SEPARAÇÃO DE CO 2 EM GASES DE COMBUSTÃO APLICAÇÃO DE MEMBRANAS E CRIOGENIA. Diego Rubén Schmeda López

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1 SEPARAÇÃO DE CO 2 EM GASES DE COMBUSTÃO APLICAÇÃO DE MEMBRANAS E CRIOGENIA. Diego Rubén Schmeda López Rede Carvão seminário abril 2010

2 Introdução Preocupações com meio ambiente Captura e seqüestro de CO 2 tem o maior potencial para redução de emissões nos próximos anos Incremento no custo da eletricidade de plantas a carvão subcríticas

3 Objetivos Viabilidade de processos CCS pós-combustão, Avaliar o potencial de uso das membranas para CCS, Avaliar um ciclo criogênico de separação de CO2 proposto,

4 Ciclo do processo de captura e seqüestro de CO 2 Captura do CO 2 Seqüestro do CO 2 Transporte Armazenagem

5 Armazenagem do CO 2 capturado

6 EOR Armazenagem do CO 2 capturado

7 Separação de CO 2 de Correntes pós-combustão Processos de separação de CO2 Pós - Combustão Pré-combustão Oxicombustão Absorção Quimica Absorção Física Adsorção Membranas Seletivas Criogenia Shift CO - CO2 Com looping quimico Aminas Carbonato de Potássio Outros Selexol TSA Combustão oxigeniocombustivel MEA DEA TEA Benfield Catacarb Fluor PSA Mitsubishi Heavy Industries Ltda. Giammarco - Vetrocoke Zeólitas Amine Guard

8 Separação de CO 2 de Correntes pós-combustão Pós - Combustão Absorção Química Absorção Física Adsorção Membranas Seletivas Criogenia Aminas Carbonato de Potássio Outros Selexol TSA MEA DEA Benfield Catacarb Fluor PSA TEA Mitsubishi Heavy Industries Ltda. Giammarco - Vetrocoke Zeólitas Amine Guard

9 Membranas Seletivas Utilizam módulos de contenção, Tipos de módulos utilizados industrialmente: Placa (a), Espiral (b), Tubular (c), Fibra Oca (d). (b) (c) (a) (d)

10 Modelagem de Membrana

11 Otimização de arranjo de membranas em série Máximo beneficio econômico do sistema.

12 Otimização de arranjo de membranas em série Materiais utilizados para seleção Material Permeabilidade Custo estimado do material * Permselectividade [mol μm m -2 Pa -1 s -1 ] [ /m²] CO 2 /N Poly (amino imide) (Fuentes ET AL. 1999) BPDA - pp' ODA (Hayashi ET AL. 1995) E BPDA / PPDA (Fuentes ET AL. 1999) E Phenolic Resin (Saufi ET AL. 2004) E Kapton (Suda ET AL. 1997) E Phenol Formaldehyde (Wei ET AL. 2002) E Polyimide (Okamoto ET AL. 1999) E Polypirrolone (Kita ET AL. 1997) E

13 Otimização de arranjo de membranas em série Função objetivo proposta para 2º caso.

14 Otimização de arranjo de membranas em série

15 Otimização de arranjo de membranas em série 161,12 mol/s de CO 2 ou 21,43% Valor da Função Objetivo: ,30 /ano. Busca exaustiva: operações Algoritmo genético: operações

16 Otimização de arranjo de membranas em série Foi possível separar CO 2 do N 2 Concentração insuficiente para uso em recuperação avançada de petróleo (min. 94%), Possibilidade de venda no mercado de carbono,

17 Conclusões: Otimização de arranjo de membranas em série Há necessidade de desenvolvimento de materiais Possibilidade de acoplamento com outros sistemas Existe uma relação ótima entre valor do CO 2 e custo de separação.

18 Separação Criogênica Termo criogenia: Temperaturas inferiores a -150 C, Termo separação criogênica: Utiliza-se para Temperaturas inferiores a 0 C, Utilizado em separação de componentes do ar a través de colunas.

19 Separação Criogênica Exemplo do CO 2 puro.

20 Separação Criogênica Equilíbrio Líquido Vapor de misturas binárias Modelagem Equação de Peng - Robinson

21 Separação Criogênica Diagrama de fases ideal Gás Líquido

22 Erro máximo < 7% Separação Criogênica

23 Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO 2 Acoplamento de planta de regasificação com planta de captura de CO 2 Objetivo: Capturar CO 2 Obter CO 2 liquido a 94% Aproveitar as oportunidades do processo de regasificação do Gás Natural Líquido

24 Gás Natural Líquido Metano condensado a -152 C e 202,6 kpa, Redução de volume em 600 devido à troca de fase, Possibilita o transporte em longas distâncias sem uso de gasoduto, Natural Inodoro Não Corrosivo Asfixiante Incolor Atóxico Massa específica de 450 kg/m²

25 Gás Natural Líquido Regasificação: Troca térmica com água de mar, Troca térmica com produtos de combustão de uma parcela do gás.

26 Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO 2

27 Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO 2 Corrente de alimentação: 1. 8,52 mols/s de gás de combustão 2. Fração molar: 0,8826 de N 2 e 0,1174 de CO 2 3. Temperatura: 130 C 4. Pressão: 101,3 kpa

28 Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO 2 Membrana de 25m² de Polyimida Corrente de Retido: 1. Vazão molar de 4,991 mol/s 2. 4,44% de CO 2 e 95,56% de N 2 em vol. 3. Temperatura: 26 C 4. Pressão: 4052 kpa. Corrente de Permeado: 1. Vazão molar de 3,529 mol/s 2. 22,06% de CO 2 e 77,94% de N 2 em vol. 3. Temperatura: 26 C 4. Pressão: 101,3 kpa.

29 Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO 2 0,8826 0,7794

30 Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO 2 Corrente Rica em CO 2 Vazão molar: 0,3207 mol/s Fração molar CO 2 : 0,94 Fração molar N 2 : 0,06 T = -61 C P = 4599 kpa

31 Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO 2 Trabalho dos compressores: 194,37 kw 137,97 kw nos processos antes da membrana 56,4 kw nos processos posteriores à membrana Capturado: 0,3015 mol/s de CO 2 49,7 kg/h Consumo Energético: 1,135 kwh/kg de CO 2 capturado (apenas criogenia) Valores de referência: 0,65 kwh/kg (Khoo e Tan, 2006) 4,1 kwh/kg de CO 2 capturado (total do processo)

32 Conclusões parciais Sobre processos criogênicos: Eficiência relacionada à quantidade de CO 2 na mistura, Para baixas frações molares necessita-se concentrar o gás carbônico, Processos de maior intensidade energética são os a montante da membrana (71%), Relação entre pressão de operação da membrana e área da mesma, Conseguiu-se atingir o grau de concentração requerido no CO 2 liquido (Condição de EOR),

33 Conclusões Desenvolveram-se dois métodos para captura de CO 2 Já no que refere à aproveitamento do CO 2 para EOR, apenas o processo por criogenia conseguiu atingir as especificações técnicas minimas,

34 Agradecimentos Rede Carvão