SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos...
-
Upload
vuongtuong -
Category
Documents
-
view
222 -
download
1
Transcript of SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos...
![Page 1: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/1.jpg)
SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO – APLICAÇÃO DE MEMBRANAS E CRIOGENIA.
Diego Rubén Schmeda López
Rede Carvão – seminário abril 2010
![Page 2: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/2.jpg)
Introdução
• Preocupações com meio ambiente
• Captura e seqüestro de CO2 tem o maior potencial para redução de emissões nos próximos 10 -20 anos
• Incremento no custo da eletricidade de plantas a carvão subcríticas
![Page 3: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/3.jpg)
Objetivos
• Viabilidade de processos CCS pós-combustão,
• Avaliar o potencial de uso das membranas para CCS,
• Avaliar um ciclo criogênico de separação de CO2 proposto,
![Page 4: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/4.jpg)
Ciclo do processo de captura e seqüestro de CO2
• Captura do CO2
• Seqüestro do CO2
– Transporte
– Armazenagem
![Page 5: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/5.jpg)
Armazenagem do CO2
capturado
![Page 6: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/6.jpg)
Armazenagem do CO2
capturado
• EOR
![Page 7: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/7.jpg)
Separação de CO2 de Correntes pós-combustão
Processos de separação de CO2
Pós - Combustão
Absorção Quimica
Aminas
MEA
DEA
TEA
Mitsubishi Heavy
Industries Ltda.
Amine Guard
Carbonato de Potássio
Benfield
Outros
Catacarb
Giammarco -Vetrocoke
Absorção Física
Selexol
Fluor
Adsorção
TSA
PSA
Zeólitas
Membranas Seletivas
Criogenia
Pré-combustão
Shift CO - CO2
Oxicombustão
Com loopingquimico
Combustão oxigenio-
combustivel
![Page 8: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/8.jpg)
Separação de CO2 de Correntes pós-combustão
Pós - Combustão
Absorção Química
Aminas
MEA
DEA
TEA
Mitsubishi Heavy
Industries Ltda.
AmineGuard
Carbonato de Potássio
Benfield
Outros
Catacarb
Giammarco -Vetrocoke
Absorção Física
Selexol
Fluor
Adsorção
TSA
PSA
Zeólitas
Membranas Seletivas
Criogenia
![Page 9: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/9.jpg)
Membranas Seletivas
• Utilizam módulos de contenção,
• Tipos de módulos utilizados industrialmente:– Placa (a),
– Espiral (b),
– Tubular (c),
– Fibra Oca (d).
(a)
(b)(c)
(d)
![Page 10: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/10.jpg)
Modelagem de Membrana
![Page 11: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/11.jpg)
Otimização de arranjo de membranas em série
– Máximo beneficio econômico do sistema.
![Page 12: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/12.jpg)
Otimização de arranjo de membranas em série
• Materiais utilizados para seleção
MaterialPermeabilidade
Custo estimado do
material * Permselectividade
[mol μm m-2 Pa-1 s-1] [€/m²] CO2/N2
1
Poly (amino imide)
(Fuentes ET AL. – 1999) 1.1658×10-15 1.0 20
2
BPDA - pP' ODA
(Hayashi ET AL. – 1995) 1.1055E-13 2.5 30
3
BPDA / PPDA
(Fuentes ET AL. 1999) 2.3800E-08 3.8 1.8
4
Phenolic Resin
(Saufi ET AL. 2004) 5.4706E-14 1.5 6.4
5
Kapton
(Suda ET AL. – 1997) 6.0970E-09 3.0 22.2
6
Phenol Formaldehyde
(Wei ET AL. – 2002) 8.9998E-09 6.5 8.91
7
Polyimide
(Okamoto ET AL. – 1999) 4.5560E-08 25.0 7
8
Polypirrolone
(Kita ET AL. – 1997) 9.9495E-13 8.2 40
![Page 13: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/13.jpg)
Otimização de arranjo de membranas em série
• Função objetivo proposta para 2º caso.
![Page 14: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/14.jpg)
Otimização de arranjo de membranas em série
![Page 15: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/15.jpg)
Otimização de arranjo de membranas em série
• 161,12 mol/s de CO2 ou 21,43%
• Valor da Função Objetivo: 24.405,30 €/ano.
• Busca exaustiva: 139.314.069.504 operações
• Algoritmo genético: 4.800.000 operações
![Page 16: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/16.jpg)
Otimização de arranjo de membranas em série
• Foi possível separar CO2 do N2
• Concentração insuficiente para uso em recuperação avançada de petróleo (min. 94%),
• Possibilidade de venda no mercado de carbono,
![Page 17: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/17.jpg)
Otimização de arranjo de membranas em série
• Conclusões:
– Há necessidade de desenvolvimento de materiais
– Possibilidade de acoplamento com outros sistemas
– Existe uma relação ótima entre valor do CO2 e custo de separação.
![Page 18: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/18.jpg)
Separação Criogênica
• Termo criogenia:
– Temperaturas inferiores a -150 ̊C,
• Termo separação criogênica:
– Utiliza-se para Temperaturas inferiores a 0 ̊C,
• Utilizado em separação de componentes do ar a través de colunas.
![Page 19: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/19.jpg)
Separação Criogênica
• Exemplo do CO2 puro.
![Page 20: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/20.jpg)
Separação Criogênica
• Equilíbrio Líquido – Vapor de misturas binárias
• Modelagem – Equação de Peng - Robinson
![Page 21: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/21.jpg)
Separação Criogênica
• Diagrama de fases ideal
Gás
Líquido
![Page 22: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/22.jpg)
Separação Criogênica
• Erro máximo < 7%
![Page 23: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/23.jpg)
Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2
• Acoplamento de planta de regasificação com planta de captura de CO2
• Objetivo:
– Capturar CO2
– Obter CO2 liquido a 94%
– Aproveitar as oportunidades do processo de regasificação do Gás Natural Líquido
![Page 24: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/24.jpg)
Gás Natural Líquido
• Metano condensado a -152 °C e 202,6 kPa,
• Redução de volume em 600 devido à troca de fase,
• Possibilita o transporte em longas distâncias sem uso de gasoduto,
Natural
• Inodoro
• Não Corrosivo
• Asfixiante
• Incolor
• Atóxico
• Massa específica de 450 kg/m²
![Page 25: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/25.jpg)
Gás Natural Líquido
• Regasificação:
– Troca térmica com água de mar,
– Troca térmica com produtos de combustão de uma parcela do gás.
![Page 26: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/26.jpg)
Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2
![Page 27: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/27.jpg)
Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2
Corrente de alimentação:1. 8,52 mols/s de gás de combustão2. Fração molar: 0,8826 de N2 e 0,1174 de CO2
3. Temperatura: 130 ̊C4. Pressão: 101,3 kPa
![Page 28: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/28.jpg)
Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2
Membrana de 25m² de Polyimida
Corrente de Permeado:1. Vazão molar de 3,529 mol/s2. 22,06% de CO2 e 77,94% de N2 em vol.3. Temperatura: 26 °C4. Pressão: 101,3 kPa.
Corrente de Retido:1. Vazão molar de 4,991 mol/s2. 4,44% de CO2 e 95,56% de N2 em vol.3. Temperatura: 26 °C4. Pressão: 4052 kPa.
![Page 29: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/29.jpg)
Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2
0,8826
0,7794
![Page 30: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/30.jpg)
Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2
Corrente Rica em CO2
Vazão molar: 0,3207 mol/sFração molar CO2: 0,94Fração molar N2 : 0,06T = -61 °CP = 4599 kPa
![Page 31: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/31.jpg)
Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2
• Trabalho dos compressores: 194,37 kW– 137,97 kW nos processos antes da membrana– 56,4 kW nos processos posteriores à membrana
• Capturado: 0,3015 mol/s de CO2 ≈ 49,7 kg/h
• Consumo Energético: – 1,135 kWh/kg de CO2 capturado (apenas criogenia)– Valores de referência: 0,65 kWh/kg (Khoo e Tan, 2006)– 4,1 kWh/kg de CO2 capturado (total do processo)
![Page 32: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/32.jpg)
Conclusões parciais• Sobre processos criogênicos:
– Eficiência relacionada à quantidade de CO2 na mistura,
– Para baixas frações molares necessita-se concentrar o gás carbônico,
– Processos de maior intensidade energética são os a montante da membrana (71%),
– Relação entre pressão de operação da membrana e área da mesma,
– Conseguiu-se atingir o grau de concentração requerido no CO2liquido (Condição de EOR),
![Page 33: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/33.jpg)
Conclusões
• Desenvolveram-se dois métodos para captura de CO2
• Já no que refere à aproveitamento do CO2
para EOR, apenas o processo por criogenia conseguiu atingir as especificações técnicas minimas,
![Page 34: SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO - ufrgs.br co2 rede carvao.pdf · Objetivos •Viabilidade de processos CCS pós-combustão, •Avaliar o potencial de uso das membranas](https://reader031.fdocumentos.tips/reader031/viewer/2022022712/5c05076109d3f2093a8cdbd1/html5/thumbnails/34.jpg)
Agradecimentos
Rede Carvão