benzofuranos
Benzaldeídos
Naftalenos
Acenaftilenos
Fluorenos
Fenantrenos
Benzaldeídos
Fenóis
Naftofuranos
Benzantracenos
Nafetaleno
Acenaftileno
Fenantreno
Fluoreno
Pireno
Acefnantrileno
Benzaltracenos
Benzopirenos
PAR PM226
PAR PM276

29. Aspectos Relevantes na Comercialização de Tecnologias de Gaseificação
de Biomassa
• Confiabilidade e Manutenção
• A qualidade do produto deve satisfazer as especificações do
cliente
• Aderência a legislação no que diz respeito a responsabilidade do
fabricante, a segurança e a saúde
• Aderência do sistema e seus componentes aos padrões
internacionais
• O sistema deve ser vantajoso para o fabricante e para o usuário
do ponto de vista dos custos
• Os sistemas de gaseificação devem ser bem projetados e
documentados e o pessoal envolvido deve ser bem treinado para
projetar, desenvolver, instalar, dar partida e operar o sistema

30. Tecnologias de Limpeza de Gases

31. Fluxograma de Gaseificação de
Biomassa com Aplicação em
Cogeração
Fonte:www.gasnet.co.uk

32. Outras Aplicações da Gaseificação de
Biomassa
• Produção de gás de síntese para uso em
Síntese Fischer-Tropsch,
CO + H2 + N2 HC + H2O + N2 + CO2
• Produção de H2 para alimentar célula de
combustível
• Produção de metanol

33. “O trabalho necessário para operar uma planta de gaseificação é
consideravelmente diferente daquele necessário para operar um
motor diesel. Esta diferença é qualitativa e quantitativa. Durante a
operação, o operador de um gaseificador deve freqüentemente
verificar vários medidores de temperatura e pressão e com base
nessas informações tomar decisões tais como: adicionar novo
combustível, mover a grelha, limpar os filtros e ajustar válvulas.
No final de sua jornada diária, o operador deve normalmente
limpar o reator e filtros removendo as cinzas e outras partículas.
Finalmente, ele também deve preparar o combustível e fazer o
controle de qualidade. Assim, ao contrário de operadores de
motores diesel, que podem realizar outras tarefas não relacionadas
diretamente com o sistema, o operador de um sistema de
gaseificação de pequena escala é uma função de tempo integral.”
Stassen, H. E., 1995

34. Custos para Implantação de
Sistemas de Geração com
Gaseificadores de Biomassa
Componentes Concorrente Contra-corrente
Investimentos Diretos Custos (ECU)
Gaseificador
Multi ciclone
Craqueador de alcatrão
Trocador de calor
Scrubber + demister
Compressor
Motor a gás e gerador (2 @ 1 MW2)
470.000
25.000
0
64.000
64.000
17.000
1.240.000
470.000
25.000
129.000
64.000
64.000
17.000
1.240.000
TOTAL 1.880.000 2.009.000
Fonte: Stassen Knoef, 2001

35. Projetos Interrompidos
Larga escala
• Maui, Hawaii, problemas
com alimentação de bagaço;
• Biocycle, Dinamarca,
cancelado pela
concessionária;
• Projeto Minnesota (alfalfa),
risco muito alto;
• Projeto Vega, Eskiltuna,
Suécia, cancelado pela
concessionária (1992);
• Projeto Norte da Holanda,
problema com contratos de
longa duração
Pequeno porte
• Wamsler, Alemanha
• DML, Alemanha
• Marick International (Biomass
Engineering), Reino Unido
• Arcus, Alemanha
• Power Gasifiers, Reino Unido
• Mega Limburg, Holanda
• Easymod, Alemanha
• Border Biofuels
• etc.
Alguns desses projetos foram
interrompidos devido a
mudanças na política das
companhias

36. Fabricantes de Sistemas de Gaseificação de Biomassa
• EUA 14
• Alemanha 11
• R.U. 6
• Suíça 4
• Dinamarca 4
• Áustria 3
• Canadá 3
• Finlândia 3
• Itália 3
• França 2
• Suécia 2
• Bélgica 1
• Holanda 1
Tecnologias de Gaseificação
concorrente
contracorrente
leito fluidizado
outros
Fonte: www.gasifiers.org

37. Värnamo, Suécia
• Leito fluidizado
circulante pressurizado
(1,8 MPa), ar
• Matéria-prima: madeira,
palha, etc.
• 6 MWe e 9 MWt
• 8.500 horas de operação
(3.600 IGCC)

38. Vermont, EUA
• Capacidade 200 t/dia
• Gás 16,75 MJ/Nm3
• Matéria-prima:
cavaco de madeira
• Tecnologia: leito
fluidizado, vapor
• Temp. 700-750oC
• 7-8 MW

39. Esquema do processo Battelle-FERCO

40. Esquema do processo ARBRE

41. Tecnologias Concorrentes com a
Gaseificação de Biomassa

42. Obrigado!
Não percam
amanhã!!!