MODELAGEM DO PROCESSO DE LIMPEZA DOS GASES PROVENIENTES DA GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO MINERAL BRASILEIRO UTILIZANDO SOLUÇÕES AQUOSAS DE MDEA

Transcrição

1

2 MODELAGEM DO PROCESSO DE LIMPEZA DOS GASES PROVENIENTES DA GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO MINERAL BRASILEIRO UTILIZANDO SOLUÇÕES AQUOSAS DE MDEA Michael Salvador Crocetta, Thiago Fernandes de Aquino Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina -SATC Centro Tecnológico de Carvão Limpo (CTCL) PROJETO SATC/FINEP: GASEIFICAÇÃO DE CARVÕES BRASILEIROS APLICADO À GERAÇÃO TERMELÉTRICA E PRODUÇÃO DE COMBUSTÍVEIS Gramado, 23 de Agosto de 2011

3 INTRODUÇÃO Baixo PC: kcal/nm 3 Agentes gaseificantes: ar + vapor d água Médio PC: kcal/nm 3 Agentes gaseificantes: oxigênio + vapor d água Short Course: Treatment of Gas Generated During Solid Fuels Gasification, Criciúma, Santa Catarina, 2007; Alto PC: kcal/nm 3 Agentes gaseificantes: oxigênio + vapor d água

4 INTRODUÇÃO Gás sulfídrico é considerado uma das causas de diversos defeitos em vidrados durante o processo de queima de placas cerâmicas; Parâmetro de dimensionamento do sistema de limpeza de gases; Utilização do gás de baixo poder calorífico em fornos cerâmicos; Diversificação da matriz energética das empresas cerâmicas; Alto custo do Gás Natural; Valorização do carvão regional;

5 INTRODUÇÃO MDEA Companhias como: Shell, GE, Exxon e Petrobrás; Áreas de aplicação: Utilizados antes e após processo Claus, tails gas e tratamento de gás natural para atender especificações de tubulações; MDEA: 30 a 50% (massa); Range de temperatura usual para o solvente no absorber: 26 a 52 C ; Range de temperatura usual para o solvente na regeneração: 115 a 120 C; Pressão: flexível; Temperatura do gás: 15 a 48 C; Testes em escala piloto e comercial: redução de H 2 S a teores abaixo de 4ppm podem ser atingidos até mesmo a baixas pressões; A quantidade exata de H 2 S e CO 2 dependerá das condições operacionais; H S RR' R'' N 2 RR' R'' N CO 2 RR' R'' N * HS H 2 O RR' R'' N * HCO 3

6 INTRODUÇÃO Segundo Al-Baghli (2001): monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), metildietanolamina (MDEA) são hoje as alcanolaminas mais importantes utilizadas em unidades de absorção para a remoção de gases ácidos indesejáveis. menor $ de regeneração; MDEA maior resistência à degradação química e térmica; Menor taxa de corrosão; alta seletividade ao H 2 S na presença de CO 2.

7 Descrição Geral do Modelo INTRODUÇÃO Modelo de estágio de Equilíbrio com eletrólitos: Non Random Two Liquids (NRTL) Segundo Aroua et al. (2002): H 2 O H 2 S CO 2 MDEA H 3 O HCO3 RR ' R ' NH OH HS 2 Ionização da água O H O OH H 2 3 Dissociação do sulfeto de hidrogênio O H S H O HS H Dissociação do bissulfeto H O HS H O S Dissociação do MDEA protonado O RR' R'' NH RR' R' N H O H 2 ' 3 Dissociação do dióxido de carbono 2 O CO HCO H O H Dissociação do bicarbonato HCO3 H 2O H 3O CO3 2

8 OBJETIVO Realizar um estudo preliminar do processo de limpeza dos gases provenientes da gaseificação de carvão com foco na minimização da concentração de H 2 S presente em um gás de baixo poder calorífico que esteja suficientemente adequado para queima em fornos do setor cerâmico.

9 METODOLOGIA Software ASPEN PLUS como ferramenta computacional para a modelagem do processo MDEA Figura 1 - Fluxograma do sistema de limpeza dos gases utilizando o Aspen Plus V7.1.

10 METODOLOGIA Vazão de MDEA; Temperatura do solvente; [MDEA]; Composição dos gases; Temperatura dos gases; Vazão de todas as correntes; Composição das correntes; Balanço de Energia; Número de estágios das colunas; Pressão do sistema

11 METODOLOGIA Tabela 1: Composição do gás de baixo poder calorífico. Componentes H 2 O CO 2 CO H 2 H 2 S N 2 CH 4 % (molar) 9,0 10,0 18,0 12,0 1,6* 47,0 2,4 *Calculado por balanço de massa considerando que todo o enxofre presente no carvão é convertido em H 2 S. Tabela 2 Variação dos parâmetros na corrente do solvente (LEAN) e na temperatura do gás. Temperatura do gás ( C) Vazão total (Kmol/h) 24,41 48,83 122,08 Fração molar de MDEA 0,05 0,1 0,15 Vazão do gás = 49,83 Kmol/h (CeSFaMB) Número de estágios das colunas de absorção e regeneração foi de 5 e 25 respectivamente.

12 RESULTADOS E DISCUSSÃO Figura 2: Concentração de H 2 S em função do fluxo total e fração molar de MDEA a 28 C de temperatura do gás.

13 RESULTADOS E DISCUSSÃO Figura 3: Concentração de H 2 S em função do fluxo total e fração molar de MDEA a 60 C de temperatura.

14 RESULTADOS E DISCUSSÃO Tabela 3 Resultados obtidos na simulação com temperatura de entrada do gás no sistema de 28 C, fração molar de MDEA de 0.15 e fluxo total de 122,08 kmol/h. Componente Composição do GÁS (% molar) Composição do CLEANGAS (% molar) H 2 O 9,0 4,27 CO 2 10,0 0,1 CO 18,0 15,94 H 2 12,0 10,6 H 2 S 1,6 322 * N 2 47,0 66,0 CH 4 2,4 2,1 * Concentração do H 2 S em ppm.

15 CONCLUSÕES O software Aspen Plus se apresentou como uma boa ferramenta de simulação do processo de limpeza dos gases proposto; O fluxo e a fração molar de MDEA, além da temperatura do gás de entrada na coluna de absorção são as variáveis de grande influência na concentração de H 2 S presente no gás de baixo poder calorífico; Apesar de significativas alterações na composição do gás limpo variando-se os parâmetros citados, é necessário dar seqüência nas simulações visando uma otimização do processo, bem como uma análise econômica;

16 ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO Figure 4: Fluxograma do processo de Limpeza utilizando o Aspen Plus V7.2.

17 ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO Figure 5: Interface de simulação para o processo de otimização

18 ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO ROTA EXPERIMENTAL CONCENTRAÇÃO DE H 2 S VIA ÚMIDA GRÊS OU SEMI-GRÊS PORCELANATO PORCELANATO TÉCNICO MONOPOROSA (AZULEJO) VIDRADO OPACO (BRANCO) VIDRADO TRANSPARENTE (CRISTALINO) VIDRADO MATE (Zn ou Ca) VIDRADO MATE (Zn ou Ca) VIDRADO OPACO (BRANCO) VIDRADO TRANSPARENTE (CRISTALINO) VIDRADO MATE (Zn ou Ca) QUEIMA OBS: -Ciclo de queima para cada biscoito (t(ciclo),t,p);(empresa); -Aplicação do vidrado (EMPRESA); -Forno cheio; (EMPRESA); -Dimensão das peças (EMPRESA); -Alimentação do H 2 S e instrumentação necessária; -Não será utilizado Engobe e corante. ANÁLISES (NBR 13818) -ANÁLISE VISUAL (SUPERFÍCIE) ANEXO A ; -DIFERENÇA DE TONALDADE ANEXO R; -RESISTÊNCIA AO ATAQUE QUÍMICO (ALTA E BAIXA CONCENTRAÇÃO)ANEXO H; -RESISTÊNCIA AO MANCHAMENTO ANEXO G; -BRILHO (PR CRI 170). Figura 6: Rota experimental para determinação do teor de H 2 S máximo nos fornos cerâmicos (dos Santos, 2011).

19 ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO Figura 7: Esquema do processo de injeção de H 2 S na linha de gás combustível de um forno do setor cerâmico (dos Santos, 2011).

20 ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO 2011 International Pittsburgh Coal Conference Pittsburgh, PA September 12 15, 2011 PROCESS MODELING OF H 2 S REMOVAL FROM BRAZILIAN COAL GASIFICATION SYNGAS WITH MDEA Michael Salvador Crocetta (CTCL-SATC), Juan E. Morinelly (U.S.DOE-NETL), Thiago Fernandes de Aquino (CTCL-SATC) EVALUATION OF VISCOSITY MODELS FOR SLAGGING ENTRAINED GASIFIERS USING BITUMINOUS COALS Thiago Fernandes de Aquino (CTCL-SATC), LaTosha Gibson (U.S.DOE-NETL/PSU), Esmail R. Monazam (U.S.DOE-NETL), James Spenik (U.S.DOE-NETL), John Kuhlman (U.S.DOE- NETL/WVU), Lawrence J. Shadle (U.S.DOE-NETL)

21 AGRADECIMENTOS

22 REFERÊNCIAS Longwell, J.P., Rubin, E.S., Wilson, J. Coal: energy for the future. Progress in Energy and Combustion Science, 360, p , Kohl, A.L., Nielsen, R.B. Gas Purification, 5th Edition, Gulf Publishing Company, Houston, TX, Al-Baghli, N.A, et al. A rate based model for the design of gas absorbers for the removal of CO 2 and H 2 S using aqueous solutions of MEA and DEA. Fluid Phase Equilibria, 185, p , Alfada, H.E., Al-Musleh, E. Simulation of an Acid Gas Removal Process using Methyldiethanolamine; an Equilibrium Approach. Proceedings of the 1 st Annual Gas Processing Symposium, Aspen Plus, Aspen Technology Inc., v.7.2, Burlington, MA, USA ( ). Aroua, M.K., Haji-Sulaiman, M.Z., Ramasamy, K. Modelling of carbon dioxide absortion in aqueous solutions of AMP and MDEA and their blends using Aspen Plus, 29, p , Zheng, L., Furimsky, E. ASPEN simulation of cogeneration plants, 44, p , Kaewsichan, L., et al. Predictions of the solubility of acid gases in monoethanolamine (MEA) and methyldiethanolamine (MDEA) solutions using the electrolyte-uniquac model. Fluid Phase Equilibria, , p , Short Course: Treatment of Gas Generated During Solid Fuels Gasification, Criciúma, Santa Catarina, 2007; Dos Santos, M.Z., Desenvolvimento de uma metodologia de ensaio para determinação da concentração admissível de H 2 S no processo de queima de placas cerâmicas, Relatório de Estágio Supervisionado em Engenharia Química, Unisul, SC, 2011.

23 OBRIGADO! Contatos: e michael.crocetta@satc.edu.br