Os componentes que constituem um gasificador podem ter uma elevada importância na produção de gás. Nem todos os gasificadores são constituídos pelos mesmos componentes, isso pode variar dependendo da estrutura do gasificador e das suas finalidades. Neste subcapítulo vão ser caraterizados os componentes mais importantes que constituem o gasificador em questão.
37 Ciclone
Segundo a All Power Labs (2012) o ciclone tem como função separar as partículas maiores que podem ser arrastadas na corrente, isto quando o gás de síntese deixa o gasificador.
O ciclone localiza-se entre a zona de secagem e o frasco de pedreiro. Os gases que abandonam o ciclone entram na zona de secagem através de uma série de chicanas (passagem de uma série de obstáculos em ziguezague), com a finalidade de aquecer a biomassa de entrada para cerca de 100ºC, (All Power Labs, 2012).
A funcionalidade deste equipamento depende do material de construção e também da temperatura do gás de síntese, elevadas temperaturas permitem um trabalho mais eficiente. No que diz respeito à eficácia deste equipamento pode atingir uma faixa de 90% quando o material a remover tem um diâmetro superior a 5µ, (Boloy, 2010).
De acordo com (Knoef, 2005), o ciclone apresenta fraca capacidade para remover alcatrão devido à viscosidade, e não tem capacidade para remover partículas pequenas, ou seja, partículas de alcatrão menores do que 1micron.
Zona de secagem
Segundo Ghosh (2004), é na zona de secagem que ocorre a secagem da biomassa, este processo é caraterizado pela libertação de humidade no qual os tempos de secagem típicos (biomassa com 35% a 10% de humidade) podem variar entre 24h e 72h. Este equipamento funciona como um permutador de calor (transfere energia térmica entre dois meios a temperaturas diferentes de forma a obterem o equilíbrio).
Na situação em estudo a zona de secagem é separada da zona de pirólise. Isto é vantajoso pois a água compete com o calor necessário para ocorrer a vaporização do alcatrão resultante da matéria-prima. Por consequência o vapor de água também irá diminuir a solubilidade do alcatrão de vaporização na zona de pirólise, (All Power Labs, 2012). Esta componente encontra-se localizada sob o funil de matéria-prima.
38 Funil de matéria-prima
O funil em questão apresenta capacidade para 55L (0,2m3). Como forma de melhorar o fluxo da biomassa são incorporadas inserções no atarraxamento do tambor do funil (All Power Labs).
Em relação ao desempenho Basu (2010) defende que existem algumas caraterísticas que devem ser tidas em conta para facilitar o fluxo da massa: a parede do funil deve ser suficientemente suave para o fluxo de massa; o ângulo do funil deve ser adequadamente íngreme para forçar os sólidos a fluir nas paredes; a saída do funil deve ser grande o suficiente para evitar o arqueamento; a saída do funil deve ser adequadamente grande para se alcançar uma taxa de vazão máxima.
Um funil de fluxo facilita a retirada da biomassa de armazenamento temporário. No entanto a sua conceção apresenta alguns problemas, como o modo do fluxo do sólido, o ângulo de inclinação e o tamanho da extremidade de descarga. Na Figura 12 é apresentado um esquema que demonstra como três tipos de sólidos passam através de um funil.
Termopares
O termopar é um instrumento de medição de temperaturas constituído por dois fios metálicos diferentes. Estes fios são ligados nas suas extremidades, quando estas se encontram a temperaturas diferentes é produzida uma força eletromotriz entre elas, a força eletromotriz produzida pode ser medida com um voltímetro. No funcionamento de um termopar, normalmente, uma junção está conectada ao que se pretende medir, enquanto a outra junção está em gelo a 0,00ºC. Uma forma da junção fria ser compensada
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eletronicamente é através do uso de um termístor (termómetro do tipo do termopar, no qual a medição incide sobre a resistência do seu elemento), (Borges, Correia, & Moreira, Gestão de Energia: Auditorias e Balanços Energéticos, 2009).
Existem diferentes tipos de termopares, os do tipo W, R, S, B, K, T, J e E. Os diferentes tipos provém dos diferentes metais utilizados em cada um, bem como a gama de temperaturas em que operam, (Borges, Correia, & Moreira, Gestão de Energia: Auditorias e Balanços Energéticos, 2009).
No gasificador em questão apenas são utilizados três termopares do tipo K, que são caraterizados na Tabela 8, estes termopares funcionam entre os 0ºC e os 1100ºC, e é constituído pelos seguintes metais: Ni+Cr-Ni+AL. A Power Pallet tem um leitor de termopar tem a opção de leituras de ºF ou de ºC com um dispositivo de mão. As temperaturas são lidas pelo CPU e apresentadas no ecrã LCD em graus Celsius.
Tabela 8 - Caraterística dos termopares utilizados no gasificador (All Power Labs, 2012)
Variàvel Trst Tred Tcoolante
Designação Tempo de restrição Tempo de redução Tempo de refrigeração
Localização específica Dentro de uma luva de
aço; Medições no
“coração”
Dentro de uma luva de aço; Medições na parte
superior da grelha
agitadora
Dentro de uma luva de aço; Topo do circuito de refrigeração do motor, antes do líquido de arrefecimento entrar no radiador Temperatura operacional (Estado estacionário) 800-1000ºC 700-800ºC <100ºC Porta CPU T0 T1 T2
Grelha agitadora de cinzas e rácio de pressão
No gasificador experimental a biomassa a grelha tem duas funções: suportar o carvão proveniente da zona de redução (zona na qual o combustível é transformado em produto gasoso devido às reações entre os gases quentes); Permitir que o carvão/cinzas passem completamente para a parte inferior do gasificador, (All Power Labs, 2012).
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As cinzas ficam apoiadas sobre a grelha que ajuda no processo de decomposição do alcatrão remanescente. Em alguns casos a grelha pode mover-se lateralmente, ou seja, funcionar como uma gaveta, o que possibilita a abertura completa do fundo do reator para o limpar.
Segundo Higman & Burgt (2003), no processo de produção de gás o ar humidificado é soprado para cima através de um leito de carvão. O carvão é alimentado a partir do topo e move-se lentamente para baixo, conforme é consumido. A cinza é retirada no final do reator a partir de uma grelha rotativa.
Segundo a All Power Labs (2012), a grelha agitadora de cinzas é controlada pelo CPU, que faz com que a grelha gire rapidamente e para trás cerca de 15º no seu eixo vertical durante um período de três segundos a cada cinco minutos. A agitação da grelha tem duas finalidades:
- A agitação da grelha de cinzas e o tempo curto de permanência na zona quente reduz o risco de fusão da cinza e a formação de clínquer (espécie de cimento que se forma);
- O movimento provoca a queda, em direção ao fundo do cesto, de cinzas e pequenas partículas.
O CPU além de controlar a agitação periódica da grelha também determina quando os pedaços de carvão podem estar a asfixiar o fluxo de gás através da grelha calculando o rácio de pressão, Pratio.
Este parâmetro indica a quantidade de restrição do fluxo que está a ser transmitida através do leito fundido. O cálculo do Pratio é feito através da seguinte fórmula:
𝑃𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 =𝑃𝑐𝑜𝑚𝑏
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡× 100
Na qual, Pcomb é a pressão acima da zona de combustão, e Preact é a pressão no reator depois de o gás passar através do cesto da grelha.
Os valores do Pratio sofrem variações em diversas situações. Quando ocorre a restrição do fluxo os valores ficam demasiado baixos, quando isto acontece a programação acelera a contagem regressiva para acionar a grelha agitando-a mais cedo, para limpar os pequenos pedaços de carvão. Quando ocorre o processo inverso, valores do Pratio demasiado altos, significa que a ponte está a ocorrer no interior do reator.
41 Reator
No reator ocorrem os processos químicos da gasificação (pirólise, combustão e redução). A pirólise pode atingir temperaturas entre os 200ºC e os 500ºC. A combustão pode atingir temperaturas até os 1100ºC e por fim a redução que opera numa gama entre os 700ºC e os 1000ºC, (Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis, 2010).
Em todos os tipos de gasificadores de leito fixo a biomassa é colocada na parte superior do reator e move-se de forma lenta para baixo pela força da gravidade. Enquanto este movimento ocorre o combustível reage com o ar (agente de gasificação) que é fornecido pela sucção de um ventilador (ou motor). No reator ocorrem uma série de reações, a pirólise, a oxidação e a redução. E no final as cinzas são removidas do fundo do reator, (All Power Labs, 2012).
A constituição dos reatores pode variar, no entanto a sua forma mais simples e de menor custo é o reator ser revestido com um refratário com capacidade de resistir a condições de temperatura e produtos químicos dominantes, como demonstra a Figura 13.
De acordo com a Figura anterior a camada interna denominada face quente é um tijolo corindo de alta qualidade (<99% de Al2O3) que trabalha com temperaturas até cerca de
1600ºC. A camada refratária é em alumínio, e a face fria (camada de isolamento) exterior é um tijolo refratário de sílica com boas qualidades de isolamento. No entanto o gasificador experimental da UTAD é apenas constituído por alumínio.
42 Motor
O motor utilizado no caso em questão é o motor GM Vortec 20L 4cyl e é um motor que trabalha com gás de síntese.
De acordo com All Power Labs (2012) quando se fala nos motores de conversão do gás de síntese é necessário focar que são feitas algumas modificações. As modificações realizadas ocorrem no sistema de admissão de ar ao motor, assim o gás de síntese vai ser introduzido no sistema de admissão de ar. Para tal não é necessário criar um novo e complexo carburador, em vez disso é só misturar o gás de síntese com o ar de forma natural na entrada de ar, a mistura do gás de síntese e do ar deve ser cerca de 1:1, (All Power Labs, 2012).
Para se aplicarem estas modificações a forma mais simples é a utilização de uma canalização em forma de T e uma válvula de esfera. O T é colocado no filtro de pré- entrada de ar, no qual uma perna do T vai para o gasificador e a outra vai para o ar livre. A válvula de esfera tem de ser instalada do lado do ar. A mistura é controlada com a válvula. Assim quando se fecha a válvula o gás é retirado do gasificador, quando se abre a válvula ar é retirado do meio ambiente, (All Power Labs, 2012).
A mistura adequada do gás de síntese é alimentada através da entrada de ar para o motor, e passa pelo regulador de pressão (dispositivo que permite regular a pressão de um fluído) que é controlado pelo regulador eletrónico, (All Power Labs, 2012).
Uma vantagem dos gasificadores co-correntes é que trabalham bem com motores de combustão interna, uma vez que a sução do motor extrai o ar através do leito de combustível e o gás continua a ser produzido até ao final. Outro fator de motivação é o baixo teor de alcatrão (0,015-3g/nm3) na produção de gás quando se utilizam este tipo de motores, (Basu, 2010).
Segundo Andrade (2007) um motor típico para operar com gás tem uma saída elétrica reduzida entre 20% a 30%, quando se fala num gasificador produtor de gás de corrente descendente. O nível de redução é quase proporcional à mudança do poder calorifico da mistura fuel-ar.
A biomassa a ser utilizada no gasificador experimental é a madeira, no entanto foi realizado um estudo do desgaste dos motores quando o combustível é cascas de arroz. O resultado é que o óleo do motor quando foram utilizadas cascas de arroz continha uma
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elevada quantidade de metais, principalmente ferro e alumínio. O que permitiu concluir que a quantidade de alcatrão no gás é um fator de extrema importância quando se fala no seu desgaste e tempo de vida, (Stassen, 1995).
Filtro em leito de gás
Segundo Basu (2010), existe uma forma bastante vantajosa de obter gás limpo através de um filtro de barreira. Este filtro apresenta uma barreira física no caminho do alcatrão e das partículas que possibilita a passagem do gás limpo. O filtro de barreira em questão é constituído por caraterísticas especiais que possibilitam que o revestimento da superfície seja composto por catalisadores adequados para facilitar o alcatrão de craqueamento (passagem do gás produzido durante a gasificação por um reator, no qual os compostos mais simples se decompõe gerando monóxido de carbono e hidrogénio), (Souza-Santos, 2004). Existem dois tipos de filtros, os filtros de vela e os filtros de tecido.
Os filtros de vela podem ser porosos, cerâmicos ou metálicos. A escolha da porosidade do material é feita de modo a que as partículas mais finas não passem. As partículas que não passam formam um depósito na parede no filtro de barreira que é chamada de “bolo de filtração”. O gás passa através da camada porosa e do filtro como demonstra a Figura 14. Os filtros de vela operam com temperaturas que variam entra 800ºC e os 900ºC, (Basu, 2010).
Os filtros de tecido são feitos de tecido. Ao contrário dos filtros de vela as temperaturas de operação destes filtros só podem atingir os 350ºC. Um problema deste filtro é que
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quando o gás é arrefecido excessivamente ocorre a condensação do alcatrão, (Basu, Biomass Gasification and Pyrolysis, 2010).
Segundo a All Power Labs (2012) o filtro utilizado em leito de gás tem cerca de 0,06m2 e tem de ser enchido com carvão cujo tamanho de partículas varie entre 0,16cm e 0,18cm. Qualquer carvão pode ser utilizado, no entanto o carvão animal que é extraído do gasificador pode ser recolhido e peneirado para o tamanho de partícula necessário e depois utilizado no filtro.
Gerador
O gerador Meccalte é o gerador utilizado. Este gerador pode ser configurado para funcionar a 120V/208V/240V AC (corrente alternada), a 60/50Hz. Pode ainda funcionar de acordo com três modos, síncrono, assíncrono e trifásico. A Tabela 9 apresenta caraterísticas do gerador em questão, (All Power Labs, 2012).
Tabela 9 - Caraterísticas do gerador Meccalte (All Power Labs, 2012)
10kW/50Hz 10kW/60Hz
Modelo ECP32 ECO3N4
RPM 3000 1800
Polos 2 4
Segundo Ghosh (2004), um gerador elétrico é um instrumento que transforma energia mecânica em energia elétrica. O gerador é acionado quando recebe energia mecânica proveniente de um motor a gasóleo.
Parafuso sem-fim e interruptor do nível do combustível
O interruptor do nível do combustível, tal como o próprio nome indica, tem como função ligar ou desligar de acordo com o nível de biomassa que està a ser utilizada. Este
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interruptor permite que a CPU possa detetar quando existem estados de baixo combustível ou se ocorrem interferências, (All Power Labs, 2012).
O parafuso sem-fim encontra-se ligado ao interruptor que se encontra instalado no topo do reator. O parafuso sem-fim flexível tem a capacidade de lidar com algumas inconsistências da biomassa e evitar o excesso de corrente durante o funcionamento do equipamento. À medida que o reator se enche com matéria-prima, o excesso de matéria é empurrada sobre a pá de aço inoxidável e aciona o mecanismo de comutação para desligar o motor. A sensibilidade do interruptor pode ser ajustada através do ajuste da tensão da mola localizada sobre a tampa da caixa do interruptor (All Power Labs, 2012).
Sistema de transmissão do gás
O sistema de transmissão é composto por três ventiladores, dois deles são ventiladores de gaiola encontram-se, colocados em série com a finalidade de desenharem um vácuo no sistema. O design dos ventiladores faz com que o gás ignore o filtro de leito e vá diretamente para a labareda, o que vai prolongar a vida do filtro. Os ventiladores apresentam uma demanda de potência relativamente baixa e são apropriados para o arranque de sistemas autónomos fora da rede, mas só podem operar a uma capacidade inferior à capacidade do fluxo do gás do gasificador (All Power Labs, 2012).
Sensor de oxigénio
O sensor de oxigénio tem como função detetar a quantidade de CO, H2 e O2 na saída para
determinar se o motor está a funcionar à carga máxima ou à carga mínima. Após o sensor de oxigénio exercer a sua função o sinal é lido pelo CPU através da porta analógica e é utilizado num circuito de controlo de realimentação (PID) para manter a proporção de ar/combustível para o motor. Quando o equipamento funciona pela primeira vez o sensor de oxigénio entra em modo de espera até atingir temperaturas normais de operação. O sensor de oxigénio recebe energia limpa de abastecimento para evitar queda de sinal de maiores cargas de corrente na bateria (All Power Labs, 2012).
46 Unidade de controlo de processos (CPU)
Segundo a All Power Labs (2012) a CPU é composta pelo seguinte conjunto de componentes: entrada de alimentação, transístores de efeito de campo, FETs (dispositivo unipolar, e tem esta designação pois o seu princípio de funcionamento é determinado pelo campo elétrico no eu interior), porta de comunicação RS232, conexão dos termopares, porta para o cartão MicroSD, sensores de padrão diferencial (possibilitam a medição de pressão entre dois pontos), teclado, tela LCD e botão de contraste, entradas analógicas (temperatura do líquido refrigerante; estado atual da matéria-prima do parafuso sem-fim; estado do interruptor de chave; sinal do sensor de oxigénio; governador auxiliar de sinal; posição do acelerador; pressão do óleo do motor; estado de substituição do combustível), microprocessador (Atmel ATmega 1280), porta de comunicação, botão reset, frequência do temporizador (medida em Hertz), estado dos Leds (o led de energias (PWR) acende quando a alimentação é aplicada é placa CPU. O led de diagnóstico (DIAG) é solicitado a piscar para cada loop na lógica do código).