Produção de hidrogénio através da gasificação da biomassa

A procura de uma forma limpa de combustível, aliada à crescente instabilidade de preços dos combustíveis fósseis verificada nos mercados faz com que o hidrogénio se torne num combustível a considerar devido a não resultar qualquer produto poluente da sua queima e de se poder utilizar, por exemplo, desperdícios florestais cujo valor de mercado não está inflacionado por não pertencer à cadeia alimentar humana. Este trabalho tem como objetivo simular o processo de gasificação de biomassa para produção de hidrogénio utilizando um gasificador de leito fluidizado circulante. O oxigénio e vapor de água funcionam como agentes gasificantes. Para o efeito usou-se o simulador de processos químicos ASPEN Plus. A simulação desenvolvida compreende três etapas que ocorrem no interior do gasificador: pirólise, que foi simulada por um bloco RYIELD, combustão de parte dos compostos voláteis, simulada por um bloco RSTOIC e, por fim, as reações de oxidação e gasificação do carbonizado “char”, simuladas por um bloco RPLUG. Os valores de rendimento dos compostos após a pirólise, obtidos por uma correlação proposta por Gomez-Barea, et al. (2010), foram os seguintes: 20,33% “char”, 22,59% alcatrão, 36,90% monóxido de carbono, 16,05%m/m dióxido de carbono, 3,33% metano e 0,79% hidrogénio (% em massa). Como não foi possível encontrar valores da variação da composição do gás à saída do gasificador com a variação da temperatura, para o caso de vapor de água e oxigénio, optou-se por utilizar apenas vapor na simulação de forma a comparar os seus valores com os da literatura. Às temperaturas de 700, 770 e 820ºC, para um “steam-to-biomass ratio”, (SBR) igual a 0,5, os valores da percentagem molar de monóxido de carbono foram, respetivamente, 56,60%, 55,84% e 53,85%, os valores de hidrogénio foram, respetivamente, 17,83%, 18,25% e 19,31%, os valores de dióxido de carbono foram, respetivamente, 16,40%, 16,85% e 17,93% e os valores de metano foram, respetivamente, 9,00%, 8,95% e 8,83%. Os valores da composição à saída do gasificador, à temperatura de 820ºC, para um SBR de 0,5 foram: 53,85% de monóxido de carbono, 19,31% de hidrogénio, 17,93% de dióxido de carbono e 8,83% de metano (% em moles). Para um SBR de 0,7 a composição à saída foi de 54,45% de monóxido de carbono, 19,01% de hidrogénio, 17,59% de dióxido de carbono e 8,87% de metano. Por fim, quando SBR foi igual a 1 a composição do gás à saída foi de 55,08% de monóxido de carbono, 18,69% de hidrogénio, 17,24% de dióxido de carbono e 8,90% de metano. Os valores da composição obtidos através da simulação, para uma mistura de ar e vapor de água, ER igual a 0,26 e SBR igual a 1, foram: 34,00% de monóxido de carbono, 14,65% de hidrogénio, 45,81% de dióxido de carbono e 5,41% de metano. A simulação permitiu-nos ainda dimensionar o gasificador e determinar alguns parâmetros hidrodinâmicos do gasificador, considerando que a reação “water-gas shift” era a limitante, e que se pretendia obter uma conversão de 95%. A velocidade de operação do gasificador foi de 4,7m/s e a sua altura igual a 0,73m, para um diâmetro de 0,20m.

The research taking place to find a clean energy source combined with the volatility of the fossil fuels’ price on the market makes hydrogen a good alternative due to the fact of the non pollutant products that result from its combustion and the possibility of using forest waste whose market value isn’t inflated since it isn’t part of the human chain food. The objective of this thesis is the simulation of the biomass gasification process using a circulating fluidized bed gasifier and oxygen and vapor as gasifying medium. For this purpose a chemical process simulator ASPEN Plus was used. The developed simulation encompasses three stages: pyrolysis, modeled by a RYIELD block, volatiles combustion modeled by a RSTOIC block and the char oxidation and gasification reactions, modeled by a RPLUG block. The yield values of the components after pyrolisys, determined by a correlation proposed by Gomez-Barea, et al. (2010), were 20,33%wt char, 22,59%wt tar, 36,90%wt carbon monoxide, 16,05%wt carbon dioxide, 3,33%wt methane and 0,79%wt hydrogen. Considering that values of syngas composition at different temperatures, at the conditions described before, they were not found in the consulted literature. It was decided to validate the simulation using only vapor as the gasifying medium. At 700, 770 and 820ºC the carbon monoxide values were, respectively, 56,50%, 55,84% and 83,85%, the hydrogen values were 17,83%, 18,25% e 19,31%, respectively, the carbon dioxide values were 16,40%, 16,85% and 17,93%, respectively, and the methane values were 9,00%, 8,95% and 8,83%, respectively. The composition of the syngas with a SBR equal to 0,5 was 53,85% carbon monoxide, 19,31% hydrogen, 17,93% carbon dioxide and 8,83% methane. For a SBR equal to 0,7 the syngas composition was 54,45% carbon monoxide, 19,01% hydrogen, 17,59% carbon dioxide and 8,87% methane. Finally, when SBR was set to 1 the syngas composition was 55,08% carbon monoxide, 18,69% hydrogen, 17,24% carbon dioxide and 8,90% methane. The syngas composition when ER and SBR were set to 0,26 and 1, respectively, was 34,00% carbon monoxide, 14,65% hydrogen, 45,81% carbon dioxide and 5,41% methane. The developed simulation also allowed the sizing of the gasifier and the study of some of the hydrodynamic parameters. The gasifier operational velocity was 4,7m/s and its height was 0,73m, considering a 0,20m diameter.