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Introdução Conversão Termoquímica Tecnologia de Gaseificação
Gaseificação e Pirólise do CarvãoMineral de Candiota
Teoria e Aspectos Tecnológicos
Prof. Rodolfo Rodriguesrodolfo@unipampa.edu.br
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
Introdução Conversão Termoquímica Tecnologia de Gaseificação
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.
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Introdução Conversão Termoquímica Tecnologia de Gaseificação
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.
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Introdução Conversão Termoquímica Tecnologia de Gaseificação
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.
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Introdução Conversão Termoquímica Tecnologia de Gaseificação
Carvão Mineral: Brasil
Tabela 1: Reservas de carvão mineral e produção no Brasil.
Fonte: CPRM (2016).
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Introdução Conversão Termoquímica Tecnologia de Gaseificação
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).
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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).
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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.
Fonte: Rodrigues et al. (2011).
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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.
Fonte: Rodrigues et al. (2011).
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Indústria Carboquímica
Figura 4: Indústria Petroquímica. Processo de refino de óleo cru até os produtos finais.Fonte: TOTAL (2011).
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Indústria Carboquímica
Figura 5: Indústria Carboquímica. Sistema conceitual baseado em gaseificação.Fonte: NETL (2016). Gasifipedia.
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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.
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Conversão Termoquímica
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.
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Conversão Termoquímica
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).
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Conversão Termoquímica
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).
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Conversão Termoquímica
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.
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Conversão Termoquímica
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.
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Conversão Termoquímica
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.
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.
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Conversão Termoquímica
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.
Gás combustível ou “gás de síntese” (syngas) constituídopor uma mistura de:
H2, hidrocarbonetos,CO2, CO,carbono sólido residual,compostos condensáveis evapor d’água.
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Conversão Termoquímica
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.
Os agentes gaseificantes mais comuns são:ar,oxigênio evapor d’água.
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Conversão Termoquímica
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.
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Conversão Termoquímica
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.
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Tecnologia de Gaseificação
Figura 8: Representação geral de um processo de gaseificação.
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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).
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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).
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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.
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Processo de Gaseificação
Fenomenologia do Processo
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.
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Processo de Gaseificação
Fenomenologia do Processo
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
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Processo de Gaseificação
Fenomenologia do Processo
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
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Processo de Gaseificação
Fenomenologia do Processo
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
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Processo de Gaseificação
Figura 11: Representação esquemática dos subprocessos que ocorrem na gaseificaçãode um combustível CHxOy seco.
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Processo de Gaseificação
Figura 12: Representação esquemática dos subprocessos que ocorrem em umgaseificador de biomassa.
Fonte: Adaptado de Gómez-Barea e Leckner (2010). Prog. Energy Combust. Sci.
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Processo de Gaseificação
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.
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Processo de Gaseificação
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.
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Processo de Gaseificação
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).
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Processo de Gaseificação
Tabela 2: Comparativo das 3 configurações básicas de gaseificadores: leito fixo (oumóvel), leito fluidizado e leito de arraste.
Fonte: Higman e van der Burgt (2008).
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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).
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Processo de Gaseificação
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).
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Processo de Gaseificação
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.
Fonte: Higman e van der Burgt (2008).
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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).
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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).
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Processo de Gaseificação
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).
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Processo de Gaseificação
Figura 20: Gaseificadores de leito arraste com alimentação superior e perfis detemperaturas.
Fonte: adaptado de Higman e van der Burgt (2008).
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Processo de Gaseificação
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).
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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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