Nos gaseificadores de leito arrastado, o material carbonáceo pulverizado entra pela parte superior juntamente com o agente gaseificante pressurizado, entre 20 a 65 [bar]. Geralmente usa-se O2 como agente gaseificante, que pode vir acompanhado ou não de vapor
d’água superaquecido. Uma chama turbulenta no topo do gaseificador desencadeia rapidamente o processo de gaseificação em temperaturas em torno de 1200 e 1800 [°C]. O processo é caracterizado por uma elevada taxa de transferência de calor e baixo tempo de residência – da ordem de segundos – graças aos baixos valores de granulometria e umidade da matéria-prima, aliados ao elevado gradiente de temperatura entre o núcleo do reator e a matéria-prima. Já os elevados valores de pressão aos quais o processo de gaseificação é conduzido visam facilitar a remoção de enxofre do gás pobre, assim como auxiliar a questão da compactação do sistema. Como resultado do processo, obtém-se um gás de alta qualidade, com PCI em torno de 8 a 12 [MJ/Nm³] [24].
Os valores elevados de temperatura e pressão fazem com que as cinzas se fundam, de modo a escoarem para o fundo do gaseificador, onde são retiradas como subproduto. Segundo Higman et al [27], elevadas temperaturas de gaseificação diminuem a porcentagem de metano no gás pobre obtido, fato que, em teoria, diminuiria seu PCI. Entretanto, temperaturas acima de 1100 [°C] também promovem o craqueamento do alcatrão, fenóis, óleos e líquidos
pesados, originando H2, CO e pequenas amostras de hidrocarbonetos leves, fato que contribui
para o aumento do PCI do gás pobre, compensando a menor proporção de metano que, independentemente da temperatura, é pequena [28], [29]. Geralmente, o controle da temperatura é realizado por meio de um fluxo de água, que visa refrigerar o interior do reator de modo que sua temperatura não cresça indefinidamente e, ao mesmo tempo, permaneça aproximadamente constante. A Figura 2.5 mostra o esquema de funcionamento de um gaseificador de leito arrastado:
Figura 2.5: Esquema de funcionamento de um gaseificador de leito arrastado [30].
Quando retiradas do gaseificador, as cinzas são resfriadas e se solidificam, adquirindo o aspecto de uma substância vítrea, que não é classificada como resíduo perigoso. A substância vítrea obtida como resíduo da gaseificação pode ser misturada com materiais de construção civil ou de estradas ou ainda ser usada para jateamento abrasivo [24], [25].
Devido aos fatos expostos, o gás produzido pela gaseificação em leito arrastado apresenta-se, portanto, mais limpo (apresentando baixíssimos teores de alcatrão, hidrocarbonetos pesados e cinzas) e com PCI superior ao gás pobre produzido por outros tipos de gaseificadores. Entretanto, as exigências quanto as características da matéria-prima por parte destes gaseificadores são mais restritas. Os subitens que se seguem descrevem algumas das exigências mais importantes.
A elevada granulometria de matérias-primas sólidas impede que a mesma seja utilizada como matéria-prima em gaseificadores de leito arrastado, fato que prejudicaria a transferência de calor. Em geral, bons resultados são obtidos para matérias-primas com granulometria em torno de 500 [µm], entretanto, resultado ainda melhores são obtidos na faixa de 50 a 100 [µm] [31]. No entanto, dependendo do material, muita energia elétrica é gasta na moagem para que se atinja granulometrias tão reduzidas. No caso do carvão mineral, se gasta, em média, 0,01-0,02 [kWe/kWth carvão], que é um valor relativamente baixo quando
comparado a outras matérias-primas. Por outro lado, para matérias-primas de estrutura fibrosa, como a madeira, esse valor pode atingir, em média, 0,08 [kWe/kWth madeira], o que
inviabiliza seu processo de moagem [25] [32]. Constata-se também que a energia gasta no processo de moagem de um material é tanto maior, quanto maior for a umidade e a quantidade de impurezas do mesmo e, portanto, os processos de lavagem e secagem, feitos nesta sequência, são vitais para que a moagem seja realizada com boa eficiência.
Outra possibilidade de facilitar a troca de calor neste tipo de gaseificação é deixar a matéria-prima sólida sob a forma de um líquido viscoso (mediante preparo), com aspecto semelhante de lama ou lodo. Essa tecnologia se faz presente em diversas plantas IGCC ao redor do mundo [33].
As tecnologias voltadas para a alimentação de gaseificadores pressurizados já se encontram consolidadas e foram desenvolvidas para o uso de carvão mineral em sistemas IGCC, adentrar em detalhes acerca dessas tecnologias, no entanto, foge ao escopo do presente trabalho. Em tese, estas tecnologias poderiam ser utilizadas para a alimentação de biomassa desde que esta se assemelhe às condições requeridas para o carvão mineral. Os sistemas de alimentação que exigem que a matéria-prima esteja sob a forma um líquido viscoso fazem o uso de bombas especiais para injetá-la no gaseificador. No caso do carvão mineral, o lodo obtido é injetado mediante o uso de bombas de cavidade progressiva. Uma vez no estado de líquido viscoso, a rápida transferência de calor requerida pela gaseificação em leito arrastado se processa com maior facilidade.
2.2.2.2 Exigência Quanto a Composição e Manuseio das Cinzas
Caso a solidificação das cinzas fundidas ocorra dentro do gaseificador, podem haver incrustações destas em suas paredes internas, algo que deve ser evitado. Em alguns casos, aditivos podem ser adicionados à matéria-prima de modo que a as cinzas se fundam a
temperatura mais baixa e tenham menor viscosidade em seu escoamento, fato que acarretaria na diminuição de seu tempo de residência, dificultando sua solidificação no interior do gaseificador.
A elevada presença de alcalinos em sua composição pode ocasionar corrosão nas paredes metálicas internas do gaseificador durante o escoamento das cinzas fundidas. Em geral, a elevada presença de terra na matéria-prima a ser gaseificada é um dos principais fatores que elevam a presença de alcalinos na matéria-prima. Dessa forma, é vital que a matéria-prima a ser gaseificada seja submetida a um processo de lavagem de qualidade de modo que a maior quantidade de terra possível seja removida e consequentemente, o teor de cinzas como um todo.
2.2.2.3 Exigência Quanto a Umidade da Matéria-Prima
Para qualquer material carbonáceo com teor de umidade elevada, a transferência de calor ao mesmo é prejudicada ao ponto de a gaseificação em leito arrastado não ser desencadeada. Em geral, a umidade do material deve ser de, no máximo 15%. Alguns materiais, como o carvão mineral tipo linhito e alguns tipos de biomassa, apresentam umidade em torno de 45% – fato que exigiria que estes fossem submetidos a um processo de secagem para, então, poderem ser gaseificados em leito arrastado [34]. Outros materiais, como o carvão mineral tipo antracito, possuem, por natureza, umidade extremamente baixa (em torno de 3%), fato que os dispensa do processo de secagem.