Gaseificação e Pirólise do Carvão Mineral de Candiota

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1 Gaseificação e Pirólise do Carvão Mineral de Candiota Teoria e Aspectos Tecnológicos Prof. rodolfo@unipampa.edu.br Ciclo de Palestras Tecnologias em Energia e Carboquímica Grupo de Pesquisa em Energia e Carboquímica (GPEC) 31 de março de 2017 Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 1 / 43

2 Carvão Mineral: Brasil As reservas de carvão mineral do Brasil são de 31,7 bilhões ton 61,8 bilhões de BOE *, que irão durar mais de 100 anos. * Assumindo: 1 BOE (barril de equivalente de petróleo) = 6,1 GJ e 1 kg carvão mineral = kcal Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 2 / 43

3 Carvão Mineral: Brasil As reservas de carvão mineral do Brasil são de 31,7 bilhões ton 61,8 bilhões de BOE *, que irão durar mais de 100 anos. * Assumindo: 1 BOE (barril de equivalente de petróleo) = 6,1 GJ e 1 kg carvão mineral = kcal As reservas de petróleo do Brasil são de 13,1 bilhões de BOE, que irão durar menos de 20 anos. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 2 / 43

4 Carvão Mineral: Brasil As reservas de carvão mineral do Brasil são de 31,7 bilhões ton 61,8 bilhões de BOE *, que irão durar mais de 100 anos. * Assumindo: 1 BOE (barril de equivalente de petróleo) = 6,1 GJ e 1 kg carvão mineral = kcal As reservas de petróleo do Brasil são de 13,1 bilhões de BOE, que irão durar menos de 20 anos. 90,1% das reservas de carvão mineral estão no estado do Rio Grande do Sul sendo que 42,9% estão na minas de Candiota. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 2 / 43

5 Carvão Mineral: Brasil Tabela 1: Reservas de carvão mineral e produção no Brasil. Fonte: CPRM (2016). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 3 / 43

6 Carvão Mineral: Mundo Para algumas nações como a China e a Índia, o carvão corresponde a mais de 70% da geração elétrica (WCA, 2012). O carvão responde por 30,1% da demanda de energia do mundo e gera mais de 40% da eletricidade (WCA, 2012). No Brasil, corresponde a 5,6% da demanda de energia e gera 2,6% da eletricidade (EPE, 2014). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 4 / 43

7 Planilha1 Análise Imediata (%p, b.s.) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Cinzas Carbono fixo Matéria volátil 30% 20% 10% 0% Casca de coco-da-baía Bagaço de cana Apara de couro Casca de arroz Madeira em geral Palha de cana Carvão mineral Figura 1: Comparativo da análise imediata (%p, b.s.) do carvão mineral e 6 diferentes fontes de biomassa. Página 2 Fonte: Rodrigues et al. (2011). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 5 / 43

8 Análise Imediata (%p, b.s.) Umidade (%p, b.u.) Planilha1 Poder Calorífico (kj/kg, b.s.) Planilha1 Carvão mineral Carvão mineral Apara de couro Apara de couro Palha de cana Palha de cana Bagaço de cana Bagaço de cana Madeira em geral Madeira em geral Casca de coco-da-baía Casca de coco-da-baía Casca de arroz Casca de arroz % (b.u.) kj/kg (b.s.) Figura 2: Comparativo da análise imediata (%p, b.s.) do carvão mineral e 6 diferentes fontes de biomassa. Fonte: Rodrigues et al. (2011). Página 4 Ciclo de Palestras Página 5em Energia e Carboquímica Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 6 / 43

9 Análise Elementar (%p, d.a.f.) Planilha1 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Cl S O N H C 20% 10% 0% Casca de coco-da-baía Bagaço de cana Apara de couro Casca de arroz Madeira em geral Palha de cana Carvão mineral Figura 3: Comparativo da análise elementar (%p, d.a.f.) do carvão mineral e 6 diferentes fontes de biomassa. Fonte: Rodrigues et al. (2011). Página 3 Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 7 / 43

10 Indústria Carboquímica Figura 4: Indústria Petroquímica. Processo de refino de óleo cru até os produtos finais. Fonte: TOTAL (2011). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 8 / 43

11 Indústria Carboquímica Figura 5: Indústria Carboquímica. Sistema conceitual baseado em gaseificação. Fonte: NETL (2016). Gasifipedia. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 9 / 43

12 Conversão Termoquímica A conversão termoquímica modifica a estrutura química de uma carga carbonosa através de altas temperaturas. De acordo com a presença ou não de um agente de gaseificação, os processos de conversão termoquímica podem 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. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 10 / 43

13 Conversão Termoquímica A combustão é um processo exotérmico e tem como objetivo principal a geração de calor; Já a gaseificação é um processo endotérmico e tem como objetivo principal a geração de um gás com algum poder calorífico; E a pirólise também é um processo endotérmico mas seu objetivo principal é a geração de um líquido. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 11 / 43

14 Conversão Termoquímica Figura 6: Temperatura e composição dos produtos da conversão termoquímica de madeira (CH 1,4 O 0,6 ) para diferentes frações de O 2 e ar admitidos. Fonte: Reed e Das (1998). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 12 / 43

15 Conversão Termoquímica Figura 7: Energia no sólido e no gás produzidos na conversão termoquímica de madeira (CH 1,4 O 0,6 ) para diferentes frações de O 2 e ar admitidos. Fonte: Reed e Das (1998). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 13 / 43

16 Conversão Termoquímica O que é Gaseificação? É um processo de conversão termoquímica de uma carga carbonosa em uma mistura gasosa pela ação de calor e de um agente gaseificante. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 14 / 43

17 Conversão Termoquímica O que é Gaseificação? É um processo de conversão termoquímica de uma carga carbonosa em uma mistura gasosa pela ação de calor e de um agente gaseificante. A conversão termoquímica envolve reações de: Devolatilização, Oxidação e Redução a temperaturas relativamente altas. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 15 / 43

18 Conversão Termoquímica O que é Gaseificação? É um processo de conversão termoquímica de uma carga carbonosa em uma mistura gasosa pela ação de calor e de um agente gaseificante. Geralmente as cargas carbonosas são: carvão mineral: combustível sólido de origem fóssil e biomassa: combustível derivado de organismos vivos recentes. resíduo: subprodutos de processos industriais ou de atividades humanas. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 16 / 43

19 Conversão Termoquímica O que é Gaseificação? É um processo de conversão termoquímica de uma carga carbonosa em uma mistura gasosa pela ação de calor e de um agente gaseificante. Gás combustível ou gás de síntese (syngas) constituído por uma mistura de: H 2, hidrocarbonetos, CO 2, CO, carbono sólido residual, compostos condensáveis e vapor d água. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 17 / 43

20 Conversão Termoquímica O que é Gaseificação? É um processo de conversão termoquímica de uma carga carbonosa em uma mistura gasosa pela ação de calor e de um agente gaseificante. Os agentes gaseificantes mais comuns são: ar, oxigênio e vapor d água. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 18 / 43

21 Conversão Termoquímica Gaseificação Incineração (Combustão) Enquanto o objetivo da incineração é destruir a carga e produzir calor, o objetivo da gaseificação é obter um gás combustível a partir da carga. Os produtos principais da incineração são CO 2 e H 2 O e os produtos principais da gaseificação são CH 4, CO e H 2. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 19 / 43

22 Conversão Termoquímica Por que usar a Gaseificação? 1 É a tecnologia mais limpa para processamento de carvão mineral. Possui a menor geração de SO x, NO x, resíduos sólidos e efluentes líquidos; 2 É uma tecnologia já bem consolidada com múltiplos fornecedores; 3 Flexibilidade de aceitar diversos combustíveis; 4 Flexibilidade de gerar diversos produtos e aplicações. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 20 / 43

23 Tecnologia de Gaseificação Figura 8: Representação geral de um processo de gaseificação. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 21 / 43

24 Pós-Processamento TREATED GAS MECHANICAL LEAN SOLUTION FILTER COOLER ACID GAS CONDENSER ACID GAS TO SRU MAKE UP WATER LEAN SOLUTION PUMP REFLUX PUMP ABSORBER STRIPPER RAW SYNGAS RECYCLE COMPRESSOR STEAM REBOILER HYDRAULIC TURBINE FLASH DRUM RICH/LEAN EXCHANGER Figura 9: Fluxograma do processo Selexol para remoção seletiva de H 2 S. Tecnologia AGR (Acid Gas Removal). Característica: agente absorvente DMPEG (dimetiléter de polietilenoglicol) e 99+% de remoção de S. Fonte: Higman e van der Burgt (2008). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 22 / 43

25 Pós-Processamento AMMONIA NH 3 UREA CO 2 FORMAL- DEHYDE RESINS METHANOL MTBE COAL LIQUID RESIDUES CARBON MONOXIDE HYDROGEN ACETIC ACID PHOSGENE POLY- URETHANE NATURAL GAS GASIFICATION OXO ALCOHOLS DETERGENTS, PLASTICIZERS BIOMASS FISCHER- TROPSCH FUELS, WAXES, OTHERS WASTE SNG TOWN GAS REDUCTION GAS METALS GAS TURBINES ELECTRIC POWER Figura 10: Aplicações do syngas. Fonte: Higman e van der Burgt (2008). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 23 / 43

26 Processo de Gaseificação Fenomenologia do Processo Os fenômenos de transferência em conjunto com reações químicas permitem identificar subprocessos ao longo do reator: 1 Secagem, 2 Devolatilização (Pirólise), 3 Oxidação (Combustão) e 4 Redução (Gaseificação). Esses subprocessos podem ser observados como zonas teóricas ao longo do reator. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 24 / 43

27 Processo de Gaseificação Fenomenologia do Processo Nas zonas de secagem e devolatilização (pirólise), a carga sofre decomposição térmica liberando água, matéria volátil e sólido residual. Esses componentes formados são oxidados na zona de oxidação liberando uma grande quantidade de energia. As reações de redução ocorrem na zona de redução para produzir o syngas pelo uso da energia liberada através de reações endotérmicas. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 25 / 43

28 Processo de Gaseificação Fenomenologia do Processo Secagem (evaporação da umidade) é um processo endotérmico e os fenômenos de transporte da umidade incluem: 1 Convecção e difusão de vapor d água e convecção de água capilar nos poros da partícula e 2 Difusão da água superficial na partícula. Devolatilização (pirólise) envolve reações primárias que decompõem a carga sólida em voláteis e carbono residual e reações secundárias que os convertem em gases mais leves. carga voláteis + carbono residual Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 26 / 43

29 Processo de Gaseificação Fenomenologia do Processo Oxidação (combustão) converte espécies oriundas da devolatilização a CO 2 e H 2 O liberando uma quantidade considerável de energia. C x H y + ( x y) O 2 xco yh 2O βc + O 2 2 (β 1) CO + (2 β) CO 2 Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 27 / 43

30 Processo de Gaseificação Fenomenologia do Processo Redução (gaseificação) ocorre em uma condição de oxigênio escasso através de reações de redução devido a grande quantidade liberada de calor na zona de oxidação. C + H 2 O CO + H 2 C + CO 2 2CO C + 2H 2 CH 4 CH 4 + CO 2 2CO + 2H 2 CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 CO + H 2 O CO 2 + H 2 H r = +131 kj/mol H r = +172 kj/mol H r = 75 kj/mol H r = +124 kj/mol H r = +205 kj/mol H r = 41 kj/mol Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 28 / 43

31 Processo de Gaseificação Figura 11: Representação esquemática dos subprocessos que ocorrem na gaseificação de um combustível CH x O y seco. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 29 / 43

32 Processo de Gaseificação Figura 12: Representação esquemática dos subprocessos que ocorrem em um gaseificador de biomassa. Fonte: Adaptado de Gómez-Barea e Leckner (2010). Prog. Energy Combust. Sci. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 30 / 43

33 Processo de Gaseificação Gaseificadores O reator químico onde ocorre o processo de gaseificação é chamado de gaseificador. Os gaseificadores são classificados em 3 configurações básicas: 1 Leito fixo ou móvel, 2 Leito fluidizado e 3 Leito de arraste. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 31 / 43

34 Processo de Gaseificação Gaseificadores Estas configurações apresentam variações de acordo com o fluxo ou interações entre as fases: 1 Leito fixo contracorrente, 2 Leito fixo cocorrente, 3 Leito fluidizado borbulhante e 4 Leito fluidizado circulante. Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 32 / 43

35 Processo de Gaseificação Fixo cocorrente Fixo contracorrente Fluidizado borbulhante Fluidizado circulante Fluidizado pressurizado 1 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW Capacidade Figura 13: Escala de aplicação de tecnologias de gaseificação de biomassa para cogeração de energia. Fonte: adaptado de Larson (1998). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 33 / 43

36 Processo de Gaseificação Tabela 2: Comparativo das 3 configurações básicas de gaseificadores: leito fixo (ou móvel), leito fluidizado e leito de arraste. Fonte: Higman e van der Burgt (2008). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 34 / 43

37 Processo de Gaseificação Figura 14: Gaseificadores de leito fixo contracorrente (esquerda) e cocorrente (direita) com identificação das respectivas zonas reacionais. Fonte: adaptado de Belgiorno et al (2003). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 35 / 43

38 Processo de Gaseificação Figura 15: Gaseificador de carvão mineral em leito fixo contracorrente (esquerda) e respectivos perfis de temperaturas (centro) e de composição acumulada (direita). Fonte: adaptado de Higman e van der Burgt (2008). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 36 / 43

39 Processo de Gaseificação COAL FEED LOCK EXPANSION GAS LP STEAM BFW LOCK PRESSURIZING GAS BFW WASH COOLER SYNGAS COOLER BFW PREHEATER STEAM OXYGEN GASIFIER C.W. RAW SYNGAS ASH LOCK GAS LIQUOR ASH ASH WATER GAS LIQUOR BFW GAS LIQUOR Figura 16: Fluxograma do processo de gaseificação Lurgi. Características do reator: 3 5 m de diâmetro, 6 16 m de altura e t/dia de carvão mineral. Fonte: Higman e van der Burgt (2008). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 37 / 43

40 Processo de Gaseificação Figura 17: Gaseificadores de leito fluidizado borbulhante (esquerda) e circulante (direita) com identificação das respectivas zonas reacionais. Fonte: adaptado de Belgiorno et al (2003). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 38 / 43

41 Processo de Gaseificação Figura 18: Gaseificador de carvão mineral em leito fluidizado borbulhante (esquerda) e respectivos perfis de temperaturas (direita). Fonte: adaptado de Higman e van der Burgt (2008). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 39 / 43

42 Processo de Gaseificação Dried coal Coal bunker Rotary feeder N2/CO2 Air Natural gas N2/CO2 N2/CO2 Feed filter Quench water Feeder vessel Free board Rotary metering feeder Gravity pipe Fluidized bed Preheat burner Cooling screws Lockhopper Lockhopper Gasifier Cyclone Inert gas (nitrogen) IP steam Oxygen (preheated) Warm gas filter HP steam HP boiler feed water Fly ash Water scrubber IP boiler feed water Raw gas Process condensate cycle Bottom ash Figura 19: Fluxograma do processo de gaseificação Winkler de alta temperatura (HTW) para carvão mineral. Fonte: Gräbner (2014). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 40 / 43

43 Processo de Gaseificação Figura 20: Gaseificadores de leito arraste com alimentação superior e perfis de temperaturas. Fonte: adaptado de Higman e van der Burgt (2008). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 41 / 43

44 Processo de Gaseificação Pilot burner fuel Pulverized coal Steam Oxygen LP steam Demineralized water Gasifier Steam drum Bunker Cooling Nitrogen/CO2 screen LP boiler Product gas feed water Partial Lock- IP cycle Venturi Condenser hopper water scrubbers Feeder vessel Spray quench Quench water Buffer vessel Condensate Nitrogen/CO2 Raw gas Off gas Excess water Black water treatment Effluent water Slag crusher Slag conveyor Filter cake Slag hopper Granulated slag Figura 21: Gaseificador Siemens pressurizado de 500MW. Características: 3,5 m de diâmetro, 18 m de altura e 1600 t/dia de carvão mineral. Fonte: Gräbner (2014). Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 42 / 43

45 Prof a Ana Rosa Costa Muniz Aspectos Experimentais e Resultados: Gaseificação do Carvão Mineral de Candiota Pirólise do Carvão Mineral de Candiota Gaseificação e Pirólise de Carvão Mineral 43 / 43