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

INTRODUÇÃO

Baixo PC: 1.000-1.600

kcal/Nm3

Agentes gaseificantes: ar + vapor

d’água

Médio PC: 2.700-3.600

kcal/Nm3

Agentes gaseificantes: oxigênio + vapor

d’água

Alto PC: 8.000-9.000

kcal/Nm3

Agentes gaseificantes: oxigênio + vapor

d’água

Short Course: Treatment of Gas Generated During

Solid Fuels Gasification, Criciúma, Santa Catarina,

2007;

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;

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 H2S a teores abaixo de

4ppm podem ser atingidos até mesmo a baixas pressões;

A quantidade exata de H2S e CO2 dependerá das condições operacionais;

322

2

*''''''

*''''''

HCONRRROHCONRRR

HSNRRRNRRRSH

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.

MDEA

menor $ de regeneração;

maior resistência à

degradação química e térmica;

Menor taxa de corrosão;

alta seletividade ao H2S na

presença de CO2.

INTRODUÇÃO

Descrição Geral do Modelo

Modelo de estágio de Equilíbrio com eletrólitos: Non Random Two

Liquids (NRTL)

Segundo Aroua et al. (2002):

3HCO OH

HS

OH3NHRRR ''

2CO

SH 2

MDEAOH2

Ionização da água OHOHOH 322

Dissociação do sulfeto de hidrogênio HSOHSHOH 322

Dissociação do bissulfeto 2

32 SOHHSOH

Dissociação do MDEA protonado OHNRRRNHRRROH 32 ''''''

Dissociação do dióxido de carbono

OHHCOCOOH 33222

Dissociação do bicarbonato

2

3323 COOHOHHCO

OBJETIVO

Realizar um estudo preliminar do processo de limpeza dos

gases provenientes da gaseificação de carvão com foco na

minimização da concentração de H2S presente em um gás de

baixo poder calorífico que esteja suficientemente adequado

para queima em fornos do setor cerâmico.

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.

METODOLOGIA

Vazão de MDEA;

Temperatura do solvente;

[MDEA];

Composição dos gases;

Temperatura dos gases;

Número de estágios das

colunas;

Pressão do sistema

Vazão de todas as correntes;

Composição das correntes;

Balanço de Energia;

METODOLOGIA

Componentes H2O CO2 CO H2 H2S N2 CH4

% (molar) 9,0 10,0 18,0 12,0 1,6* 47,0 2,4

Tabela 1: Composição do gás de baixo poder calorífico.

*Calculado por balanço de massa considerando que todo o enxofre presente no carvão é convertido em H2S.

Temperatura do gás (°C) 28 60

Vazão total (Kmol/h) 24,41 48,83 122,08

Fração molar de MDEA 0,05 0,1 0,15

Tabela 2 – Variação dos parâmetros na corrente do solvente (LEAN) e na temperatura do gás.

Vazão do gás = 49,83 Kmol/h (CeSFaMB)

Número de estágios das colunas de absorção e regeneração foi de 5 e 25

respectivamente.

METODOLOGIA

Figura 2: Concentração de H2S em função do fluxo total e fração molar de MDEA a 28°C de

temperatura do gás.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Figura 3: Concentração de H2S em função do fluxo total e fração molar de MDEA a 60°C de

temperatura.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Componente Composição

do GÁS (% molar)

Composição do

CLEANGAS (% molar)

H2O 9,0 4,27

CO2 10,0 0,1

CO 18,0 15,94

H2 12,0 10,6

H2S 1,6 322*

N2 47,0 66,0

CH4 2,4 2,1

*Concentração do H2S em ppm.

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.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

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 H2S 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;

CONCLUSÕES

Figure 4: Fluxograma do processo de Limpeza utilizando o Aspen Plus V7.2.

ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO

Figure 5: Interface de simulação para o processo de otimização

ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO

VIDRADO

MATE

(Zn ou Ca)

MONOPOROSA

(AZULEJO)

VIDRADO

OPACO

(BRANCO)

VIDRADOTRANSPARENTE

(CRISTALINO)

VIDRADO

MATE

(Zn ou Ca)

QUEIMA

CONCENTRAÇÃO

DE H2S

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).

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 H2S e instrumentação necessária;

-Não será utilizado Engobe e corante.

ROTA EXPERIMENTAL

PORCELANATOPORCELANATO

TÉCNICOGRÊS OU

SEMI-GRÊS

VIDRADO

OPACO

(BRANCO)

VIDRADOTRANSPARENTE

(CRISTALINO)

VIDRADO

MATE

(Zn ou Ca)

VIA ÚMIDA

Figura 6: Rota experimental para determinação do teor de H2S máximo nos fornos cerâmicos

(dos Santos, 2011).

ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO

Figura 7: Esquema do processo de injeção de H2S na linha de gás combustível de um forno do

setor cerâmico (dos Santos, 2011)

.

ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO

2011 International Pittsburgh Coal Conference

Pittsburgh, PA

September 12 – 15, 2011

“PROCESS MODELING OF H2S 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)

ATIVIDADES EM DESENVOLVIMENTO

AGRADECIMENTOS

Longwell, J.P., Rubin, E.S., Wilson, J. Coal: energy for the future. Progress in Energy and Combustion Science, 360,

p. 1285-1295, 1995.

Kohl, A.L., Nielsen, R.B. Gas Purification, 5th Edition, Gulf Publishing Company, Houston, TX, 1997.

Al-Baghli, N.A, et al. A rate –based model for the design of gas absorbers for the removal of CO2 and H2S using

aqueous solutions of MEA and DEA. Fluid Phase Equilibria, 185, p. 31-43, 2001.

Alfada, H.E., Al-Musleh, E. Simulation of an Acid Gas Removal Process using Methyldiethanolamine; an

Equilibrium Approach. Proceedings of the 1st Annual Gas Processing Symposium, 2009.

Aspen Plus®, Aspen Technology Inc., v.7.2, Burlington, MA, USA (2008-2010).

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. 153-162, 2002.

Zheng, L., Furimsky, E. ASPEN simulation of cogeneration plants, 44, p. 1845-1851, 2003.

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, 183-184, p.

159-171, 2001.

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

H2S no processo de queima de placas cerâmicas, Relatório de Estágio Supervisionado em Engenharia Química,

Unisul, SC, 2011 .

REFERÊNCIAS

OBRIGADO! Contatos:

thiago.aquino@satc.edu.br e michael.crocetta@satc.edu.br