Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed | Avaliação da conversão termoquímica de biomassa em leito fluidizado

Doutoramento em Ciências e Engenharia do Ambiente

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

With ever increasing fossil fuel prices and concern over supply, there is a renewed interest on biomass technology for heat, electricity and synthetic fuels. Yet, the conversion behavior of a solid biomass particle is due to complex thermochemical phenomena leading to fuel drying first, then pyrolysis, and then combustion and/or gasification. The relative lack of knowledge within some of these conversion stages is still a major obstacle for further technology development. In particular, the description of the kinetics and stoichiometry of the pyrolytic stage is of high interest given the high volatile matter content of biomass fuels. The role of the pyrolytic degradation during biomass combustion was investigated in this work by experiments conducted in a pilot-scale fluidized bed reactor showing that the release of the volatiles in the vicinity of the fuel feed port leads to extensive flaming and can make it difficult to control the operating temperature in the freeboard. Under gasification conditions the pyrolytic degradation is even more important and can dictate the chemical efficiency of the process. This was also shown in this work by experiments in a 2MWth dual fluidized bed steam gasifier, where a new online measurement method for the composition of the raw gasification gas made it possible to close the mass balance across the gasifier and monitor the extent of fuel conversion. These results show that a good understanding of the pyrolysis behavior of biomass is demanded for designing and controlling efficient combustion and gasification processes. With this in regard, it is often sufficient for engineers to describe the ultimate yields and the properties of the pyrolytic products. This can be done, firstly, by examining the huge set of literature data that was structured in this work, including the yields of the most relevant pyrolytic products (char, condensable organics, water and permanent gases) and the respective elemental compositions and heating values. The outcome from the analysis of the literature data is a number of empirical parameters that can be used to close the mass and energy balances describing the pyrolytic stage; by doing so the general trends for the composition of the pyrolytic volatiles could be elucidated in this work over a wide range of operating conditions. Moreover, this empirical-based approach can be used to predict the stoichiometry of biomass pyrolysis in comprehensive reactor modeling if the parameters are conveniently modified by measurements specialized for the fuel under concern. This has motivated a set of pyrolysis experiments conducted in this work with a number of biomasses, lignin and cellulose, and peak temperatures in range of 600-975ºC. Pyrolysis under slow heating was investigated in a thermobalance analyzer while the more severe thermal conditions were achieved in laboratoryscale fluidized bed and fixed bed quartz tube reactors. The results showed that, under thermal conditions typical of combustion and gasification processes, the extent of fuel volatilization is weakly dependent of the reactor temperature but, in turns, varies widely among different fuel types. A more detailed analysis of this issue revealed a very approximated relationship between the yield of char and the O/C ratio of parent fuel, with a simple model being proposed in this work to describe this behavior. Whereas the total amount of pyrolytic volatiles released from solid fuel is governed by the composition of fuel, its chemical composition changes continuously as a function of the reactor temperature. Yields of condensable species (organics + water), CO2 and light hydrocarbons go through maxima with respect to temperature to give rise to CO and H2 at the higher temperatures tested. Nevertheless, the yields of major gas species (e.g. CO, H2, CH4) were found well correlated over a wide temperature range, which suggested one to cross plot the respective yields in an attempt to eliminate the effect of the temperature while highlighting the effect of the parent fuel. The resulting relationships are surprisingly good and complement the trends derived from the literature data structured in this work. On the whole, the experiments conducted in the laboratory facilities show that the stoichiometry of the pyrolytic stage can be related to the composition of fuel feed in many ways which provide a good deal of usefulness for evaluating and predicting the operation of biomass combustors and gasifiers.