AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE CARVÕES BRASILEIROS SUBMETIDOS À

COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO

Amir De Toni Jr., Cristiano Maidana, Leonardo Zimmer, Marina Seelig e Paulo Smith Schneider

INTRODUÇÃO

Plano Decenal de Expansão de Energia

Previsão da expansão da capacidade instalada de plantas termelétricas a carvão

1.765 MW (dez/2010) → 3.205 MW (dez/2012)

Aplicação de tecnologias de carvão limpo podem contribuir para este aumento. Entre elas:

Captura de CO2

Oxicombustão Combustão enriquecida com oxigênio (OEC)

TECNOLOGIAS DE CARVÃO LIMPO

OXICOMBUSTÃO

Ar

Nitrogênio

ASU

BOILER Carvão

Vapor Eletricidade

Limpeza dos Gases de Combustão

Recirculação dos Gases

Liquefação e Compressão

de CO2 Injeção de

CO2

Exaustão Oxigênio

TECNOLOGIAS DE CARVÃO LIMPO

COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO (OEC)

Ar

Nitrogênio

ASU

BOILER Carvão

Vapor Eletricidade

Gases de Combustão com Baixo

Volume

Liquefação e Compressão

de CO2 Injeção de

CO2

Exaustão

Mistura com Ar

O2

Oxidante Enriquecido

COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO

VANTAGENS DA TECNOLOGIA

• Baixo volume dos gases de combustão; • ASU pode utilizar tecnologias alternativas (PSA, TSA,

membranas); • Aumento da eficiência térmica da planta; • Menor energia necessária para a ignição; • Aumento da estabilidade da chama; • Baixo custo de adaptação da planta (retrofit);

ANÁLISE REALIZADA

Avaliação das emissões de três amostras de carvão em atmosferas de combustão

enriquecida

Chemical Equilibrium with Applications

CEA / NASA

Software utiliza a minimização da função de Gibbs ou Helmholtz com o uso de multiplicadores

Lagrangeanos

DADOS DE ENTRADA

Dados de análise elementar

de três carvões brasileiros

Leão II Mina B3 Camada Bonito

CARVÕES BRASILEIROS Elemento Químico Leão II B3 Bonito

Carbono 31,23 46,35 26,14

Hidrogênio 3,68 5,10 2,00

Oxigênio 37,62 33,55 30,59

Nitrogênio 0,55 0,76 0,45

Enxofre 2,28 0,84 3,80

Alumínio 6,20 3,28 6,63

Cálcio 0,56 0,55 0,40

Ferro 2,08 0,27 2,85

Potássio 0,53 0,30 2,10

Silício 10,36 5,46 15,42

Titânio 0,31 0,20 0,31

Soma dos Traços 4,61 3,34 9,32

PCI [ MJ / kg ] 11,44 17,32 8,79

PCI [ kcal / kg ] 2.730 4.130 2.100

COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO

PRINCIPAIS CONSIDERAÇÕES

• Combustão e estequiométrica não adiabática (1400K e 1800K)

• Volume desprezível da fase sólida

• Fase gasosa se comporta como um gás ideal

• Processo a pressão constante

• Traços permanecem inertes durante a combustão

RESULTADOS

Os principais poluentes obtidos para as três amostras analisadas são apresentados para duas temperaturas dos gases de combustão e para concentrações de O2 no oxidante entre 21% e 100%.

APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

RESULTADOS OBTIDOS

EMISSÃO DE SO2

0,01

0,10

1,00

20 30 40 50 60 70 80 90 100

SO2

[kg

/ M

J]

O2 [%]

Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)

B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)

*Eixo das ordenadas em escala logarítmica

RESULTADOS OBTIDOS

EMISSÃO DE SO3

*Eixo das ordenadas em escala logarítmica

1,00E-07

1,00E-06

1,00E-05

1,00E-04

1,00E-03

1,00E-02

20 30 40 50 60 70 80 90 100

SO3

[kg

/ M

J]

O2 [%]

Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)

B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)

RESULTADOS OBTIDOS

EMISSÃO DE CO

*Eixo das ordenadas em escala logarítmica

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

20 30 40 50 60 70 80 90 100

CO [

kg /

M J

]

O2 [%]

Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)

B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)

RESULTADOS OBTIDOS

EMISSÃO DE CO2

*Eixo das ordenadas em escala logarítmica

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

20 30 40 50 60 70 80 90 100

CO2

[kg

/ M

J]

O2 [%]

Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)

B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)

RESULTADOS OBTIDOS

EMISSÃO DE NO

*Eixo das ordenadas em escala logarítmica

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

20 30 40 50 60 70 80 90 100

NO

[kg

/ M

J]

O2 [%]

Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)

B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)

RESULTADOS OBTIDOS

EMISSÃO DE NO

*Eixo das ordenadas em escala logarítmica

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

20 30 40 50 60 70 80 90 100

NO

[kg

/ M

J]

O2 [%]

Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)

B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)

PRINCIPAIS CONCLUSÕES

• Redução do NOx gerado com a utilização do OEC para as

três amostras estudadas.

• CO2 aumentou tanto em massa como em volume para

todos os casos e amostras.

• A formação de SO2 sofreu pouco alteração.

• Amostra B3 foi a que apresentou a maior redução nos

poluentes formados com o processo OEC.

• Amostra Bonito foi a que apresentou maior aumento na

formação de poluentes.

PRINCIPAIS REFERÊNCIAS

Baukal, C.E. Oxygen enhanced combustion. CRC Press, Boca Raton, 1998.

Zheng L., Furimsky E. Assessment of coal combustion in O2/CO2 by equilibrium calculations. Fuel Processing Technology, v. 81, p. 23–34, 2003.

Gordon S., McBride B. J. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications. NASA RP-1311, National Aeronautics and Space Administration, 58 p., 1994.

Lehrstuhl Kraftwerkstechnik - BTU Cottbus. Bericht nº 10.041. Cottbus 2011.

AGRADECIMENTOS