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Introdução Conversão Termoquímica Tecnologia de Gaseificação

Gaseificação e Pirólise do CarvãoMineral de Candiota

Teoria e Aspectos Tecnológicos

Prof. Rodolfo [email protected]

Ciclo de Palestras – Tecnologias em Energia e CarboquímicaGrupo de Pesquisa em Energia e Carboquímica (GPEC)

31 de março de 2017

Rodolfo Rodrigues Ciclo de Palestras em Energia e Carboquímica

Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 1 / 43


Carvão Mineral: Brasil

As reservas de carvão mineral do Brasil são de 31,7 bilhõeston ≈ 61,8 bilhões de BOE*, que irão durar mais de100 anos.*Assumindo: 1 BOE (barril de equivalente de petróleo) = 6,1 GJ e 1 kg carvão mineral = 2 900 kcal

As reservas de petróleo do Brasil são de 13,1 bilhões deBOE, que irão durar menos de 20 anos.

90,1% das reservas de carvão mineral estão no estado doRio Grande do Sul sendo que 42,9% estão na minas deCandiota.



















Tabela 1: Reservas de carvão mineral e produção no Brasil.

Fonte: CPRM (2016).




Carvão Mineral: Mundo

Para algumas nações como a China e a Índia, o carvãocorresponde a mais de 70% da geração elétrica (WCA,2012).

O carvão responde por 30,1% da demanda de energia domundo e gera mais de 40% da eletricidade (WCA, 2012).

No Brasil, corresponde a 5,6% da demanda de energia egera 2,6% da eletricidade (EPE, 2014).




Análise Imediata (%p, b.s.)Planilha1

Página 2

Casca de arrozCasca de coco-da-baía

Madeira em geralBagaço de cana

Palha de canaApara de couro

Carvão mineral

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

CinzasCarbono fixoMatéria volátil

Figura 1: Comparativo da análise imediata (%p, b.s.) do carvão mineral e 6 diferentesfontes de biomassa.

Fonte: Rodrigues et al. (2011).




Análise Imediata (%p, b.s.)

Umidade (%p, b.u.)Planilha1

Página 4

Casca de arroz

Casca de coco-da-baía

Madeira em geral

Bagaço de cana

Palha de cana

Apara de couro

Carvão mineral

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

% (b.u.)

Poder Calorífico (kJ/kg, b.s.)Planilha1

Página 5

Casca de arroz

Casca de coco-da-baía

Madeira em geral

Bagaço de cana

Palha de cana

Apara de couro

Carvão mineral

0 5000 10000 15000 20000 25000

kJ/kg (b.s.)

Figura 2: Comparativo da análise imediata (%p, b.s.) do carvão mineral e 6 diferentesfontes de biomassa.





Análise Elementar (%p, d.a.f.)Planilha1

Página 3

Casca de arrozCasca de coco-da-baía

Madeira em geralBagaço de cana

Palha de canaApara de couro

Carvão mineral

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

ClSONHC

Figura 3: Comparativo da análise elementar (%p, d.a.f.) do carvão mineral e 6 diferentesfontes de biomassa.





Indústria Carboquímica

Figura 4: Indústria Petroquímica. Processo de refino de óleo cru até os produtos finais.Fonte: TOTAL (2011).




Indústria Carboquímica

Figura 5: Indústria Carboquímica. Sistema conceitual baseado em gaseificação.Fonte: NETL (2016). Gasifipedia.




Conversão Termoquímica

A conversão termoquímica modifica a estrutura química deuma carga carbonosa através de altas temperaturas.De acordo com a presença ou não de um agente degaseificação, os processos de conversão termoquímicapodem ser divididos em:

1 Combustão: ER > 1;2 Gaseificação: 0 < ER < 1;3 Pirólise: ER ≈ 0.

Razão de Equivalência (ER)

Razão entre oxigênio (ar) fornecido pelo oxigênio (ar)estequiométrico, isto é, necessário para a combustão completa.





A combustão é um processo exotérmico e tem comoobjetivo principal a geração de calor;

Já a gaseificação é um processo endotérmico e tem comoobjetivo principal a geração de um gás com algum podercalorífico;

E a pirólise também é um processo endotérmico mas seuobjetivo principal é a geração de um líquido.





Figura 6: Temperatura e composição dos produtos da conversão termoquímica de madeira(CH1,4O0,6) para diferentes frações de O2 e ar admitidos.

Fonte: Reed e Das (1998).





Figura 7: Energia no sólido e no gás produzidos na conversão termoquímica de madeira(CH1,4O0,6) para diferentes frações de O2 e ar admitidos.

Fonte: Reed e Das (1998).





O que é Gaseificação?

É um processo de conversão termoquímica de uma cargacarbonosa em uma mistura gasosa pela ação de calor e de umagente gaseificante.







A conversão termoquímica envolve reações de:Devolatilização,Oxidação eRedução a temperaturas relativamente altas.







Geralmente as cargas carbonosas são:carvão mineral: combustível sólido de origem fóssil ebiomassa: combustível derivado de organismos vivosrecentes.resíduo: subprodutos de processos industriais ou deatividades humanas.







Gás combustível ou “gás de síntese” (syngas) constituídopor uma mistura de:

H2, hidrocarbonetos,CO2, CO,carbono sólido residual,compostos condensáveis evapor d’água.







Os agentes gaseificantes mais comuns são:ar,oxigênio evapor d’água.





Gaseificação × Incineração (Combustão)

Enquanto o objetivo da incineração é destruir a carga eproduzir calor, o objetivo da gaseificação é obter um gáscombustível a partir da carga.

Os produtos principais da incineração são CO2 e H2O e osprodutos principais da gaseificação são CH4, CO e H2.





Por que usar a Gaseificação?

1 É a tecnologia mais limpa para processamento de carvãomineral. Possui a menor geração de SOx, NOx, resíduossólidos e efluentes líquidos;

2 É uma tecnologia já bem consolidada com múltiplosfornecedores;

3 Flexibilidade de aceitar diversos combustíveis;

4 Flexibilidade de gerar diversos produtos e aplicações.




Tecnologia de Gaseificação

Figura 8: Representação geral de um processo de gaseificação.




Pós-Processamento

TREATED GAS

LEAN SOLUTIONCOOLER

MECHANICALFILTER

LEAN SOLUTIONPUMP

ABSORBER

RECYCLECOMPRESSOR

HYDRAULICTURBINE FLASH DRUM

RICH/LEANEXCHANGER

REBOILER

STEAM

STRIPPER

REFLUX PUMP

MAKE UPWATER

ACID GASTO SRUACID GAS

CONDENSER

RAWSYNGAS

Figura 9: Fluxograma do processo Selexol para remoção seletiva de H2S. TecnologiaAGR (Acid Gas Removal). Característica: agente absorvente DMPEG (dimetiléter depolietilenoglicol) e 99+% de remoção de S.

Fonte: Higman e van der Burgt (2008).




Pós-Processamento

AMMONIA

METHANOL

CARBONMONOXIDE

GASTURBINES

REDUCTIONGAS

TOWN GAS

SNG

HYDROGEN

OXOALCOHOLS

FISCHER-TROPSCH

UREA

FORMAL-DEHYDE

RESINS

MTBE

ACETICACID

PHOSGENEPOLY-

URETHANE

DETERGENTS, PLASTICIZERS

FUELS, WAXES, OTHERS

COAL

LIQUIDRESIDUES

NATURALGAS

BIOMASS

WASTE

METALS

ELECTRIC POWER

GASIFICATION

NH3

CO2

Figura 10: Aplicações do syngas.Fonte: Higman e van der Burgt (2008).




Processo de Gaseificação

Fenomenologia do Processo

Os fenômenos de transferência em conjunto com reaçõesquímicas permitem identificar subprocessos ao longo doreator:

1 Secagem,2 Devolatilização (Pirólise),3 Oxidação (Combustão) e4 Redução (Gaseificação).

Esses subprocessos podem ser observados como zonasteóricas ao longo do reator.






Nas zonas de secagem e devolatilização (pirólise), a cargasofre decomposição térmica liberando água, matéria volátil esólido residual.

Esses componentes formados são oxidados na zona deoxidação liberando uma grande quantidade de energia.

As reações de redução ocorrem na zona de redução paraproduzir o syngas pelo uso da energia liberada através dereações endotérmicas.






Secagem (evaporação da umidade) é um processoendotérmico e os fenômenos de transporte da umidadeincluem:

1 Convecção e difusão de vapor d’água e convecção de águacapilar nos poros da partícula e

2 Difusão da água superficial na partícula.

Devolatilização (pirólise) envolve reações primárias quedecompõem a carga sólida em voláteis e carbono residual ereações secundárias que os convertem em gases mais leves.

carga −→ voláteis + carbono residual






Oxidação (combustão) converte espécies oriundas dadevolatilização a CO2 e H2O liberando uma quantidadeconsiderável de energia.

CxHy +(x + 1

4y)O2 −→ xCO2 + 1

2yH2O

βC + O2 −→ 2 (β − 1) CO + (2 − β) CO2






Redução (gaseificação) ocorre em uma condição de oxigênioescasso através de reações de redução devido a grandequantidade liberada de calor na zona de oxidação.

C + H2O −→ CO + H2 ∆Hr = +131 kJ/mol

C + CO2 −→ 2CO ∆Hr = +172 kJ/mol

C + 2H2 −→ CH4 ∆Hr = −75 kJ/mol

CH4 + CO2 ←→ 2CO + 2H2 ∆Hr = +124 kJ/mol

CH4 + H2O←→ CO + 3H2 ∆Hr = +205 kJ/mol

CO + H2O←→ CO2 + H2 ∆Hr = −41 kJ/mol





Figura 11: Representação esquemática dos subprocessos que ocorrem na gaseificaçãode um combustível CHxOy seco.





Figura 12: Representação esquemática dos subprocessos que ocorrem em umgaseificador de biomassa.

Fonte: Adaptado de Gómez-Barea e Leckner (2010). Prog. Energy Combust. Sci.





Gaseificadores

O reator químico onde ocorre o processo de gaseificação échamado de gaseificador.Os gaseificadores são classificados em 3 configuraçõesbásicas:

1 Leito fixo ou móvel,2 Leito fluidizado e3 Leito de arraste.





Gaseificadores

Estas configurações apresentam variações de acordo com ofluxo ou interações entre as fases:

1 Leito fixo contracorrente,2 Leito fixo cocorrente,3 Leito fluidizado borbulhante e4 Leito fluidizado circulante.





1 kW 100 kW 100 MWMW 10 MW Capacidade1000 MW

Fixo cocorrente

Fixo contracorrente

Fluidizado borbulhante

Fluidizado circulante

Fluidizado pressurizado

1

Figura 13: Escala de aplicação de tecnologias de gaseificação de biomassa paracogeração de energia.

Fonte: adaptado de Larson (1998).





Tabela 2: Comparativo das 3 configurações básicas de gaseificadores: leito fixo (oumóvel), leito fluidizado e leito de arraste.






Figura 14: Gaseificadores de leito fixo contracorrente (esquerda) e cocorrente (direita)com identificação das respectivas zonas reacionais.

Fonte: adaptado de Belgiorno et al (2003).





Figura 15: Gaseificador de carvão mineral em leito fixo contracorrente (esquerda) erespectivos perfis de temperaturas (centro) e de composição acumulada (direita).

Fonte: adaptado de Higman e van der Burgt (2008).





COAL FEED

WASHCOOLER

LOCK PRESSURIZINGGAS

BFWPREHEATER

SYNGASCOOLER

GASIFIER

GASLIQUOR

LOCKEXPANSION GAS LP STEAM BFW

C.W. RAW SYNGAS

GASLIQUOR

BFWGASLIQUOR

ASHWATER

ASH

ASH LOCK

OXYGENSTEAM

BFW

Figura 16: Fluxograma do processo de gaseificação Lurgi. Características do reator: 3–5m de diâmetro, 6–16 m de altura e 20–60 t/dia de carvão mineral.






Figura 17: Gaseificadores de leito fluidizado borbulhante (esquerda) e circulante(direita) com identificação das respectivas zonas reacionais.

Fonte: adaptado de Belgiorno et al (2003).





Figura 18: Gaseificador de carvão mineral em leito fluidizado borbulhante (esquerda)e respectivos perfis de temperaturas (direita).






N2/CO2

Dried coal

Coal bunker

Lock-hopper

Feedfilter

Rotarymetering feeder

Feedervessel

Gasifier

Cyclone

Fluidized bed

Freeboard

Lock-hopper

Bottom ash

HP boiler feed water

HP steam

Warm gas filter

Fly ash

Waterscrubber

Raw gas

Processcondensatecycle

Rotaryfeeder

N2/CO2

N2/CO2

Cooling screws

IP boiler feed water

IP steam

Quench water

Air

Natural gas

Oxygen(preheated)

Preheat burner

Inert gas (nitrogen)

Gravity pipe

Figura 19: Fluxograma do processo de gaseificação Winkler de alta temperatura (HTW)para carvão mineral.

Fonte: Gräbner (2014).





Figura 20: Gaseificadores de leito arraste com alimentação superior e perfis detemperaturas.






Product gasNitrogen/CO2

Nitrogen/CO2

Pulverized coal

Bunker

Lock-hopper

Feedervessel

Steam Oxygen

Gasifier

Cooling screen

Quenchwater

Black water treatment

Effluentwater

Filtercake

Off gas

Excess water

Buffervessel

Venturiscrubbers

Sprayquench

Slagcrusher

Slaghopper

Slagconveyor

Granulated slag

IP cycle water

Pilot burner fuel

LP steam

LP boiler feed water

Steam drum

Condensate

Raw gas

Demineralizedwater

PartialCondenser

Figura 21: Gaseificador Siemens pressurizado de 500MW. Características: 3,5 m dediâmetro, 18 m de altura e 1600 t/dia de carvão mineral.

Fonte: Gräbner (2014).



Profa Ana Rosa Costa Muniz

Aspectos Experimentais e Resultados:

Gaseificação do Carvão Mineral de Candiota

Pirólise do Carvão Mineral de Candiota



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