ALTERNATIVAS SUSTENTÁVEIS PARA O USO DO CARVÃO

MINERAL EM LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE:

DESSULFURAÇÃO IN SITU E OXICOMBUSTÃO

Gabriel Meneghetti Faé Gomes – gabriel-gomes@cientec.rs.gov.br

Fundação de Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul (CIENTEC)

Av. das Indústria, 2270

CEP: 94930-230 – Cachoeirinha – Rio Grande do Sul

Leandro Dalla Zen – dallazen@cientec.rs.gov.br

Fundação de Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul (CIENTEC)

Eduardo Kotz Bard – eduardo-bard@cientec.rs.gov.br

Fundação de Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Sul (CIENTEC)

Caterina Philippsen – catigp@yahoo.com

Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

Resumo: O Brasil vive, nos últimos anos, uma situação de desenvolvimento econômico e crescimento

industrial não acompanhada por uma oferta de energia confiável. Ao mesmo tempo, a Região Sul do

Brasil, e, especialmente o Rio Grande do Sul, possui uma enorme reserva de carvão mineral que

ainda pouco contribui na oferta de energia no país. Neste sentido, este trabalho apresenta um estudo

experimental para o uso de dois tipos de carvão mineral em uma planta piloto de 250 kWt em leito

fluidizado borbulhante. Duas diferentes alternativas tecnológicas que estão na direção de uma maior

sustentabilidade na combustão do carvão mineral são apresentadas: dessulfuração em situ e

oxicombustão. Foram utilizados como combustível dois tipos de carvão mineral Leão, sendo estes

rejeitos do seu beneficiamento. Temperaturas em torno de 860°C no leito foram empregadas para

ambos os processos. A dessulfuração realizada no leito fluidizado, com a utilização de um calcário

oriundo também do Rio Grande do Sul, conseguiu atingir uma conversão de até 67,3% de SO2 com

uma velocidade de ar de 0,9 m/s na fluidização. Quanto à oxicombustão, o ajuste dos parâmetros

operacionais proporcionou uma concentração de CO2 de 69,5% em massa nos gases de combustão e

menores velocidades de fluidização, em comparação com a fluidização com ar atmosférico, foi

necessária.

Palavras-chave: carvão mineral, leito fluidizado, combustão, oxicombustão, dessulfuração

Abstract: Brazil is a country that, nowadays, passes through a situation of industrial and

economic development which is not accompanied by a reliable energy offer. At the same time,

Brazilian South Region and, especially, the Federative State of Rio Grande do Sul, has huge

coal resources that has not had considerable contribution at the energy matrix until now. In

this sense, this work presents an experimental study for the use of two brazilian coals in a 250

kWth pilot plant on bubbling fluidized bed. Two technological alternatives were used in the

way of a better sustainable coal use: in situ desulfurization and oxyfuel combustion. The

coals used were generated as wastes of its beneficiation. From the desulfurization realized,

by the use of a Brazilian limestone, a SO2 conversion to CaSO4 of 67,3% was observed with

the use of superficial velocity of 0,9 m/s. Concerning oxyfuel combustion, the adjustment of

the operational parameters provided the achievement of a CO2 concentration of 69,5 wt.%

and lower fluidization velocities when compared with air combustion.

Keywords: coal, fluidized bed, combustion, oxyfuel, desulfurization

1. INTRODUÇÃO

No atual momento, a utilização de combustíveis fósseis na geração de energia primária é

dominante, compreendendo cerca de 85% de toda a demanda mundial. Até que fontes auxiliares de

produção de energia, como a energia nuclear ou de fontes renováveis, estejam em uma situação

confiável para a produção de significativas quantidades de energia, os combustíveis fósseis

continuarão a desempenhar o papel mais importante (BUHRE et al., 2005). Em face de tal situação,

processos alternativos para a geração de energia a partir da combustão de combustíveis fósseis

necessitam de uma maior investigação, visando à minimização de alguns dos seus gases gerados ou

emissões, como o CO2 e o SO2.

Dentro das possibilidades de combustíveis fósseis, a participação do carvão mineral na

matriz energética brasileira sempre foi muito pequena. Em 2005, na oferta total de energia primária, o

carvão mineral representou apenas 6,4% e, na produção de eletricidade, essa participação foi ainda

menor, de 1,6%. No entanto, em face da perspectiva de dificuldades no aproveitamento dos recursos

hidrelétricos ainda disponíveis no país, aumentaram as atenções para uma possível expansão do uso do

carvão, principalmente dentro da perspectiva de longo prazo (BRASIL, 2006). Como exemplo, mesmo

aumentando em 120.000 MW a geração hidrelétrica, não será suficiente para suportar o aumento da

demanda. Também deve ser levada em consideração a disponibilidade das reservas de carvão mineral

– os níveis de produção atuais garantem o consumo mundial por mais de 160 anos – e o baixo custo do

carvão em comparação com os demais combustíveis fósseis. De qualquer maneira, para suprir a

demanda prevista, deverá haver, necessariamente, uma expansão da contribuição do carvão na matriz

energética brasileira. Esta expansão deverá ocorrer tanto em relação à termoeletricidade quanto ao

calor para processos industriais, de aproximadamente 700.000 t/ano em 2005 para 3.300.000 t/ano em

2030 (BRASIL, 2006). Dentro desta expansão, a tecnologia de leito fluidizado é a que se demonstra

como a mais aplicável em função das características do carvão mineral nacional, tanto para grandes

quanto para pequenas centrais termelétricas.

Nesta perspectiva, cabe considerar que a conversão de combustíveis fósseis via

combustão tem gerado, desde o início de sua utilização, um aumento da concentração de alguns

componentes indesejáveis na atmosfera, principalmente dióxido de carbono – CO2, óxidos de enxofre

– SOx e materiais particulados. Devido a isso, discussões e preocupações referentes à ação desses

compostos na atmosfera e no clima, tanto processos alternativos para a geração de energia a partir da

combustão de combustíveis fósseis têm evoluído tecnologicamente, quanto a redução ou compensação

da geração de CO2 (via tecnologias de captura de CO2 e/ou uso de biomassas puras ou blendadas com

carvão mineral), ou mesmo operações para tratamento de emissões, especialmente de SO2.

Neste sentido, é importante salientar a informação do 4° Report do International Panel

on Climate Change (IPCC, 2007), o qual mostra que a emissão de gases de efeito estufa devido às

atividades humanas, dentre eles o CO2, aumentou em 70% entre 1970 e 2004. O CO2, especificamente,

aumentou em 80% no mesmo período. Quanto às emissões de óxidos de enxofre, principalmente o

dióxido de enxofre – SO2, é esperado que os limites de emissões estabelecidos pelos órgãos

ambientais venham a sofrer uma considerável diminuição nos próximos anos. Tais diminuições terão

consequências diretas nos custos de operações de usinas termelétricas e plantas industriais que

utilizam carvão mineral, uma vez que o enxofre é um importante elemento constituinte dos carvões

brasileiros, chegando até valores de 7% na sua análise elementar.

Com relação à emissão de SO2 deve-se considerar a combustão em leito fluidizado, que é,

hoje, uma tecnologia consolidada e adaptável a distintas situações locais de características de

combustível, como o elevado teor de cinzas do carvão mineral nacional, e passível de proporcionar

uma adequada redução de compostos de enxofre. A grande vantagem do abatimento do SO2 via

utilização da tecnologia de leito fluidizado vem a ser a possibilidade de alimentação de compostos que

reagem com o SO2 dentro do leito, no momento da sua geração (FAÉ GOMES & DALLA ZEN,

2012), como a dessulfuração in situ. Consequentemente, há uma menor necessidade quanto aos

requisitos de dimensionamento dos equipamentos posteriores de abatimento de SO2.

O objetivo da dessulfuração in situ em leito fluidizado é, pela injeção de calcário, e partir

da calcinação do CaCO3 presente no mesmo, converter o máximo de SO2 a CaSO4 pela sua reação

com o CaO calcinado. No entanto, a reação de sulfatação está longe de ser quantitativa. Tipicamente,

uma conversão de 30 a 40% do CaO é obtida e excessos de Ca, por razões molares Ca/S de 2 a 3 são

utilizadas, o que vem a ser uma das limitações desta tecnologia (ANTHONY & GRANATSTEIN,

2001).

Mais ainda, apesar desta ser considerada uma tecnologia madura, há certas dependências,

entre as propriedades do calcário utilizado e o tipo de carvão utilizado além das condições

fluidodinâmicas e a conversão de SO2 que ainda merecem estudos e esclarecimentos (ALTINDAG et

al., 2004).

Considerando o contexto relativo à geração de CO2, no momento, existem três principais

tecnologias para a sua captura, as quais configuram processos ambientalmente mais favoráveis de

produção de energia termelétrica: captura na pré-combustão, captura na pós-combustão e na

oxicombustão. Os gases produzidos em plantas que utilizam tecnologias convencionais são

caracterizados pela baixa concentração de dióxido de carbono devido à presença do nitrogênio

presente no ar. A recuperação do dióxido de carbono diluído nestes gases acarreta altas penalizações

energéticas – o uso da tecnologia de oxicombustão evita esta penalização (RUBIERA et al., 2008).

Entretanto, outras penalizações energéticas surgem na utilização da referida tecnologia.

A tecnologia de oxicombustão, especificamente, consiste da utilização de oxigênio no

lugar de ar atmosférico para a combustão de um combustível fóssil. Uma vez que o nitrogênio do ar é

eliminado do gás de alimentação, o gás de combustão é altamente enriquecido com CO2 (TAN et al.,

2006). Para a captura do CO2 em forma de gás, é recomendada a compressão do mesmo para a fase

líquida após sucessivas etapas de purificação e, posteriormente, o armazenamento permanente do

mesmo ou a sua utilização industrial. (TAKAMI et al., 2009). O maior custo associado ao processo de

oxicombustão está relacionado à compressão e captura do CO2 (ANDERSSON & JOHNSSON, 2007).

Devido às diferenças de processo quando comparada à combustão com ar atmosférico, a

oxicombustão afeta alguns parâmetros usualmente controlados. Questões fundamentais envolvendo a

razão de reciclagem de gases, ignição, estabilidade de chama, transferência de calor, características de

combustão, e formação e redução de emissões atmosféricas têm sido estudadas e investigadas para

uma maior otimização do processo (SCHEFFKNECHT et al., 2011).

Cabe, também, salientar que a tecnologia de leito fluidizado possui muitas

variáveis descritas por modelos matemáticos, que incluem basicamente fenômenos físicos

(fluidodinâmica) e químicos (cinética química). Estes fenômenos estão interligados,

necessitando de análises mais detalhadas, tais como a influência dos parâmetros que

determinam a dinâmica do escoamento e parâmetros operacionais (taxas de alimentação dos

reagentes – ar e combustível) na taxa de conversão global do reator. A partir do exposto, este trabalho possui como objetivos a apresentação de resultados

experimentais, em planta piloto de leito fluidizado borbulhante, do uso de carvão mineral em duas

soluções tecnológicas mais sustentáveis: dessulfuração in situ e oxicombustão. Para tanto, as

operações com dessulfuração foram planejadas com diferentes condições fluidodinâmicas de maneira

a realizar uma relação das mesmas com a conversão do SO2. As operações em oxicombustão

descrevem o ajuste das condições operacionais da planta piloto utilizada para a obtenção de um gás

rico em CO2.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

O estudo experimental, tanto para a dessulfuração quanto para a oxicombustão, envolveu

o uso de carvão mineral da região de Minas do Leão – RS, ambos rejeitos dos respectivos processos de

beneficiamento. O calcário utilizado também é proveniente do Estado do Rio Grande do Sul.

2.1. Caracterização das materiais

Segue, Tabela 1, a caracterização dos carvões utilizados neste trabalho quanto à sua

análise elementar e poder calorífico inferior (PCI). Salienta-se que o Carvão A foi utilizados nas

operações de dessulfuração e o Carvão B foi utilizado nas operações em oxicombustão.

Tabela 1: Análise elementar dos carvões utilizados.

Carvão A B

C (%) 35,9 51,3

H (%) 2,8 3,4

S (%) 1,3 0,8

N (%) 0,6 0,8

O (%) 5,2 7,4

Cinzas (%) 45,7 28,2

PCI (kcal/kg) 3813,3 5240,3

Segue, na Tabela 2, a caracterização do calcário utilizado quanto aos seus óxidos,

analisado por fluorescência de raios X e a perda ao fogo.

Tabela 2: Caracterização do calcário.

CaO (%) 24,5

SiO2 (%) 23,8

Fe2O3 (%) 1,5

Al2O3 (%) 2,4

MgO (%) 20,0

Na2O (%) 0,01

K2O (%) 2,1

TiO2 (%) 0,1

Perda ao fogo (%) 28,0

2.2 Planta piloto

A Figura 1 mostra a configuração da planta piloto, de 250 kWt, utilizada tanto para as

operações com dessulfuração quanto para as operações em oxicombustão. A capacidade de

alimentação de combustível é de aproximadamente de 70 kg/h de carvão. Esta planta foi adaptada, a

partir da combustão com ar atmosférico para recirculação dos gases de combustão com injeção de

oxigênio. Combustíveis sólidos provenientes dos silos, assim como calcário, com vazões controladas

por roscas dosadoras, são injetados por gravidade por dutos na fornalha, onde ocorre a combustão. Os

gases gerados seguem para um ciclone de material refratário (além de abater parte das cinzas ainda

permite um maior tempo de residência) de onde saem para um trocador de calor, o qual pré-aquece os

gases de combustão. Se a opção é realizar a dessulfuração, após a passagem pelo ciclone 2, os gases

saem pela chaminé. Se a opção é realizar a oxicombustão, os gases, após serem resfriados no trocador

de calor e passarem pelo ciclone 2, dividem-se: parte é liberada para a atmosfera pela chaminé e parte

é recirculada no processo. Os gases de recirculação passam por uma válvula borboleta na saída do

ciclone 2 e seguem pelo sistema de ventilação para recirculação. Uma válvula guilhotina controla a

vazão de gases que são recirculados.

Figura 1: Configuração da planta piloto.

2.3 Dessulfuração

Para a dessulfuração, duas rotas distintas foram consideradas como passíveis de análise, a

partir das calcinação do CaCO3 para a geração de CaO e CO2. As Equações 1 e 2 descrevem a

possibilidade de dessulfuração via Rota 1 (YATES, 1983; ANTHONY & GRANATSTEIN, 2001) e a

Equação 3 descreve a possibilidade de dessulfuração via Rota 2 (SUYADAL et al., 2005).

Rota 1:

CaO + SO2 → CaSO3 (1)

CaSO3 + 1/2O2 → CaSO4 (2)

Rota 2:

CaO + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 (3)

Para a adição de calcário durante a combustão, foram consideradas razões molares

Ca/S de 1,5, 2,0 e 2,5 para duas condições fluidodinâmicas: velocidade de entrada de ar de combustão

de 0,9 e 1,2 m/s. A conversão do SO2 a CaSO4 é dada pela Equação 4:

(4)

Sendo:

ni = número de mols por hora da espécie i que sai do sistema;

ni0 = número de mols por hora da espécie i alimentados no sistema.

2.4 Oxicombustão

As operações da planta em oxicombustão tiveram dois grandes objetivos:

Obter um gás rico em CO2 a partir do ajuste das variáveis de processo estudadas para

carvão mineral e biomassa;

Comparar as condições de processo, composição de gases e vazões de entrada e saída da

combustão e da oxicombustão para uma mesma alimentação de combustível em leito

fluidizado borbulhante a partir do balanço de massa e balanço de energia.

Para tanto, foi realizado um balanço material no reator de maneira a permitir a

comparação da combustão com ar atmosférico e da combustão tradicional. O volume de controle

considerado segue na Figura 2 para os dois processos.

Figura 2: Volume de controle para o balanço material na oxicombustão.

Balanço material

O balanço material do sistema compreende as entradas e saídas de cada espécie

constituinte das diversas correntes, conforme representado na Equação 5 para a combustão com ar

atmosférico e na Equação 6 para a oxicombustão.

cinzasgasesarcomb mmmm....

(5)

cinzasgasesreccomb mmmm....

(6)

Onde mcomb. e mar são as vazões mássicas de entrada no sistema: combustível e ar

atmosférico, respectivamente. Os termos mgases e mcinzas constituem as correntes de saída do sistema:

gases de combustão e cinzas, respectivamente. Pela Equação 6, mrec é a vazão de entrada no sistema

referente aos gases de recirculação.

Aplicando as Equações 5 e 6 aos diferentes constituintes das correntes de entrada e

saída, tem-se as Equações 7 e 8 para a combustão com ar atmosférico e oxicombustão,

respectivamente:

(7)

(8)

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A apresentação dos resultados é dividida para as operações em planta piloto com O

Carvão A e calcário, para dessulfuração, e com o Carvão B, para oxicombustão.

3.1 Dessulfuração

Para as operações com dessulfuração, a combustão foi realizada para duas diferentes

condições de entrada de ar comburente, velocidade superficial, Us, de 0,9 e 1,2 m/s, conforme mostra a

Tabela 3 para as condições 1 e 2, respectivamente. Devido a isso, diferentes alimentações de carvão e,

consequentemente, de ar atmosférico, foram utilizadas de maneira a manter a temperatura do leito

fluidizado em torno de 1123,15 K, que vem a ser a temperatura usualmente empregada na combustão

com leito fluidizado borbulhante. Tais temperaturas são representadas pelos parâmetros T04

(temperatura na entrada do leito) e T05 (temperatura na saída do leito), as quais devem manter-se em

valores próximos, o que confirma as condições desejáveis de mistura, turbulência e fluidização dentro

do leito. Ainda para controle das condições de fluidização, tem-se, na Tabela 3, os valores da queda de

pressão no leito fluidizado, ΔP, que possui valores que caracterizam tais condições dentro da

fluidização borbulhante, devido a medições realizadas anteriormente.

Mais ainda, verifica-se que foi necessária a manutenção de diferentes valores da Razão

Ar/Combustível utilizada nas duas condições, e consequente excesso de ar, para manter a temperatura

em torno de 1123,15 K. Também consequência da Razão Ar/Combustível utilizada vem a ser o tempo

de residência dos gases dentro do leito, tleito, onde ocorrem as reações de combustão e dessulfuração,

principalmente.

Tabela 3: Condições de operação na dessulfuração para o Carvão A.

Condição 1 2

Alimentação

carvão (kg/h)

28,08 42,04

Alimentação ar

(kg/h)

272,6 366,3

Razão

Ar/Combustível

6,5 8,7

Excesso Ar 82% 75%

Us (m/s) 0,9 1,2

tleito (s) 0,44 0,33

T05 (K) 1133,15 1128,15

T04 (K) 1126,15 1129,15

ΔP (mmCA) 4883 4756

P1 (mmCA) 7698 9159

Pf (mmCA) 196 245

CO2 (%) 13,2 13,2

CO (ppm) 120 112

SO2 (ppm) 1084,7 976,2

A Tabela 4 já apresenta os resultados da dessulfuração para as duas velocidades

superficiais utilizadas e diferentes valores da Razão Molar Ca/S, com a alimentação de calcário de

acordo com a alimentação de carvão. A partir dos valores das emissões de SO2 da Tabela 3 e das

concentrações de SO2 obtidas na Tabela 4, é possível determinar a conversão de SO2, conforme

apresentado na Equação 4.

Verifica-se uma leve melhoria da conversão de SO2 com a diminuição da velocidade

superficial utilizada, o que leva a um maior tempo de residência para a reação do SO2 com o CaO

oriundo do calcário.

Tabela 4: Condições da dessulfuração para o Carvão A com Us = 0,9 m /s e 1,2 m/s.

Condição 1 2 3 4 5 6

Us (m/s) Us = 0,9 m/s Us = 1,2 m/s

Razão Molar

Ca/S 1,5 2,0 2,5 1,5 2,0 2,5

Alimentação

Calcário

(kg/h)

3,8 5,0 6,3 6,0 8,1 10,0

SO2 (ppm) 515,3 406,9 319,4 539,7 530,1 381,6

Conversão

SO2 (%) 47,2 58,3 67,3 44,7 54,3 60,9

Na sequência, para uma melhor análise do processo de dessulfuração, as Figuras 3 (a),

(b) e (c) apresentam análises realizadas por difração de raios X das cinzas geradas na Condição 2 da

Tabela 3, Condição da Tabela 4 – Us = 0,9 m/s e Razão Molar Ca/S = 2,0 – e Condição 5 da Tabela 4

– Us = 1,2 m/s e Razão Molar Ca/S = 2,0, respectivamente.

Na Figura 3 (a), os maiores constituintes das cinzas geradas, sem a opção de

dessulfuração são o quartzo (SiO2) e a hematita (Fe2O3), em ordem decrescente. Ainda observa-se a

geração de CaSO4, devido ao enxofre e cálcio já presentes no combustível, mesmo antes da adição de

calcário ao processo.

(a)

(b)

(c)

Figura 3: Difratogramas para as cinzas obtidas das operações da Tabela 4 (a) Sem dessulfuração; (b)

Com dessulfuralção Ca/S 2,0 e Us = 0.9 m/s and (c) Com dessulfuraçãon Ca/S 2,0 e Us = 1.2 m/s

Na Figura 3 (b), quando tem-se a adição de calcário a uma Razão Molar Ca/S de 2,0 e Us

= 0,9 m/s, já tem-se o aparecimento de CaO devido à adição de CaCO3 ao processo e sua consequente

calcinação. Como já descrito na literatura, há a formação, no mecanismo de dessulfuração, de uma

camada de CaSO4 na superfície externa do CaO, devido ao maior volume molar do primeiro, o que

vem a gerar a necessidade de uma elevados valores de excesso de Ca em comparação com a proporção

estequiométrica de S, como mostram os valores utilizados da Tabela 4.

A Figura 3 (b) apresentou a presença de MgO e CaMgCO3 nas cinzas, ambos

provenientes do calcário. Além disso, cabe comentar a presença de MgO e CaMgSiO4 nas cinzas da

Figura 3 (c), sendo o primeiro oriundo da composição do calcário e o segundo a partir dos

mecanismos de reação que ocorrem no leito. Importante salientar, também, na mesma figura, a

presença de CaSO3 na mesma cinza. Como houve um excesso de ar utilizado elevado nesta condição –

82% – não seria a deficiência de O2 a causa para a formação de sulfito, também, com o enxofre em um

número de oxidação menor. Se observamos a Rota 1 para o mecanismo de dessulfuração, conforme

descrito pelas Equações 1 e 2, e considerando que, nesta condição, foi utilizada uma maior velocidade

superficial, sugere-se que o menor tempo de residência dos gases no leito para ocorrer as duas reações

em série desta rota fez com que houvesse uma menor conversão de SO2 a CaSO4, conforme também

evidenciado na Tabela 4.

Com isso, verifica-se que, para o leito fluidizado borbulhante, nas condições de operação

realizadas, a Rota 1 aparece mais adequada para a descrição do mecanismo de dessulfuração. Como a

mesma ocorre em duas reações em série, o tempo de residência e as condições fluidodinâmicas são

fundamentais para o aumento da conversão de SO2.

3.2 Oxicombustão

Antes de iniciar o procedimento para recirculação dos gases para passagem do sistema a

oxicombustão, foram realizadas operações com ar atmosférico de maneira a determinar condições para

comparação posterior com a modificação do processo. Para a alimentação de combustível realizada, o

processo foi estabilizado em uma temperatura em torno de 1173,15 K no leito fluidizado (T04 –

abaixo do leito e T05 – acima do leito). O objetivo de tais operações foi a obtenção de dados da

combustão tradicional. A Tabela 5 mostra as condições do processo já em estado estacionário.

Na Tabela 5, mcomb refere-se à alimentação de carvão, o parâmetro m0

ar refere-se à massa

de ar estequiométrico utilizada, o parâmetro ΔPleito refere-se à perda de pressão no leito, que vem a ser

controlada para verificação da continuidade das condições de fluidização, e Pf é a pressão na área de

freeboard do leito, a Razão AC (Ar/Combustível) expressa o quociente entre a vazão mássica de ar

utilizada e a alimentação de combustível.

Uma vez estabelecida a estabilidade do processo com combustão em ar atmosférico, de

acordo com a Tabela 5, procedeu-se a recirculação dos gases de combustão e ajuste das condições

operacionais do processo. Para tanto, três parâmetros são essenciais para controle e ajuste do processo

de maneira a minimizar a entrada de ar falso, encerramento da alimentação de ar atmosférico e

começo da alimentação de combustível: válvula de recirculação de gases, potência do ventilador (V1,

conforme Figura 1) e a consequente vazão de gases de entrada no leito fluidizado.

Tal ajuste é fundamental para estabelecer pressões positivas no sistema em locais mais

propícios à entrada de ar falso. Neste sentido, deve ser comentada a necessidade de minimização de

entrada de falso na oxicombustão, uma vez que a mesmo realiza uma considerável diluição do CO2 de

elevada concentração obtido nos gases. Concentrações elevadas de CO2 na saída da fornalha são

fundamentais para a sua futura purificação e captura.

A Tabela 6 mostra as condições de oxicombustão obtidas pela estabilização dos

parâmetros de processo de ajuste comentados. Para comparação com o processo de combustão com ar

atmosférico, a mesma alimentação de combustível foi mantida.

Na referida tabela, a temperatura de entrada, Te, refere-se à temperatura que os gases de

recirculação, já com a adição de oxigênio, retornam à fornalha e a análise dos gases é dada em base

seca. O ∆Pleito é mantido em um valor dentro da faixa de fluidização, sendo que os valores das

temperaturas T04 e T05, abaixo e acima do leito, confirmam a manutenção da fluidização.

Ratifica-se a diminuição da concentração de N2 e o aumento da concentração de CO2 nos

gases de recirculação em comparação com a combustão com ar atmosférico. Com isso, também foi

observado um substancial aumento da temperatura do leito, devido às mudanças nas propriedades dos

gases de entrada no volume de controle na combustão e na oxicombustão – calor específico,

emissividade e massa específica.

A partir da Tabela 6, e comparando com a Tabela 5, verifica-se, também, uma substancial

diminuição da pressão no freeboard da planta piloto, região localizada logo acima do leito. Tal

diminuição vem a ser consequência direta da diminuição da vazão de gases de entrada na fornalha na

oxicombustão. Isto ocorre devido à troca de comburente, ar atmosférico (N2 + O2) na combustão com

ar atmosférico e oxicombustão (O2).

Deve ser comentado, também, a concentração de CO2 obtida – 59,6% vol. – na

oxicombustão, que possuiu uma limitação devido à elevada entrada falsa de ar que ocorreu, 34,8%,

expressa pelo parâmetro α. Preusche et al. (2011) definiram a entrada de ar, α, como a razão entre a

vazão mássica de ar entrando no sistema e a vazão mássica de gases na saída do sistema. Aqui, foi

considerado o volume de controle do sistema como sendo a fornalha onde se encontra o leito

fluidizado. Este vem a ser um valor elevado para a entrada de ar, mostrando que, apesar de haver o

estabelecimento de pressão positiva na saída da fornalha, ainda é necessária a minimização da entrada

de ar na zona de recirculação, onde a pressão continua negativa devido à sucção do ventilador.

Tabela 5: Condições de operação na combustão com ar atmosférico. mcomb (kg/h) 31,0

mar (kg/h) 465,7

m0

ar(kg ar/kg comb) 6,85

m0

O2(kg O2/kg comb) 1,58

Razão AC

(kg ar/kg comb) 15,0

Excesso Ar (%) 117

ΔPleito (Pa) 4560

Pf (Pa) 706

T04 (ºC) 854

T05 (ºC) 859

GASES DE COMBUSTÃO

CO2 (%) 8,2

O2 (%) 11,3

Tabela 6: Condições operacionais obtidas na oxicombustão.

mcomb (kg/h) 31

mentrada (kg/h) 182,7

∆Pleito (Pa) 3923

Pf (Pa) 137

T04 (K) 1319,15

T05 (K) 1319,15

ENTRADA

CO2 (% vol.) 34,2

O2 (% vol.) 29,3

N2 (% vol.) 36,5

SAÍDA

CO2 (% vol.) 59,6

O2 (% vol.) 3,9

N2 (% vol.) 36,5

CO2 (% más.) 69,5

O2 (% más.) 3,3

N2 (% más.) 27,1

α (%) 34,8

Balanço material

A Tabela 7 mostra o balanço de massa para comparação das condições de estabilização

na combustão e na oxicombustão. Os dados mostrados foram obtidos das Tabelas 5 e 6.

Tabela 7: Balanço material para a oxicombustão.

ENTRADA

COMBUSTÃO OXICOMBUTÃO

Componente Concentração

(% más.)

Vazão

mássica

(kg/h)

Componente Concentração

(% más.)

Vazão

mássica

(kg/h)

O2 22,8 106,0 O2 26,9 49,3

CO2 0 0 CO2 43,2 79,0

N2 76,4 355,0 N2 29,4 53,7

H2O 0,8 3,9 H2O 0,4 0,7

Total 100 464,9 Total 100 182,7

SAÍDA

COMBUSTÃO OXICOMBUSTÃO

Componente Concentração

(% más.)

Vazão

mássica

(kg/h)

Componente Concentração

(% más.)

Vazão

mássica

(kg/h)

O2 11,7 57,1 O2 3,1 6,6

CO2 11,7 57,1 CO2 65,3 137,7

N2 73,1 356,6 N2 25,5 53,7

H2O 3,4 16,7 H2O 6,0 12,8

Total 100 488,0 Total 100 210,8

Segundo Fujimori e Yamada (2012), no processo de oxicombustão, o volume do gás de

combustão diminui de 75 a 80% se comparado com a combustão com ar atmosférico. Se, a partir da

massa específica dos gases de entrada no volume de controle, considerando as respectivas

temperaturas de entrada, determina-se o volume dos gases obtidos, chega-se a um valor de 31,6% do

volume de gás para oxicombustão entrando no volume de controle em comparação com ar

atmosférico. Este é um valor mais alto do que o comumente encontrado na literatura. Porém, como já

comentado, quando se tem a oxicombustão em leito fluidizado borbulhante, dada a necessidade de

uma vazão mínima para manter o gás entrando acima da velocidade mínima de fluidização, maiores

taxas de recirculação dos gases são necessárias.

Wall et al. (2008), a partir de um balanço de massa, mostraram que, para manter a fração

volumétrica desejada de 3,3 % em base úmida, foi necessário operar com uma entrada de gases com

27% O2 também em base úmida. A partir do balanço de massa da Tabela 7, e, novamente,

considerando as respectivas propriedades para as temperaturas obtidas, foi obtida uma fração

volumétrica de 3,4% O2 em base úmida. No entanto, uma fração volumétrica de O2 nos gases de

entrada foi de 29,1%, mostrando uma boa concordância com os valores apresentados na literatura.

4. CONCLUSÕES

Neste trabalho, foram estudadas, experimentalmente, duas possibilidades de uso do

carvão mineral da Região Sul do Brasil de maneira a minimizar as emissões de SO2, via adição de

calcário em leito fluidizado e para uma futura possiblidade de captura de CO2, via tecnologia de

oxicombustão.

Ambas as possibilidades estudadas mostraram-se viáveis tecnicamente em leito

fluidizado borbulhante já utilizado para combustão com ar atmosférico.

Para a dessulfuração in situ, são apresentadas as conclusões:

Uma conversão de SO2 de até 67,3% foi obtida com uma Razão Molar Ca/S de 2,5 e Us =

0,9 m/s. Ao mesmo tempo, tal conversão mostrou-se consequência direta da velocidade

superficial utilizada assim como do consequente tempo de residência;

A Rota 1 para o mecanismo de dessulfuração, mostrou-se mais adequada para a sua

descrição, novamente sendo influência direta do tempo de residência adotado;

Os difratogramas obtidos das cinzas oriundas da dessulfuração confirmaram a presença

de CaO não convertido juntamente com CaSO4 e a possibilidade de presença de CaSO3

de acordo com as condições fluidodinâmicas aodtadas.

Para a oxicombustão, segue algumas conclusões:

O processo de combustão em leito fluidizado borbulhante é adequado para o

desenvolvimento da oxicombustão. No entanto, a adaptação do processo de

oxicombustão em plantas existentes requer adaptações bastante sensíveis, principalmente

se um sistema de recirculação de gases é introduzido. A recirculação dos gases para a

introdução da tecnologia de oxicombustão, entretanto, provocou uma alta taxa de

infiltração de ar atmosférico no sistema. A manutenção de pressões negativas é

indesejável na oxicombustão, especialmente quando é realizada a adaptação de plantas já

existentes. Sendo assim, a verificação da perda de carga no sistema e o correto

dimensionamento do ventilador para proporcionar a recirculação dos gases devem receber

especial atenção;

Quanto à qualidade do gás obtido, com um ajuste dos parâmetros acima mencionados,

uma entrada de ar falso de 34,8% foi obtida, proporcionando uma concentração de CO2

de 69,5% em massa.

5. REFERÊNCIAS

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