A gaseificação de biomassa deve ser considerada como um processo de refino que utiliza uma matéria-prima bruta (no nosso caso, biomassa lenhosa, como lascas de madeira e cascas de nozes) e a transforma em um gás de queima limpa, compatível com motores de combustão interna. Esse processo consome uma parte do conteúdo energético da matéria-prima para que você consiga realizar essa transformação.
A gaseificação de biomassa envolve o envio da matéria-prima de biomassa lenhosa pelos cinco processos a seguir:
O gás resultante, conhecido como gás de síntese ou gás de produçãoO carvão vegetal é uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio, juntamente com o nitrogênio do ar atmosférico usado na reação. O outro produto desse processo é o carvão vegetal, que também contém o conteúdo de cinzas da biomassa. Esse subproduto do carvão vegetal também é conhecido como char-ash. This char-ash is referred to as biochar quando é usado como corretivo do solo, e conhecido como biocarvão quando usado para fins industriais.
O diagrama a seguir mostra o fluxo de materiais, começando com a biomassa e terminando com o gás e o carvão vegetal, dispostos ao longo da coluna central do diagrama, enquanto as barras horizontais indicam o processo que transforma os materiais em cada etapa do caminho. Cada uma das descrições abaixo se refere a esse diagrama.
O processo de secagem envolve a aplicação de calor suficiente à biomassa para eliminar toda a água. Esse é um processo endotérmico que ocorre na faixa de temperatura de 100-150˚C. Os materiais resultantes desse processo são o vapor de água e a biomassa seca.
A pirólise envolve a aplicação de calor à biomassa seca para fazer com que ela solte fumaça e se transforme em carvão. Esse também é um processo endotérmico. O processo de carbonização é simplesmente a separação dos compostos voláteis (a fumaça) do conteúdo de carbono fixo (carvão) da biomassa por meio da aplicação de calor.
Como a secagem e a pirólise são processos endotérmicos, é necessária uma fonte de calor para conduzir esses dois processos. A combustão da fumaça liberada durante a pirólise fornece o calor necessário. Durante o estágio de combustão, o ar é introduzido no gaseificador e misturado com a fumaça, de modo que ela queima extremamente quente, produzindo temperaturas superiores a 800˚C. Vapor de água e dióxido de carbono são produzidos durante a combustão. As altas temperaturas também provocam o craqueamento do alcatrão.
A biomassa lenhosa consiste em aproximadamente 80% de compostos voláteis (por massa) que saem da biomassa como fumaça e 20% de carbono fixo que permanece como carvão vegetal, com cerca de 1% de cinzas em algum lugar entre os dois. Esses gases voláteis da pirólise são conhecidos como gases de alcatrão porque se condensam em alcatrão. Esses gases são indesejáveis porque são ácidos e seus condensados são prejudiciais às partes móveis dos motores de combustão interna. O processo de craqueamento do alcatrão, que ocorre simultaneamente à combustão, ocorre quando as moléculas orgânicas pesadas desses gases de alcatrão se quebram em gases combustíveis mais leves e não condensáveis devido à exposição a temperaturas extremamente altas. Aproximadamente metade das moléculas combustíveis do gás de síntese provém do craqueamento do alcatrão.
O vapor d’água e o dióxido de carbono resultantes da combustão dos gases voláteis da pirólise são produtos residuais da combustão, mas podem ser convertidos em gases combustíveis ao serem expostos a reações de redução. As reações de redução são mostradas no gráfico abaixo:
Quando o carvão é aquecido a temperaturas muito altas, o conteúdo de carbono do carvão se torna muito reativo e apresenta uma afinidade muito forte com o oxigênio, permitindo que ele reduza (o oposto de oxidar; nesse contexto, “reduzir” é reverter a oxidação) substâncias oxidadas, como dióxido de carbono e vapor de água. À medida que os produtos de combustão do estágio de combustão passam pelo carvão vegetal quente, essas reações de redução convertem o dióxido de carbono e o vapor de água em monóxido de carbono e hidrogênio, consumindo carbono do carvão vegetal para isso. Esse processo produz cerca de metade das moléculas combustíveis do gás de síntese.
No processo de redução, os cavacos de carvão vegetal são perfurados em escala molecular à medida que os átomos de carbono são removidos individualmente da superfície do carvão vegetal. Isso faz com que o carvão resultante seja quase ativado, o que é uma qualidade desejável para a filtragem, e pode trazer benefícios para o carvão quando usado como biochar, devido à aparente influência benéfica do aumento da porosidade sobre a amônia, o metano e o N 2O.
No decorrer da gaseificação, os cavacos de madeira se transformam em cavacos de carvão, e esses cavacos de carvão perdem seu conteúdo de carbono durante o processo de redução para produzir monóxido de carbono. Essa perda de carbono faz com que os cavacos de carvão encolham. Eventualmente, os cavacos de carvão encolhidos ficam muito densos para permitir a taxa de percolação de gás necessária para alimentar o motor que extrai o gás do gaseificador. Para restaurar a taxa de produção de gás, o reator purga os cavacos encolhidos de carvão vegetal, que são então empurrados para fora do reator como cinzas de carvão. Esse subproduto da gaseificação é uma das duas saídas de material da gaseificação; a outra saída é o gás de síntese.
No processo de redução, os cavacos de carvão vegetal são perfurados em escala molecular à medida que os átomos de carbono são removidos individualmente da superfície do carvão vegetal. Isso faz com que o carvão resultante seja quase ativado, o que é uma qualidade desejável para filtragem e pode trazer benefícios para o carvão quando usado como biochar.
Dependendo do produto desejado (gás ou carvão vegetal), o gaseificador pode ser operado para produzir mais do produto desejado, regulando o tempo em que o carvão vegetal é exposto às reações de redução antes de ser purgado
