A conversão adequada da biomassa ou de outros combustíveis sólidos no gás desejado, com o aproveitamento da energia resultante, depende de uma escolha acertada do dimensionamento, tipo de configuração e condições operacionais do gaseificador. Os modelos matemáticos são desenvolvidos para descrever os fenômenos envolvidos no processo de gaseificação, propiciando a simulação de diversas condições operacionais. Basu (2010) afirma que uma boa modelagem e simulação deve permitir:
O estabelecimento de condições ótimas ou um projeto para o gaseificador; Identificação de áreas de preocupação ou perigo na operação;
Fornecimento de informações sobre as condições de funcionamento extremas (alta temperatura, alta pressão), nas quais a execução de procedimentos é dificultada;
Fornecimento de informações sobre uma gama muito mais ampla de condições que podem ser obtidas experimentalmente;
Melhor interpretação dos resultados experimentais e análise do comportamento anormal de um gaseificador, caso isto ocorra.
Os principais objetivos destes modelos são: estudar os processos termoquímicos durante a gaseificação da biomassa e avaliar a influência das principais variáveis de entrada, como teor de umidade, razão ar/combustível, composição do gás produto e seu poder calorífico. Alguns estudos consideram apenas a composição final de equilíbrio do produto químico, enquanto outros levam em conta os diferentes processos ao longo do gaseificador, distinguindo-se pelo menos duas zonas (BRUNO; PUIG-ARNAVAT; CORONAS, 2010).
As abordagens para modelagem matemática da gaseificação podem ser classificadas em: cinética e equilíbrio químico.
Um modelo cinético pode prever o perfil de composição do gás, temperatura dentro do reator e desempenho global do gaseificador em função do tempo, para uma dada condição de operação e configuração do equipamento. Este modelo leva em consideração tanto a cinética de reações dentro do reator, como também sua hidrodinâmica (BARUAH; BARUAH, 2014).
Modelos cinéticos exigem o conhecimento de parametros cinéticos que prevêem a formação de compostos intermediários. Já os modelos de equilíbrio, exigem apenas o conhecimento das propriedades termodinâmicas dos compostos considerados, prevendo assim
34 as condições finais do sistema. Desta forma, a disponibilidade dos dados experimentais irá nortear as regras para escolha do modelo matemático mais adequado (RODRIGUES, 2008).
O modelo de equilíbrio químico é útil para predizer a composição do gás produzido, assumindo que a gaseificação não produz qualquer carbono sólido. Atualmente, a complexidade do modelo se tornou maior devido à incorporação de outras reações, como a de formação de metano. A taxa de fluxo molar total do gás de saída, a temperatura de reação e a quantidade de carvão que reside no gaseificador são consideradas como variáveis desconhecidas e calculadas a partir do modelo (SHARMA; SHETH, 2015). A seguir uma breve explanação sobre este tipo de modelo.
3.3.5.1. Modelo de equilíbrio químico
Modelos com taxas cinéticas geralmente contêm parâmetros que limitam a sua aplicabilidade. Assim, os cálculos do modelo de equilíbrio químico, que são independentes do tipo de gaseificador, podem ser mais adequados para estudos de processo sobre a influência das mais importantes variáveis de processo relacionadas ao combustível. Em condições de equilíbrio químico, um sistema de reação é, na sua composição mais estável, uma condição obtida quando a entropia do sistema é maximizada enquanto a sua energia livre de Gibbs é minimizada. Diversos autores têm demonstrado concordância razoável entre previsões de equilíbrio e os dados obtidos experimentalmente via gaseificação (BRUNO; PUIG- ARNAVAT; CORONAS, 2010).
Pandey et al (2013) realizaram a simulação do modelo de equilíbrio químico para estudar o efeito do pré-ajuste da temperatura de reação com respeito ao teor de umidade na fração molar do gás de saída em um gaseificador de leito fixo co-corrente. Variações no raio de equivalência e no maior valor de aquecimento do gás de saída em um gaseificador de leito fixo co-corrente também foram preditas para diferentes teores de umidade.
Sharma; Sheth (2015) utilizaram o modelo de equilíbrio químico para prever a composição do gás produto e sua capacidade calorífica. O desempenho do processo de gaseificação foi avaliado pela variação dos parâmetros operacionais, como o teor de umidade, proporção de vapor em relação à biomassa e razão de equivalência.
Melgar et al (2007) abordaram a modelagem de equilíbrio químico para obter informações sobre diversos parâmetros do processo de gaseificação, como a eficiência do gás frio, a quantidade de água dissociada no processo e a capacidade calorífica do gás. O trabalho
35 incluiu também um estudo paramétrico da influência do raio de equivalência e teor de umidade de biomassa sobre as características do processo e composição do gás produzido.
Itai (2011) avaliou a potencialidade energética das sementes de açaí rejeitadas após o beneficiamento via gaseificação. Valores obtidos experimentalmente durante a caracterização da biomassa foram empregados na simulação do processo. Foi utilizado o modelo de equilíbrio zero dimensional para prever o perfil da composição dos gases, temperatura, alcatrão primário e secundário ao longo do eixo longitudinal do gaseificador. Um modelo zero dimensional baseia-se nas equações fundamentais de conservação de massa e energia, que podem ser aplicadas a todo volume de controle ou em partes deste volume.
Zainal et al (2001) desenvolveram um modelo para predizer o comportamento de um gaseificador de leito fixo concorrente através da modelagem de equilíbrio estequiométrica, ou seja, especificando as principais espécies e reações químicas envolvidas. A influência do teor de umidade inicial da madeira e da temperatura na zona de gaseificação na composição do gás de saída foi investigada. Os valores previstos mostraram compatibilidade com os dados obtidos.
Rodrigues (2008) realizou um estudo sobre os processos de modelagem e simulação do processo de gaseificação visando a gaseificação como processo para aproveitamento energético dos co-produtos de uma indústria calçadista. Além de uma detalhada revisão sobre os tipos de modelagem, o autor desenvolveu e implementou os modelos cinético e de equilíbrio e constatou que ambos conseguiram representar razoavelmente bem o sistema experimental, dentro das limitações de cada modelo, o que possibilitou indicar quais as melhores condições teóricas ideais para se conseguir uma boa eficiência no funcionamento da planta de gaseificação.