MODELAGEM, SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE LIMPEZA DE GASES ÁCIDOS PROVENIENTES DA GASIFICAÇÃO DE CARVÃO MINERAL

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Izabel Domingos Carlos
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2 MODELAGEM, SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE LIMPEZA DE GASES ÁCIDOS PROVENIENTES DA GASIFICAÇÃO DE CARVÃO MINERAL Thiago Fernandes de Aquino, Daniel Augusto Kestering, Flavio Michels Bianchi, Giovana Dalpont Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina (SATC) - Centro Tecnológico de Carvão Limpo (CTCL) PROJETO SATC/FINEP: GASEIFICAÇÃO DE CARVÕES BRASILEIROS VIABILIDADE TÉCNICA, ECONÔMICA E AMBIENTAL 23 de Agosto de

Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina (SATC) - Centro Tecnológico de Carvão Limpo (CTCL)

3 INTRODUÇÃO Gás sulfídrico é um dos principais causadores de corrosão em equipamentos industriais; Emissão de SO 2 após combustão; 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;

limpeza de gases; Utilização do gás de baixo poder calorífico em fornos cerâmicos;

4 OBJETIVO Este trabalho tem como foco levantar os custos mínimos de implantação e de processo que atendam as especificações de concentração do gás sulfídrico na corrente de gases que deixa um gasificador operando com carvão mineral e se destina a queima em fornos cerâmicos.

concentração do gás sulfídrico na corrente de gases que deixa um

5 INTRODUÇÃO MDEA Shell, GE, Exxon e Petrobras; 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); Faixa de temperatura usual para o solvente no absorber: 26 a 52 C; Faixa de temperatura usual para o solvente na regeneração: 115 a 120 C; Pressão: flexível; Temperatura do gás: 15 a 48 C; A quantidade exata de H 2 S e CO 2 dependerá das condições operacionais;

usual para o solvente no absorber: 26 a 52 C; Faixa de temperatura usual para o solvente na regeneração: 115 a 120 C;

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. 6

absorção para a remoção de gases ácidos indesejáveis.

7 MODELAGEM EMPREGANDO SISTEMAS COM ELETRÓLITOS 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 H3O CO3 2

(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

8 METODOLOGIA Fluxograma do processo de Remoção de Gases Ácidos utilizando Aspen Plus Legenda dos Blocos: MDEA-ABS coluna de absorção; MDEA-STR coluna de regeneração; SOL-PUMP bomba; ABS-COMP compressor; ABS-HX/L-R-HXC/L-R-HXH/ABS-HX/LEAN-HX trocadores de calor.

absorção; MDEA-STR coluna de regeneração; SOL-PUMP bomba;

9 METODOLOGIA VARIÁVEIS AVALIADAS NA SIMULAÇÃO Pureza do Gás de Síntese (CLEAN-SG) [H 2 S] max = 1386ppm Concentração da Solução de MDEA = (~ 50% em massa) Carregamento de Gás na Corrente de Solvente lean loading = nh 2S + nhs + ns = nmdea + nmdea + Trocador de Calor Lean Rich Diâmetro e Empacotamento da Coluna

massa) Carregamento de Gás na Corrente de Solvente lean loading = nh 2S + nhs

10 METODOLOGIA Composição do gás de baixo poder calorífico Componentes H 2 O CO 2 CO H 2 H 2 S N 2 CH 4 % (molar) 4,2 10,5 18,91 12,6 1,7* 49,5 2,5 *Calculado por balanço de massa considerando que todo o enxofre presente no carvão é convertido em H 2 S. A vazão de gás de síntese calculada baseada nos resultados de simulação no software Multyphase Flow for Interface exchange (MFIX) foi de 1200 kg/h. A composição do gás utilizada nas simulações foi fornecida pela companhia Cecrisa Revestimentos Cerâmicos S.A.

A vazão de gás de síntese calculada baseada nos resultados de simulação no software Multyphase Flow for Interface exchange

11 METODOLOGIA INTERFACE DE SIMULAÇÃO INTERFACE DE CONTROLE SIMULAÇÃO ASPEN PLUS OTIMIZAÇÃO modefrontier

12 METODOLOGIA OTIMIZAÇÃO Realizada usando um algoritmo chamado SIMPLEX, disponível no software modefrontier 4.4.1; Uma população de 27 projetos foi gerada; Faixa de otimização para as variáveis de processo Variável Faixa Carregamento Lean 0,0030-0,0044 Altura Empacotada para Coluna de Absorção Altura empacotada da coluna de regeneração 4,0-6,0m 3,0-5,0m

4.1; Uma população de 27 projetos foi gerada; Faixa de otimização para as variáveis de

13 RESULTADOS DA OTIMIZAÇÃO Histórico de otimização para a função de custo anual O melhor resultado obtido para o custo anual foi de USD$ 340,611/ano

14 RESULTADOS DA OTIMIZAÇÃO Verificação em 4D (Bolhas) do custo anual em função da variáveis otimizadas

15 CONCLUSÕES É possível tecnicamente tornar o gás de síntese apto para queima em fornos da indústria cerâmica em substituição ao gás natural; Número limitado de variáveis de processo para as características específicas do modelo; Do ponto de vista econômico, faz-se necessário levantar os custos com equipamentos e de processos considerando a produção e venda do gás combustível de baixo poder calorífico; Valores de equipamentos e solvente precisam ser atualizados para a realidade comercial brasileira;

econômico, faz-se necessário levantar os custos com equipamentos e de processos considerando a produção e venda do gás

16 TRABALHOS FUTUROS Fluxograma de processos da gasificação em LFC utilizando o Aspen Plus

17 AGRADECIMENTOS 17

18 OBRIGADO! 18

19 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 , Bolhàr-Nordenkamp, M., Friedl, A., Koss, U., Tork, T., Modeling Selective H 2 S absorption and Desorption in an Aqueous MDEA- Solution Using Rate Based non-equilibrium approach, Chemical Engineering and Processing 43, pp (2004). Seider, W. D., Seader J.D., Lewin D. R., Product and process design principles: synthesis, analysis, and evaluation. 3. ed New York, US: Wiley, SEMA - Secretaria do Meio Ambiente e Recursos Hídricos, Governo do Paraná. Resolução n 054/06. Padrões de Emissão Atmosférica para Fontes Estacionárias, 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 , Navaza, J.M., Gomez-Diaz, D., La Rubia, M.D. Removal process of CO 2 using MDEA aqueous solutions in a bubble column reactor. Chemical Engineering Journal, 146, p , Eslick, J.C. and D.C. Miller. Multi-objective optimization of cost, water use, and heat rate for retrofitting a CO 2 capture process to an existing pulverized coal power plant. Computers and Chemical Engineering. 35 (2011) Deb, K., Pratap, A., Agarwal, S., & Meyarivan, T. (2002). A fast and elitist multi-objective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 6(2),

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. 31-43, 2001. Alfada, H.E., Al-Musleh, E.

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