Estudo e desenvolvimento de uma tocha de plasma de vapor de água para aplicações em processos de gaseificação
Autor
Aleandro Ribeiro Marquesi
Orientador
- Orientador Gilberto Petraconi Filho
Área de Concentração
Física de Plasmas
Programa
Física
Data de Defesa
18/05/2016
Número da Tese
71656
Resumo
A gaseificação assistida a plasma térmico é apontada como um processo efetivo para produção de gás de síntese (CO e H2) a partir de resíduos da industria. O gás combustível de elevado poder calorífico pode ser empregado de modo geral como insumo para produção de energia. Os estudos de sistemas de gaseificação com características diferenciadas dos processos convencionais de conversão térmica, com destaque às pesquisas de desenvolvimento de geradores de plasmas térmicos, visam um melhor desempenho energético do reator de gaseificação como um todo. Considerando estes aspectos, foram desenvolvidos neste trabalho geradores de plasmas térmicos de vapor de água de alta eficiência de conversão de energia elétrica em energia térmica, caracterizados pela utilização do próprio gás de trabalho como meio regulador de temperatura da tocha e de estabilização do arco elétrico. As tochas são de arco transferido com potência limitada a 100 kW, eficiências em energia acima de 95 % e também podem operar em ar como gás de trabalho. Análises dos parâmetros térmicos e elétricos das tochas mostram valores de temperaturas médias do jato de plasma de ar de 6600 K e para o plasma de vapor de água de 3800 K, com composição química característica de cada gás de trabalho avaliada por espectroscopia óptica de emissão. O plasma de vapor de água é principalmente caracterizado pelas emissões de hidrogênio da série de Balmer e por oxigênio atômico, em contraste com o plasma de ar majoritariamente descrito pelas emissões das bandas de nitrogênio e oxigênio atômico. Das análises destes espectros foram inferidos a temperatura de excitação e densidade de elétrons dos jatos de plasmas de ar e vapor de água produzidos. Como uma aplicação aos processos de gaseificação, foi utilizado uma amostra comercial de piche de alcatrão de hulha com propriedades já definidas pelo fabricante e complementadas com dados da literatura. A condição de máxima eficiência do processo de gaseificação a plasma de vapor de água, foi avaliada teoricamente para o piche em comparação com o processo utilizando-se o ar como agente de gaseificação tendo como parâmetros a temperatura de gaseificação, a pressão interna do reator e a razão de alimentação entre matéria-prima e o agente de gaseificação. A comparação entre os resultados das simulações termoquímicas do processo de gaseificação, prevê a distinção química superior do vapor de água como agente de gaseificação para a produção de gás de síntese a partir de um material rico em hidrocarbonos. O processo a plasma de ar é previsto como menos oneroso energeticamente com a perspectiva de elevada produção de gases tóxicos nitrosos, enquanto a gaseificação com plasma de vapor de água propicia a produção de gás de síntese superior em poder calorífico. O trabalho é finalizado com o acoplamento da tocha em um reator de gaseificação visando ensaios de operacionalidade da tocha em condições reais de processo.
