Devido ao fato de que as PEM precisam de combustível com alta qualidade e pureza, os sistemas de limpeza e condicionamento do gás de síntese, são geralmente mais complicados do que para outras células. Isso faz com que as células de alta temperatura como as SOFC e MCFC sejam mais atraentes na integração com gaseificadores para geração de energia em sistemas estacionários (Page, et al., 2009). A preferência de uso destas células se deve a: 1) O monóxido de carbono não provoca envenenamento uma vez que pode ser diretamente oxidado nas MCFCs e na SOFCs; 2) a alta temperatura de operação permite a reforma interna de outros combustíveis, além do hidrogênio; 3) o calor gerado pode ser usado para cogeração e aumentar a eficiência do sistema.
Shoko et al (2006) estudaram a factibilidade de uso do carvão na geração de gás de síntese e hidrogênio. Assim mostraram a possibilidade da integração de uma célula MCFC com um gaseificador de fluxo cruzado. O sistema de limpeza foi dividido em duas etapas, a primeira, o resfriamento do gás, seguido pela filtragem em filtro de manga para remover partículas e a segunda, compressão do gás e hidrolise de COS. Como o carvão mineral tem alto conteúdo de enxofre, a remoção deste é o processo mais importante do sistema de limpeza, e foi feito a baixa temperatura em um leito de óxido de zinco (ZnO). Os resultados mostram que o sistema completo apresenta uma eficiência elétrica e total de 20% e 78%, respectivamente (Shoko, et al., 2006). Embora o sistema de limpeza fosse simulado com Aspen Plus, as eficiências obtidas na remoção não foram relatadas.
No projeto “EAGLE” (Energy Applications for Gás, Liquid and Electricity) foi avaliada a integração de uma MCFC com um gaseificador de carvão usando como sistema de limpeza um processo a baixa temperatura (Iaquaniello, et al., 2006). O gás foi filtrado e resfriado, antes de entrar num lavador aquoso onde foram removidos halogênios e amônia. O enxofre foi removido usando metil dietanolamina (MDEA). A eficiência bruta e líquida do sistema
completo foi de 60% e 53,4%, respectivamente. A potência total de saída calculada da usina foi de 616,6 MW, dos quais a célula contribuiu com 262 MW e o restante corresponde as turbinas. Neste projeto também foi avaliada a limpeza a alta temperatura, para evitar a geração de água pela condensação de vapor e manter a temperatura do gás na saída do sistema de limpeza em 600/650 oC. No entanto, não forma apresentados dados de desempenho deste sistema nem da sua configuração (Iaquaniello, et al., 2006).
Panopoulos (2006) propôs a modelagem de um sistema de limpeza à alta temperatura acoplado num gaseificador alotérmico de biomassa. O alcatrão é removido por craqueamento catalítico com níquel e os compostos alcalinos e partículas por filtração. Na remoção de compostos halogênios (HCl) foi usado Na2CO3 como adsorvente num leito fixo e ZnO para remover H2S. Os resultados mostram bom desempenho da SOFC, abrindo a possibilidade de usar este sistema de limpeza nos sistemas IGFC com SOFC.
No projeto europeu “BioCellus” (Biomass fuel cell utility system) direcionado nos aspectos técnicos da integração da gaseificação de biomassa e SOFC, com sistemas de limpeza a alta temperatura (~550 oC). Foram testadas células planares e tubulares e determinada à influência dos impurezas do gás combustível no seu desempenho (Schweiger, et al., 2007). O material particulado foi separado em duas etapas, na primeira, foi usando um ciclone para remover as partículas grossas (>7 µm) e um filtro metálico tipo vela para as partículas finas. O alcatrão foi reformado catalíticamente com dolomita e Ni em dois reatores de leito fixo. O HCl e o H2S foram removidos numa unidade de adsorção de três estágios, com alumina, ZnO e CuO/ZnO. Foram usados três sistemas IGFC, gaseificador co-corrente de duplo estágio, BioHPR e fluidizado circulante, e avaliado o desempenho da SOFC para cada um deles com o sistema de limpeza proposto (Schweiger, et al., 2007).
Omosun et al (2004) analisaram a geração de eletricidade e calor num sistema IGFC com SOFC, usando dois processos de limpeza do gás. No processo a baixa temperatura, foram removidos principalmente compostos alcalinos, partículas e alcatrão presentes no gás produzido em um gaseificador de leito fixo usando um ciclone, um filtro de mangas e um ESP úmido. No processo a alta temperatura, só são removidos as partículas e álcalis, num ciclone e um filtro de vela a 700 oC, assumindo que o gás produzido num gaseificador de leito fluidizado, não contem alcatrão. Os resultados obtidos em termos de eficiência elétrica e
49
eficiência total do sistema foram de 20.8 e 33.9 % para o sistema a frio e de 22.6 e 59.6% para o sistema a quente, respectivamente (Omosun, et al., 2004).
Nagel et al (2006) testaram uma SOFC alimentada com o gás produzido num gaseificador contracorrente. A limpeza do gás foi feita num sistema a alta temperatura, composto de ciclone e filtro cerâmico para remoção de partículas e álcalis, uma unidade de oxidação catalítica parcial para o alcatrão e uma unidade para remoção do enxofre. O sistema foi testado mais de 100 h, sendo que o desempenho da célula não mostrou variação para um conteúdo de alcatrão no gás de 50 g/Nm3 (Nagel, et al., 2006).
Fryda (2008) simulou três configurações CHP acopladas à gaseificação: 1) gaseificação a 4 bar e MGT, 2) gaseificação a 1.4 bar e SOFC e 3) gaseificação a 4 bar e SOFC–MGT. Foi usado um sistema de limpeza a alta temperatura composto por um filtro cerâmico, reator catalítico de leito fixo e dois leitos de adsorção. A eficiência elétrica máxima para os sistemas MGT foi de 20% e para o MGT-SOFC 62.3 %. O desempenho do sistema de limpeza não foi reportado neste trabalho.
Além dos sistemas IGFC, existem outros sistemas baseados na gaseificação onde a limpeza do gás é necessária e cujos estudos estão reportados na literatura. A planta Amergás na Holanda com um gaseificador fluidizado Lurgi, opera na faixa de 850-900 oC, utiliza um sistema de limpeza a baixa temperatura, o qual está formado por um ciclone para remoção de partículas grossas, seguido pelo resfriamento do gás (200-240 oC), um filtro de mangas para remoção de partículas finas e lavadores úmidos para remover alcatrão e amônia. O alcatrão e a amônia são recirculados ao gaseificador onde são destruídos (Stevens, 2001). As características do sistema de limpeza são resumidas na Tabela 2.18.
Tabela 2.18. Sistema de limpeza da usina Amergas. (Stevens, 2001) Contaminante Requerimento Descrição
Partículas Remover material grosso
Remoção cinzas volantes e material fino
Partículas grossas em ciclone. Cinzas em filtro de manga a 200 °C.
Álcalis Não definido Os efeitos em aplicação de queima
são mínimos.
Alcatrão Prevenir condensação;
Quantidade de alcatrão não importante
Lavagem úmida. O produto resultante é injetada de novo ao gaseificador.
Amônia Depende do uso final Lavagem úmida, e reinjetada ao
gaseificador. Compostos de
enxofre
Emissões finais de SOx dependem da concentração no carvão e no gás que sai do lavador.
Os resíduos de madeira têm baixo conteúdo de enxofre. Lavado úmido remove SOx.
No projeto ARBRE da UK, um sistema de geração elétrica gaseificador-IGCC, tecnologia TPS (Termiska Processer AB). Madeira é gaseificada com ar, num gaseificador de leito fluidizado circulante. No projeto Vermont, o sistema de limpeza do gás consiste num ciclone, um reator catalítico, um filtro de mangas e um lavador úmido que permite remover partículas alcatrão, álcalis e amônia (Rollins, et al., 2002). A descrição da tecnologia de limpeza no sistema Vermont é mostrada na Tabela 2.19.
Tabela 2.19. Sistema de limpeza no sistema Vermont. (Stevens, 2001) Contaminante Requerimento Descrição
Partículas 1,2 mg/Nm
3
para partículas de 10- 20 µm
Partículas grossas removidas num ciclone. As finas e as cinzas voláteis num filtro de mangas a 200 °C.
Álcalis < 0,1-0,2 mg/Nm3
Resfriamento do gás permite condensação dos álcalis que são coletados como material particulado.
Alcatrão Preferência < 50 mg/Nm3 Reator catalitico de leito fluidizado a 800 °C
e resfriamento e lavagem úmido. Amônia e NOx
A remoção de amônia e importante para limitar a formação de NOx.
Lavagem úmida com acido diluído. Compostos de
enxofre
As emissões de SOx dependem do
lugar Madeira tem baixo teor de enxofre.
No projeto Varnamo na Suécia, onde se tem um sistema de gaseificação com ar em leito fluidizado, usando cal ou dolomita misturado como material do leito, para obter gás com teor de alcatrão de 5 g/Nm3, foi usado um sistema de limpeza formado por num ciclone para remover partículas grossas, um resfriador do gás até 350oC para a condensação dos compostos alcalinos, e um filtro de barreira para a remoção das partículas finas, sendo inicialmente testado filtros cerâmicos, porém para melhorar o desempenho foram trocados por filtros metálicos (Williams, 2004).
No projeto “Prime Energy” nos estados Unidos, um sistema de gaseificação de casca de arroz com vapor num reator contra corrente construído em 1997, foi usado um processo de limpeza a baixa temperatura, formado por um filtro de mangas e um lavador úmido para condicionar o gás para um motor ou turbina. A Tabela 2.20 mostra as características do sistema de limpeza.
51
Tabela 2.20. Sistema de limpeza no projeto “Prime Energy”. (Mahishi, et al., 2007) Impurezas Requerimento Descrição
Partículas Mínimos Filtro de mangas para remover cinzas
voláteis.
Álcalis Não definido Removidas no filtro de mangas.
Alcatrão O teor de alcatrão não é
importante
O alcatrão formado no gaseificador é queimado no sistema de combustão.
Amônia e NOx Emissões NOx limitadas pela
autoridade ambiental NOx controlada pela etapa de combustão.
Compostos de enxofre
Emissões SOx limitadas pela
autoridade ambiental Não remoção de enxofre.