ESTUDO TÉCNICO DO PROCESSO CHEMICAL LOOPING COMBUSTION (CLC) EM CENTRAIS TERMOÉLETRICAS
ESTUDO TÉCNICO DO PROCESSO CHEMICAL LOOPING COMBUSTION (CLC) EM CENTRAIS TERMOÉLETRICAS
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Foz do Iguaçu 2022
ESTUDO TÉCNICO DO PROCESSO CHEMICAL LOOPING COMBUSTION (CLC) EM CENTRAIS TERMOÉLETRICAS
XXXXXX XXXX XXXXX XXXXX XXXXXX
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestrutura e Território da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Energia.
Orientador: Prof. Dr. Xxxxxxx Xxxxxxxx Xxxxxx Coorientador: Prof. Dr. Xxxxx Xxxxxx Xxxxxxxxx Xxxxxxxxx
Foz do Iguaçu 2022
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ESTUDO TÉCNICO DO USO DO CHEMICAL LOOPING COMBUSTION (CLC) EM CENTRAIS TERMOÉLETRICAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestrutura e Território da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Energia.
BANCA EXAMINADORA
Orientador: Prof. Dr. Xxxxxxx Xxxxxxxx Xxxxxx UNILA
Prof. DR. Xxxxxxx Xxxxxxxx UNILA
Prof. Ph.D. Xxxxxxxx Xxxxxx Pippo UNILA
Foz do Iguaçu, de de .
TERMO DE SUBMISSÃO DE TRABALHOS ACADÊMICOS
Nome completo do autor(a):
Curso:
Tipo de Documento | |
(…..) graduação | (…..) artigo |
(…..) especialização | (…..) trabalho de conclusão de curso |
(…..) mestrado | (…..) monografia |
(…..) doutorado | (…..) dissertação |
(…..) tese | |
(…..) CD/DVD – obras audiovisuais | |
(…..) |
Título do trabalho acadêmico:
Nome do orientador(a):
Data da Defesa: / /
Licença não-exclusiva de Distribuição
O referido autor(a):
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Licença 3.0 Unported.
Foz do Iguaçu, de de .
Assinatura do Responsável
Dedico este trabalho a todos que me apoiaram nesses anos de luta e que venham anos glória.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar agradeço a Deus e aos meus pais, que mesmo na distância me ajudaram me deram incentivos para realização do meu sonho que se tornou deles também. Agradeço aos meus professores orientadores não só pela constante orientação e paciência neste trabalho, mas sobretudo pela sua amizade, onde me ajudaram a superar minha constante ansiedade e insônia.
Xxxxxxxx aos meus amigos e amigas, mais do que amigos, irmãos que me acompanharam nessa caminhada até aqui, posso citar alguns nomes em especial, tais como, Xxxxxx, Xxxx Xxxxxx Xxxxx, Xxxxx, Xxxxxx Xxxxxxx, Xxxxxx, Xxxxxx e entre outros que atulhariam mais de duas páginas, criamos uma família na UNILA. Fico grato pela convivência e pelas inúmeras experiências, as viagens a Ramilândia entres outras inesquecíveis e pela infinidade de histórias que teremos para contar pelo resto de nossas vidas.
Obrigado UNILA pela oportunidade de fazer o curso de Engenharia de Energia de Energia e ter a oportunidade de conhecer pessoas de toda a américa-latina. Por último quero agradecer a todos meus familiares e amigos do escritório que fizeram parte dessa testemunharam todo o empenho para confecção deste trabalho.
Os nossos pais amam-nos porque somos seus filhos, é um fato inalterável. Nos momentos
de sucesso, isso pode parecer irrelevante, mas nas ocasiões de fracasso,
oferecem um consolo e uma segurança que não se encontram em qualquer outro lugar.
Xxxxxxxx Xxxxxxx
O presente trabalho consiste em um estudo de viabilidade através de simulação computacional desenvolvido com o software AspenPlus® de uma planta para geração de potência com processo de Chemical Looping Combustion (CLC), baseado na literatura, em pesquisas do mesmo escopo e plantas reais experimentais de pequena escala para comparação de resultados. Inicialmente foi realizada uma revisão bibliográfica para o levantamento de outros processos de captura de 𝐶𝑂2 e seus gargalos, posteriormente a justificativa da escolha do combustível e simulação do processo visando a obtenção de temperaturas de trabalho adequadas e uma eficiência energética semelhante a literatura. A usina foi proposta usando uma corrente de 1000 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ𝑟 de metano, onde a proporção foi de 1 𝑚𝑜𝑙 de metano para 27.45 𝑚𝑜𝑙 de ar. Os resultados mostram a eficiência energética, desconsiderando perdas térmicas, de 49,42% e a eficiência de captura de carbono de 99%. As eficiências termodinâmicas aumentam com o aumento das taxas de pressão de ar e das temperaturas de entrada da turbina.
Palavras-chave: Chemical Looping Combustion; eficiência; temperatura; AspenPlus®; combustível.
El presente trabajo consiste en un estudio de factibilidad mediante una simulación computacional desarrollada con el software AspenPlus® de una planta para generación de potencia con el proceso de chemical looping combustion (CLC), basado en la literatura, en investigaciones del mismo alcance y plantas experimentales reales de pequeño tamaño para comparar resultados. Inicialmente se realizó una revisión bibliográfica para levantamiento de otros procesos de captura de 𝐶𝑂2 y dificultades, posteriormente la justificación de la elección del combustible y la simulación del proceso buscando obtener temperaturas de trabajo adecuadas y eficiencia energética similar a la literatura. La planta se propuso utilizando una corriente de 1000 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ de metano, donde la relación era de 1 𝑚𝑜𝑙 de metano para 27,45 𝑚𝑜𝑙 de aire. Los resultados muestran una eficiencia energética del 49,42% y una eficiencia de captura de carbono del 99%. Las eficiencias termodinámicas aumentan con el aumento de las tasas de presión de aire y las temperaturas de entrada de la turbina.
Palabras clave: Chemical Looping Combustion; eficiencias; temperatura; AspenPlus®;
combustible.
The present work consists of a feasibility study through computer simulation developed with AspenPlus® software of a plant for the generation of a Chemical Looping Combustion (CLC) process power, in fuel based on the literature, research of the same scope and on real experimental plants. Initially, a literature review was carried out to survey other 𝐶𝑂2 capture processes and their bottlenecks, later the justification for the choice of fuel and simulation of the process aimed at obtaining adequate working temperatures and energy efficiency similar to the literature.The plant was proposed using a stream of 1000 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ𝑟 of methane, where the ratio was 1 𝑚𝑜𝑙 of methane to 27.45 𝑚𝑜𝑙 of air. The results show energy efficiency disregarding thermal losses of 49.42% and carbon capture efficiency of 99%. Thermodynamic efficiencies increase with increasing day pressure ratios and turbine inlet temperatures.
Key words: Chemical Looping Combustion; efficiencies; temperature; AspenPlus®; fuel.
Figura 1 – Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) 12
Figura 2 – Diagrama de bloco ilustrando o processo de Pré-combustão 20
Figura 3 – Diagrama do processo da Pós-combustão 21
Figura 4 – Diagrama do processo de oxi-combustão 22
Figura 5 – Esquema do processo CLC 24
Figura 6 – Componentes Usados na simulação do processo CLC 30
Figura 7 – Esboço do processo CLC 32
Figura 8 – Flowsheet processo CLC 34
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composição do gás natural 31
Tabela 2 – Parâmetros importantes para o estudo 36
Tabela 3 – Potência dos equipamentos 37
Tabela 4 – Parâmetros de entrada 37
Tabela 5 – Fluxos de entrada 38
Tabela 6 – Principais equipamentos e funções 39
Tabela 7 – Corrente de gás rico em 𝐶𝑂2 40
Tabela 8 – Composição em fração molar da corrente CO2RE 41
Tabela 9 – Composição em fração molar da corrente WATER 41
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
GEE Gases Efeito Estufa
ONU Organização das Nações Unidas
ODS Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
UNFCCC Convenção Quadro das Nações Unidas Sobre Mudança do Clima ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
PDE Plano de Desenvolvimento Energético GNL Gás Natural Liquefeito
CLC Chemical Looping Combustion
POA Ponto de Orvalho de Água
POH Ponto de Orvalho do Hidrocarboneto ANP Agência Nacional do Petróleo
CFC Clorofluorcarconeto
IGCC Integrated Gas Combine Cycle
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change CFB Circulating Fluidized Bed
UNIFAC Functional-group Activity Coefficients SRK Soave-Redlich-Kwong
RR Reator de redução
RO Reator de Redução
CY Ciclone
GT1 Turbina 1
GT2 Turbina 2
B1 Nome genérico dado ao trocador de calor B2 Nome genérico dado ao condensador
B4 Nome genérico dado ao trocador de calor ME Metal Reduzido
MEO Metal Oxidado
𝜂𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 Eficiência energética do processo
𝑃𝐶𝐼𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 Poder Calorifico Inferior do Metano
𝑚̇ 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 Fluxo de massa do combustível
𝑊𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 Potência líquida
∑ 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 Somatório das potências necessárias para compressores
∑ 𝑊𝑡𝑢𝑡𝑏𝑖𝑛𝑎 Somatório das potências geradas nas turbinas
𝜂𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 Eficiência energética do processo
𝜂𝐶𝐶 Eficiência Captura de carbono
SUMÁRIO
3. TECNOLOGIAS PARA CAPTURA DE POLUENTES EMITIDOS NA COMBUSTÃO 18
3.1 PRÉ-COMBUSTÃO COM AR ATMOSFÉRICO 18
3.2. PÓS-COMBUSTÃO COM AR ATMOSFÉRICO 19
4. CHEMICAL LOOPING COMBUSTION (CLC) 22
4.1. TRANSPORTADORES DE OXIGÊNIO 24
5. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO PROCESSO 26
6.1 COMPONENTES E MÉTODOS DE RESOLUÇÃO 29
7.1 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS COMPONENTES E FLUXOS DA PLANTA 36
7.2. EFICIÊNCIAS DO PROCESSO (𝜂𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜) E DE CAPTURA DE CARBONO (𝜂𝐶𝐶)
8.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 43
1. INTRODUÇÃO
Em conjunto com os problemas sociais e econômicos vividos pela humanidade atualmente, as emissões gases de efeito estufa (GEE), em que 𝐶𝑂2 é um dos principais precursores de diversos problemas irreversíveis, tais como as mudanças climáticas e danos à saúde dos seres humanos. Tendo em vista estes problemas, nasce o interesse de proteger o planeta através de ações como: incentivar a redução de emissão de poluentes, oferecer educação de qualidade, promover sociedades pacificas e inclusivas até 2030, os 193 Estados membros da Organização das Nações Unidas (ONU), incluindo o Brasil, comprometeram-se a adotar e trabalhar para cumprir os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS). Na figura 1 estão dispostos os 17 ODS propostos pela ONU (UNICEF, 2020).
Figura 1 – Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS).
Fonte: (ONU, 2020).
É salientado nas ODS 7 e 13 a adoção de ações para combate as mudanças climáticas e seus impactos, para implementação dessas ODS os países desenvolvidos que fazem parte da Convenção-Quadro das Nações Unidas Sobre Mudança do Clima (UNFCCC) assumiram o compromisso de mobilizar em conjunto US$ 100 bilhões por ano a partir do ano de 2020, de todas as fontes, para atender às necessidades no contexto de mitigação dos gases de efeito estufa (GEE), como por exemplo o 𝐶𝑂2, emitido em processo de combustão. A operacionalização plena do Fundo Verde para o clima por meio de sua capitalização e arrecadação monetária, deve-se entrar em prática o mais breve possível (ONU, 2020). Embora as emissões dos GEE terem sofrido uma leve queda devida as proibições de viagens e desacelerações econômicas resultantes da pandemia do COVID-19, essa melhora é apenas temporária, pois quando a economia global se recuperar totalmente as emissões provavelmente irão retornar em níveis mais altos (ONU, 2020). A produção de energia é uma das grandes responsáveis pelas emissões de 𝐶𝑂2 através da
queima de combustíveis, portanto, é urgente pesquisas para que mitigar danos causados ao meio ambiente na produção desta. Uma vez que a curto prazo é impossível eliminar o uso da combustão de combustíveis para produção de energia, a captura e armazenamento de 𝐶𝑂2 é uma alternativa para reduzir o problema principalmente em usinas termelétricas e em outros setores da indústria. Com base nas necessidades atuais da sociedade em produzir energia com processo livres dos GEE e sabendo da inviabilidade de trocar totalmente a matriz energética atual por processo alternativos, a rota de produção de energia por combustão e captura de 𝐶𝑂2 torna-se uma importantíssima linha de estudo no futuro próximo.
De acordo com Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) o Brasil teve em 2021 um acréscimo total de potência no período de 2.449,69 MW (32,39%) em geração termoelétrica e a expectativa é que esse número cresça, pois, as usinas termelétricas tem um grande diferencial, sendo que o principal é a geração flexível, pois podem ser iniciadas ou interrompidas de acordo a necessidade de geração e disponibilidade de combustível (ANEEL, 2022).
Segundo o plano de desenvolvimento energético (PDE) o uso do gás natural no período de 2021 a 2031 para a queima em termelétrica terá um crescimento expressivo de taxas médias de 6% ao ano (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA; EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2022). O gás natural tem-se apresentado como principal combustível fóssil para expansão de geração nos últimos PDE. Além do GNL importado, combustível mais comumente utilizado em novas usinas sem geração compulsória (ou flexíveis), o desenvolvimento das reservas do pré-sal e as novas descobertas de bacias no pós-sal, como em Sergipe, vêm ampliando significativamente a oferta de gás natural nacional (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA; EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2022). Esse recurso, com ofertas abundantes, poderá contribuir significativamente para a segurança operativa da matriz elétrica brasileira no horizonte decenal, cuja profundidade de contribuição irá depender do preço final do gás natural entregue na usina termelétrica.
Visando a tendência de crescimento do uso do GN em termelétricas, este trabalho busca identificar a viabilidade técnica da utilização do processo Chemical looping combustion (CLC) em termelétricas através da simulação em software Aspenplus®, com o objetivo de aumentar eficiência da combustão, além de oferecer uma opção menos danosa ao meio ambiente, uma vez que processo visa a utilização do oxigênio com no mínimo 95% de pureza afim de evitar a produção de 𝑁𝑂𝑥 e outros subprodutos, dado que o CLC evita
o contato direto entre o combustível e o ar. A tecnologia de combustão de em loop químico tem sido indicada entre as melhores opções para reduzir o custo econômico da captura de
𝐶𝑂2 utilizando gás combustível (ADÁNEZ et al., 2006). O sistema CLC é composto por dois reatores interligados, que são denominados reator de ar e reator de combustível. No reator de combustível o gás combustível é reagido formando 𝐶𝑂2 e 𝐻2𝑂 por um oxido metálico (transportador de oxigênio) que por sua vez é reduzido. O oxido reduzido é transportado para o reator de ar onde é oxidado pelo ar, o material regenerado está pronto para iniciar um novo ciclo (ADÁNEZ et al., 2006). A quantidade total de calor liberada pelos dois reatores no processo CLC é a mesma que uma combustão convencional. O gás de saída do reator de combustível contém apenas 𝐶𝑂2 e 𝐻2𝑂. Após a condensação da água, 𝐶𝑂2 quase puro pode ser obtido com pouca perda de energia para a separação dos componentes (ADÁNEZ et al., 2006).
Afim de contribuir na redução de emissão de poluentes e na geração de energia com mínimo de efeitos nocivos ao meio ambiente e aos seres humanos, fazendo o uso do gás natural que terá muito em breve um grande aumento em sua utilização de acordo o plano decenal de expansão energética.
O processo CLC vem como uma alternativa tecnológica para implementação nas novas unidades como forma de atenuar a produção de 𝑁𝑂𝑥 e capturar
o 𝐶𝑂2 produzido através da combustão para produção de energia.
Com o objetivo de viabilizar tecnicamente e otimizar este processo antes da aplicação em plantas reais, torna-se importante fazer o uso de ferramentas computacionais de simulação que existem na atualidade, permitindo prever e avaliar as diferentes etapas do processo sem que seja necessária de antemão a realização de experimentos em pequenas escalas antes que seja provada sua viabilidade por meio de simulação computacional, o que se traduz muitas vezes na resolução de problemas que causariam o fracasso do projeto, redução de custos e aumento de eficiência do processo através da otimização de equipamentos e do processo.
O objetivo geral é realizar uma simulação computacional no software ASPENPLUS® do processo de Chemical Looping Combustion (CLC) e verificar sua viabilidade técnica na
geração de energia e recuperação de 𝐶𝑂2.
Os objetivos específicos são:
• Estudo do CLC para obtenção dos parâmetros e dados entrada para serem utilizados na simulação.
• Utilização do software ASPENPLUS® para obtenção do valor numérico das principais variáveis do processo.
• Analise da viabilidade do processo em uma termelétrica com turbinas a gás (ciclo Brayton) e recuperação do 𝐶𝑂2.
2. ESCOLHA DO COMBUSTÍVEL
Combustível é todo composto que em contado com um comburente auxiliado por uma fonte de ignição, sofre reações químicas liberando energia térmica. Essas reações exotérmicas ocorrem em altas velocidade e com grande conversão de energia química em energia térmica.
Para escolha do combustível tem-se a necessidade de análise de algumas propriedades que são comuns a todos os combustíveis e algumas propriedades inerentes ao gás natural. Dentre essas propriedades se destacam o poder calorífico, a composição química elementar e aproximada e algumas propriedades que são especificas aos combustíveis gasosos destacam-se, a densidade relativa ao ar, pontos de orvalho de água (POA) e hidrocarbonetos (POH), o índice de Wobbe, o número de metano e a velocidade de chama (LORA; NASCIMENTO, 2004). Além dessas características, a composição do gás também é monitorada para os teores de metano e etano, mínimo e máximo respectivamente. Entre os contaminantes, é fundamental que se controle os inertes, no caso nitrogênio (𝑁2) e gás carbônico (𝐶𝑂2) assim como o comburente oxigênio (𝑂2). Há limites máximos para inertes (𝑁2 + 𝐶𝑂2), dióxido de carbono e oxigênio. No Brasil a qualidade do GN (gás natural) é estabelecida pela Resolução ANP nº 16/2008 (AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, 2020).
Empresas produtoras e distribuidoras de combustíveis devem fornecer as características dos seus produtos e garantirem o desempenho correto na central termelétrica (normalmente esses parâmetros são determinados via contrato) e para isso é necessário primordialmente determinar a potencialidade do combustível e saber se a central está o utilizando dentro de sua plena capacidade.
Além de parâmetros intrínsecos ao combustível deve-se levar em consideração para escolha do combustível de uma dada termelétrica é a disponibilidade, esse fator tem forte influência do governo.
Obtidas tais informações, é de suma importância obter dados que darão suporte ao uso do gás natural com responsabilidade ambiental justificando pesquisas de captura de 𝐶𝑂2 em sua combustão. O GN tornou-se uma poderosa alternativa frente ao consumo de energia e as dificuldades sazonais enfrentadas por outros setores de geração de energia. Em sua combustão leva grande vantagem por possuir excelente estabilidade térmica, possui um elevado rendimento energético e tem baixa emissão de particulados.
Os hidrocarbonetos que compõe o gás natural permanecem em estado
gasoso nas condições atmosféricas normais, é essencialmente composto por metano (𝐶𝐻4), com teores acima de 70%, seguido do etano (𝐶2𝐻6) e, em menores proporções, propano (𝐶3𝐻8), usualmente com teores abaixo de 2% (AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, 2020). Sua classificação se dá em duas categorias: associado e não associado. O gás associado é aquele que, no reservatório geológico, se encontra dissolvido no petróleo ou sob a forma de uma capa de gás. Neste caso, normalmente privilegia-se a produção inicial do óleo, utilizando-se o gás para manter a pressão do reservatório. O gás não associado é aquele que está livre do óleo e da água no reservatório; sua concentração é predominante na camada rochosa, permitindo a produção basicamente de gás natural. O GN produzido no Brasil é predominantemente de origem associada ao petróleo e se destina a diversos mercados de consumo, sendo os principais, a geração de energia termelétrica e os segmentos industriais. Além disso, uma vez produzido, o gás natural se distribui entre diversos setores de consumo, com fins energéticos e não-energéticos: utilizado como matéria-prima nas indústrias petroquímica (plásticos, tintas, fibras sintéticas e borracha) e de fertilizantes (ureia, amônia e seus derivados), veicular, comércio, serviços, domicílios etc., nos mais variados usos (AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, 2020).
O GN vem como uma recente alternativa para combustível em termelétricas, pois, tem sua distribuição por tubulações garantindo seu fornecimento constante, o que reduz o uso de áreas que implicariam em alagamentos ou desmatamento (o que acontece em hidrelétricas e produção de carvão vegetal) que podem ser utilizadas de inúmeras formas, acabando com a dependência de transporte via terrestre, onde pode ser influenciada por adversidades externas, como pode ser mencionada a greve dos caminhoneiros em maio de 2018 que afetou a cadeia de distribuição de insumos em âmbito nacional.
Tendo em mãos as justificativas para a escolha do GN para este trabalho, evidenciando-se suas vantagens socioeconômicas frente aos seus concorrentes e ressaltando que uso do biogás para produção de eletricidade, tem grandes vantagens na produção distribuída e próxima da fonte.
3. TECNOLOGIAS PARA CAPTURA DE POLUENTES EMITIDOS NA COMBUSTÃO
As termelétricas convencionais utilizam a combustão de combustíveis para conversão de energia química em energia térmica que é posteriormente é convertida em energia mecânica na turbina que por sua vez é transformada em energia elétrica por um gerador elétrico, tal combustão libera gases prejudiciais ao meio ambiente, por exemplo,
𝑁𝑂𝑥 (óxidos de azoto), 𝐶𝑂2 (dióxido de carbono), 𝑆𝑂𝑥 (óxidos de enxofre), 𝐶𝐹𝐶 (clorofluorcarbonetos) e ou outros gases residuais bem como particulados de cinzas em suspenção, esses gases são conhecidos como GEE (gases de efeito estufa). Dentre esses gases citados, 𝐶𝑂2 é o que mais contribui para a degradação do meio ambiente devido a dois fatores: i) 𝐶𝑂2 representa a maior parte de todas as emissões globais de GEE (cerca de 75%) e ii) 𝐶𝑂2 tem um tempo de residência muito elevado na atmosfera (NANDY et al., 2016).
Para se obter energia a partir do processo de combustão, com a captura de 𝐶𝑂2 no processo, existem três vias tecnológicas que são amplamente estudadas com o foco de aplicação em industrias e termelétricas. Elas são pré-combustão, pós-combustão e oxi-combustão (XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 2016).
3.1 PRÉ-COMBUSTÃO COM AR ATMOSFÉRICO
A pré-combustão consiste em um pré tratamento do combustível, sendo ele transformado em um gás síntese antes que ocorra a combustão possibilitando a captura do
𝐶𝑂2. O gás síntese é constituído principalmente de monóxido de carbono (𝐶𝑂) e hidrogênio (𝐻2). O 𝐶𝑂 presente no gás síntese é convertido em 𝐶𝑂2, após adicionado vapor, é enviado para um conversor de deslocamento onde ocorre a reação de deslocamento (𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 →
𝐶𝑂2 + 𝐻2 ) para criar então uma corrente de gás composta por 𝐶𝑂2 e 𝐻2 da qual o 𝐶𝑂2 é separado (XXXXXXXX et al., 2008). O 𝐻2 é então usado como fonte de combustível para produção de energia. As correntes do gás síntese desse processo tem média 15-40% de
𝐶𝑂2 a pressões elevadas (200-950 psi) (XXXXXXXXXX; KAWATRA, 2013). Todo tipo de combustível pode ser gaseificado (carvão, gás natural, petróleo bruto, biomassa, etc.) com quantidades estequiométricas adequadas, oxigênio e elevadas pressões são necessárias, para obtenção da mistura de 𝐶𝑂 e 𝐻2.
Apesar do processo de pré-combustão ser mais complexo e caro que a separação no processo pós-combustão, o processo pode ser mais vantajoso por causa das elevadas concentrações de 𝐶𝑂2 após o processo de separação ainda em forma de gás
síntese, o que reduz consideravelmente os custos com a separação e captura (XXXXXXXXXX XXXXXXX, 2011). A forma de captura do dióxido de carbono mais comum para processo é a absorção física com solventes do tipo Rectisol, Selexol entre outros, há também recentes estudos sobre a possibilidade de captura por membranas (SPIGARELLI; KAWATRA, 2013). Na figura 2 é apresentado um diagrama do processo de pré-combustão para captura de 𝐶𝑂2.
Figura 2 – Diagrama de bloco ilustrando o processo de Pré-combustão.
Fonte: o autor.
As duas principais vantagens desse processo em relação a outros
processos de captura de carbono são: i) a tecnologia já foi comprovada em vários testes em escala industrial e ii) Pelo fato de o 𝐶𝑂2 ser gerado sob grandes pressões, menos compressão é necessária para seu armazenamento e transporte (SPIGARELLI; KAWATRA, 2013).
Algumas desvantagens gerais do processo incluem, motivo pelo qual esse processo não será utilizado nesse trabalho: i) o gás síntese deve ser seco antes da captura do 𝐶𝑂2 elevando os custos do processo, ii) para matérias primas não gasosas, o fluxo de gás síntese deve ser limpo devido as impurezas presentes no material, necessitando de novas instalações ou adaptações (caso de plantas já existentes) e iii) o sistema usado para o processo IGCC (Integrated Gas Combine Cycle), é muito caro e requer altos investimentos além do “Retrofit” de plantas ter grandes dificuldades tecnológicas e altos custos (SPIGARELLI; KAWATRA, 2013).
3.2. PÓS-COMBUSTÃO COM AR ATMOSFÉRICO
O princípio básico do processo de pós-combustão é a captura do dióxido do 𝐶𝑂2 após a combustão do combustível com ar. A combustão que ocorre a pressão atmosférica onde gera um gás que normalmente tem uma concentração de 𝐶𝑂2 inferior a 15%, uma vez que o ar tem outros componentes além do oxigênio, o gás produto terá consequentemente a presença de 𝑁𝑂𝑥, 𝑆𝑂𝑋 e outras impurezas. O processo é de fácil
aplicação em operações industriais (por exemplo, indústria de cimento e siderurgia) devido a concentrações semelhantes de 𝐶𝑂2 e pressões parciais na corrente de gás. Por essa tecnologia ser madura poder ser facilmente, sem grandes custos ser implantada em termelétricas já existentes (XXXXXXXX et al., 2008). A figura 3 apresenta um diagrama de blocos do processo de pós-combustão.
Figura 3 – Diagrama do processo da Pós-combustão.
Fonte: o autor.
Apesar de ser um processo bem conhecido no mercado, devemos levar em
consideração os altos custos (dependendo da quantidade impurezas) de separação e do
𝐶𝑂2, uma vez que ele está diluído em uma mistura com inúmeras outras moléculas (devido o comburente ser ar atmosférico), existem perdas energéticas no processo de separação e compressão. Deve-se analisar qual a finalidade do 𝐶𝑂2 capturado, pois, para algumas finalidades é exigida alta pureza do gás (indústria de alimentos e bebidas), já para o armazenamento geológico não há grandes exigências com respeito a pureza (SPIGARELLI; KAWATRA, 2013).
Na oxi-combustão, combustível é queimado em uma atmosfera de oxigênio com alto grau de pureza (aproximadamente 95%), o produto dessa combustão é um gás contendo em sua grande parte 𝐶𝑂2 e 𝐻2𝑂 além de vestígios de outras impurezas, conforme a figura 4. O 𝐶𝑂2 é então capturado e armazenado (XXXXXXXXXX; KAWATRA, 2013).
Figura 4 – Diagrama do processo de oxi-combustão.
Fonte: o autor.
Essa rota tecnológica permite a obtenção de uma corrente de alta
concentração de 𝐶𝑂2 e também pode ser implementada em termelétricas já existentes, em contrapartida é necessária uma planta criogênica com grande capacidade, acarretando em altos custos de manutenção da planta e geração do 𝑂2 (XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 2016).
4. CHEMICAL LOOPING COMBUSTION (CLC)
Apesar das outras rotas citadas anteriormente serem mais antigas e algumas até testadas e aprovadas em escala industrial, cada umas delas possuem grandes desafios a serem superados, frente a esses gargalos, o processo Chemical looping combustion (CLC) tem uma visão nova e aprimorada para o processo de captura de 𝐶𝑂2. Além de ser considerado de acordo com o painel intergovernamental de mudanças climáticas IPCC (sigla em inglês - Intergovernmental Panel on Climate Change) como uma das tecnologias mais baratas para captura de 𝐶𝑂2 (ADANEZ et al., 2012).
Os princípios do processo CLC foram patenteados em 1954 por Xxxxxx X. Xxxxx e Xxxxx X. Xxxxxxxxx, onde incialmente foi proposto para produção de 𝐶𝑂2 puro (XXXXX; GILLILAND, 1954) esse é um conceito semelhante ao processo conhecido atualmente, também nessa patente foi introduzido o conceito de “carregadores” ou “transportadores” de oxigênio. Mais tarde, Xxxxxxx e Knoche, no início dos anos 80 propuseram o princípio do CLC para aumentar a eficiência térmica em turbinas termoelétricas a combustível fóssil (ADANEZ et al., 2012). Na mesma década, Xxxxxx et al. (XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 1987) foram os primeiros a introduzir o nome de Chemical- Looping Combustion em seu estudo termodinâmico para reduzir a perda de exergia causada pela conversão de energia de combustível em energia térmica em usinas convencionais a gás natural. Alguns anos depois, Xxxxxx e Xxx (XXXXXX; JIN, 1994a), (XXXXXX; XXX, 0000x) propuseram o CLC como um processo para captura de 𝐶𝑂2 usando transportadores de oxigênio à base de Fe e Ni (XXXXXX et al., 2012).
A combustão usando o processo CLC pode ser vista no esquema mostrado na figura 5. O esquema mostra dois reatores de leito fluidizado interligados, um reator de ar (reator de oxidação) o outro é o reator de combustível (reator de redução) entres esses dois reatores circulam o metal responsável por levar o oxigênio de um reator para o outro. O processo ocorre quando o metal empobrecido de oxigênio entra em contato com o ar e sofre a oxidação, logo, é enviado ao reator de combustão onde libera o oxigênio para queimar o combustível e assim o processo é repetido por um grande número de ciclos dependo da qualidade do transportador de oxigênio. Essas reações geralmente ocorrem de 800 − 1200°𝐶, o que dificulta ainda mais a produção de 𝑁𝑂𝑥 que por sua vez tem um alto grau de dependência da temperatura para que sua produção aconteça.
Figura 5 – Esquema do processo CLC.
Fonte: o autor.
Como observado o 𝑁2 e 𝑂2 não reagidos são expelidos na saída do ciclone
(como gás inerte) antes da mistura entrar em contado com combustível evitando a formação de 𝑁𝑂𝑋. Como todos outros componentes do ar foram expelidos anteriormente, apenas metal enriquecido com 𝑂2 entra em contato combustível, logo, os gases na saída do reator de redução são apenas 𝐶𝑂2 e vapor de água. A água é condensada com o uso de condensadores e uma corrente praticamente pura de 𝐶𝑂2 é obtida com poucas perdas energéticas no processo, é nesta etapa que se encontra o principal ganho energético do processo.
As reações que ocorrem na primeira etapa quando o metal 𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦−1 é oxidado e se transforma em 𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦, segue a reação 1:
(2𝑛 + 𝑚 − 𝑝)𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦−1 + (𝑛 + 𝑚/2 − 𝑝/2)𝑂2 → (2𝑛 + 𝑚 − 𝑝)𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦 (1)
A reação em que 𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦 é reduzido ao metal 𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦−1 na segunda etapa segue a seguinte forma da reação 2:
(2𝑛 + 𝑚 − 𝑝)𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦 + 𝐶𝑛𝐻2𝑚𝑂𝑝 → (2𝑛 + 𝑚 − 𝑝)𝑀𝑒𝑥𝑂𝑦−1 + 𝑛𝐶𝑂2 + 𝑚𝐻2𝑂 (2)
Após o metal ser reduzido, ele é posteriormente oxidado e o material regenerado está pronto para iniciar novamente o ciclo. Dependendo do óxido metálico utilizado, a reação de redução pode ser endotérmica ou exotérmica, enquanto a reação de
oxidação do metal é sempre exotérmica (XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 2016). A entalpia de combustão liquida é a mesma nas duas etapas e iguais da combustão convencional (onde o combustível é queimado direto com o ar), logo, a quantidade total de calor liberada no processo CLC é igual que na combustão convencional de acordo com a lei de Hess, que afirma que a variação de entalpia durante o curso completo de uma reação química é a mesma se a reação é feita em etapas (ADANEZ et al., 2012). Atualmente a maioria das plantas pilotos do mundo utilizam configuração composta por dois leitos fluidizados circulantes interligados ou CFB (sigla em inglês – Circulating Fluidized Bed), essa configuração apresenta exímias propriedades de reação, tais como, a alta eficiência no contato de gases e sólidos, bem como, o fluxo de materiais sólidos entres os reatores de combustível e de ar visando o menor tempo de residência possível do metal nos reatores.
4.1. TRANSPORTADORES DE OXIGÊNIO
Os transportadores de oxigênio tem papel importante, tanto na velocidade do processo quanto na eficiência do ciclo, além de terem o papel de carregar o oxigênio de um reator para o outro e também carregam calor. As características do transportador escolhido influenciam diretamente na quantidade de matéria que reside em cada leito e na razão de recirculação de sólidos entre os reatores. As partículas que formam os transportadores são compostas basicamente por óxidos metálicos combinados com materiais inertes que tem função de aumentar a porosidade, área de troca, podem afetar cinética da reação e tem a responsabilidade de evitar aglomeração, logo, o valor efetivo da capacidade de transporte de oxigênio de um transportador depende da fração do composto ativo para carregar o oxigênio (ADANEZ et al., 2012).
O material selecionado como carregador de oxigênio deve, primeiramente, ter alta capacidade de carregar oxigênio. Quanto melhor essa capacidade, menor será a necessidade de inventário nos reatores e menor será a taxa de recirculação. Esta característica é determinada primariamente pelo grau de oxidação do metal e o material de suporte utilizado na preparação da partícula. Metais com diferentes estados de oxidação também podem afetar o desempenho do processo (XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 2016).
O desempenho do transportador de oxigênio é um dos principais fatores que restringem todo o processo, portanto os carregadores de oxigênio adequados para o CLC devem atender alguns critérios (LIU; XXX; YANG, 2022):
a) Capacidade suficiente de transporte de oxigênio e boa reatividade com combustíveis;
b) Alta seletividade para produtos de gás direcionados;
c) Resistência a contaminantes e degradação de carbono;
d) Resistência mecânica contra atrito, fragmentação e aglomeração;
e) Alta estabilidade redox sob ciclos repetidos;
f) Baixo custo e acato ao meio ambiente.
Além da reatividade, outra característica importante de um transportador de oxigênio é o custo econômico, especialmente para materiais sintéticos. O custo de um transportador de oxigênio será a soma de vários fatores, incluindo o custo do óxido metálico, o inerte e o custo de fabricação. Quando métodos industriais são usados, os custos de fabricação do transportador de oxigênio são bastante baixos e o custo final é dado principalmente pelo preço das matérias-primas (ADANEZ et al., 2012).
Alguns transportadores são comuns na literatura em sua forma sua forma oxidada e reduzida comumente usados em simulações e plantas de teste: 𝐹𝑒2𝑂3/𝐹𝑒3𝑂4,
𝐶𝑢𝑂/𝐶𝑢, 𝑀𝑛2𝑂3/𝑀𝑛3𝑂4 e 𝑁𝑖𝑂/𝑁𝑖 (KAPPAGANTULA; INGRAM; VUTHALURU, 2022). Para o presente trabalho priorizou-se o custo e número de horas em plantas de teste real para escolha do transportador de oxigênio. O 𝐹𝑒2𝑂3/𝐹𝑒3𝑂4, por exemplo, apresenta baixo custo, mas com baixa escalabilidade de uso em testes reais. O 𝑁𝑖𝑂/𝑁𝑖 se apresentou como uma ótima alternativa devido as quase 2468h de testes além de apresentar um custo relativamente baixo quando comparado a outras opções de carregadores de oxigênio (NANDY et al., 2016).
5. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO PROCESSO
A simulação de processos é uma poderosa ferramenta que permite a elaboração de diversos cenários e situações, nas quais pode-se realizar análises e avaliações, prever resultados e desempenho para que se torne possível melhorias em processos sem grandes custos com testes de campo, isso tem chamado atenção do setor industrial, pois, com uso de simuladores que reproduzem processos reais podem se tornar mais competitivas, uma vez que visam atingir patamares mais elevados de produção e eficiência. No topo dos programas mais usados para tais aplicações sendo no setor acadêmico ou industrial são: Matlab®, ASPEN/HYSYS® PLUS®, UNISIM®, Scilab®, PROII®, EMSO®, gPROMS®, MathCad®, Maple® e CAPE-COCO®. O acesso rápido e eficiente a dados confiáveis e métodos adequados é uma de suas principais justificativas, esses instrumentos auxiliam engenheiros em tomadas de decisões importantes em um projeto de uma planta de refino de petróleo, por exemplo. A confiabilidade do processo reside nas informações introduzidas e na escolha correta dos métodos de cálculos e propriedades inerentes ao cálculo.
Com o desenvolvimento da computação gráfica e programação, os softwares de simulação já possuem uma interface mais simplificada de fácil utilização, de rápida aprendizagem, rotinas matemáticas testadas e consolidadas para uso acadêmico e comercial, não menos importante, são equipados com uma vasta biblioteca de pacotes termodinâmicos, elementos químicos, substâncias puras e misturas, além de diversos equipamentos para cálculos de otimização.
Contudo, as simulações possibilitam aos engenheiros uma previsão do processo real com testes preliminares através de modelos matemáticos estabelecidos que permitem previsão de custos, viabilidade do processo, otimizações de processo existentes e pesquisas por novos processos alternativos.
Aspen Plus® é uma ferramenta de engenharia de processos que está em desenvolvimento ao longo dos anos. Seu objetivo principal é a simulação computacional de plantas químicas que operam em estado estacionário. O simulador contém uma coleção de modelos matemáticos para diferentes tipos de equipamentos para processos químicos, tais como, permutadores de calor, bombas, compressores, turbinas, colunas de destilação, absorvedores, decapantes e reatores químicos. Um modelo matemático é essencialmente
um conjunto de equações que descrevem as partes relevantes de um equipamento e seu funcionamento. Os usuários podem selecionar a partir de modelos padrão e introduzir informações chave para sua utilização, tais como, produtos químicos envolvidos, temperaturas, pressões, taxas de fluxo, dimensões e depois lograr o modelo para calcular peças desconhecidas do processo, por exemplo, taxas de conversão de reações, eficiências, desempenho critérios, condições de produção, gasto de energia, custos e etc (ADAMS II, 2018).
Embora alguns dos modelos possam ser suficientemente simples para utilizar "à mão" individualmente, o real poder do software é a capacidade de ligar centenas de modelos em um sistema de processo, construindo assim um modelo completo para um produto químico ou uma até mesmo uma planta inteira contendo potencialmente milhões de equações. Assim torna-se possível executar uma simulação utilizando um modelo pré- modelado, o que significa essencialmente resolver as equações a fim de encontrar as importantes incógnitas sobre o processo. Para que isso seja possível, AspenPlus® contém uma variedade de algoritmos testados ao longo do tempo que são úteis e muitas vezes muito eficazes na resolução do sistema de equações, rapidamente e com precisão. Os modelos em AspenPlus® são bastante genéricos. Isto significa que se pode trabalhar com diversos tipos de aplicações e com inúmeros produtos químicos (ADAMS II, 2018). Por exemplo, um modelo de trocador de calor pode ser utilizado para calcular a quantidade de calor necessária para aquecer um determinado produto químico de uma temperatura para outra que esse exemplo seja possível, os modelos necessitam informação sobre os produtos químicos envolvidos.
O modelo de trocador de calor, para o exemplo, precisa de saber não só o químico que está a ser aquecido, mas também outras informações, tais como o ponto de ebulição e calor de vaporização do produto químico se este passar por uma mudança de fase, se há uma mistura de químicos no interior do trocador de calor, depois é necessário conhecer esta informação para todos os produtos químicos individuais, bem como a forma como deve lidar com os efeitos da mistura. Encontrar esta informação na literatura pode ser bastante enfadonho, o tempo consumindo, e mesmo caro, especialmente para simulações com muitos produtos químicos. Felizmente, AspenPlus® contém uma base de dados maciça (conhecida como “Aspen Properties”) contendo informação sobre propriedade física literalmente centenas de milhares de produtos químicos. Isto inclui correlações para a capacidade calorifica, condutividades térmicas, viscosidade, tensão superficial, moleculares pesos, densidades, e propriedades críticas. Contém parâmetros
para equações - modelos de estado que ligam temperatura, pressão, entalpia, entropia, volume molar e fugacidade, tais como Xxxx-Xxxxxxxx, Soave Redlich-Kwong, Chao- Seader, PC-SAFT, Não Aleatório Dois-Líquidos (NRTL), UNIQUAC, e muitos outros. Tem mesmo a capacidade de utilizar certos métodos teóricos (tais como a UNIFAC) para prever parâmetros em que falta informação ou para produtos químicos que não se encontram todos parâmetros necessários em sua base de dados, apenas a partir da estrutura da própria molécula (ADAMS II, 2018).
No entanto, é muito importante reconhecer que estes são apenas modelos, e que podem ter diferentes graus de precisão em função da temperatura, pressão e mistura nas diversas condições em que são utilizadas. Felizmente, a base de dados também contém uma quantidade muito grande de medições experimentais de propriedades físicas, por isso pode determinar rapidamente o quão bem os modelos que se escolheu são suficientes para resolução do problema e com dados experimentais relevantes (ADAMS II, 2018).
De um modo geral, os modelos de propriedades físicas e dados incluídos no software é uma das suas características mais úteis. O AspenPlus® inclui agora uma ligação direta ao Aspen Capital Cost Estimator®, que pode ser utilizado para estimar os custos em capital de uma peça de equipamento com grande de precisão. Com base de dados realistas para plantas de construção e modelos de custos detalhados (por exemplo, incluindo literalmente um artigo de linha chamado porcas e parafusos, ou contando o número de camadas de tinta para o equipamento ou paredes do local), estas estimativas são atualizadas rotineiramente e fornecem uma estimativa rigorosa dos custos de capital da peça de equipamento, por exemplo (ADAMS II, 2018).
Em resumo o software é extremamente útil para a construção rápida de produtos químicos com rigorosos modelos para fins de simulação de processo, eficiência energética, analises de custos, prototipagem rápida ou solução de problemas de engenharia (ADAMS II, 2018).
6. METODOLOGIA
Neste tópico é apresentado a metodologia usada para levar a cabo a modelagem computacional do processo de combustão chemical looping combustion (CLC) com o gás natural (GN) como combustível. Também se indica a forma como são inseridos os diversos componentes a serem utilizados no software AspenPlus®, onde se apresentam as reações e parâmetros encontrados na literatura que possibilitam a realização da presente simulação do processo de combustão cíclica. Logo é revelado o desenvolvimento da sequência caracterizando os componentes usados no programa.
6.1 COMPONENTES E MÉTODOS DE RESOLUÇÃO
Na literatura há inúmeros estudos sobre os componentes envolvidos no processo CLC. XXXXXX; XXX, 1994a, XXXXXXXXXX et al., 2008 e SURESH, 2016 citam
diversos componentes necessários para a simulação do processo CLC, são compostos tanto na fase gasosa quanto na fase sólida. Metodologicamente nesta simulação serão abordados os componentes mais relevantes e uteis, propostos pelos autores, dada a finalidade do trabalho. A figura 6 mostra os componentes já inseridos no software com a respectiva identificação com o que constam no AspenPlus®.
Figura 6 – Componentes Usados na simulação do processo CLC.
Fonte: Aspen plus®, 2022.
Sabe-se que a composição do combustível tem grande influência sobre os
rendimentos e sobre as composições das correntes da saída da planta. De acordo com XXXXXXXXXX et al., 2008, o principal constituinte do combustível é o metano, mas a composição exata pode variar ao longo do tempo, é mostrada na tabela 1 a composição do gás natural usada em seus experimentos. Para simplificação da simulação é comum usar somente o metano como combustível e ainda sim obter resultados satisfatórios devido a sua grande representatividade em relação aos outros constuintes do combustível.
Tabela 1 – Composição do gás natural.
Componente | Fórmula | Mol (%) |
Metano | 𝐶𝐻4 | 89,78 |
Etano | 𝐶2𝐻6 | 5,82 |
Propano | 𝐶3𝐻8 | 2,31 |
Isobutano | 𝐶4𝐻10 | 0,39 |
n-Butano | 𝐶4𝐻10 | 0,53 |
Isopentano | 𝐶5𝐻12 | 0,12 |
n-Pentano | 𝐶5𝐻14 | 0,08 |
Hexano+ | 𝐶6𝐻14 | 0,06 |
Nitrogênio | 𝑁2 | 0,27 |
Dióxido de carbono | 𝐶𝑂2 | 0,62 |
Fonte: (LINDERHOLM et al., 2008).
Após a escolha correta dos componentes, uma das principais e mais importantes decisões é a seleção do método de cálculo e as propriedades que estão contidas nele. Um método no Aspenplus® é o conjunto de modelos usados para calcular propriedades cinéticas e termodinâmicas de transporte. Assim o presente o método já baseado no banco de dados do software, que são amplamente utilizados por outros pesquisadores em estudos do mesmo escopo (XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 2016), (SURESH, 2016) e (XXXX et al., 2013), o método termodinâmico de fases de multicomponentes Soave-Redlich-Kwong (SRK) além de MIXCISLD que é usado como a classe de STREAM, que contém MIXED e SOLIDS CONVENTIONAL. A classe de reatores para modelar a planta é do tipo RGIBBS, tal escolha se ocasionou devido a essa classe ser muito útil quando as reações não são conhecidadas ou quando o processo ocorre com um grande número de reações devido a alta quantidade de componentes. O separador de gás-
sólido é modelado usando o modelo de separador de componentes em Aspen nomeado SPLITTER (CYCLONE). Todos esses modelos em Aspen mais os fluxogramas são resolvidos em uma abordagem modular sequencial, onde as equações de balanço de massa e energia para diferentes unidades são resolvidas sequencialmente através de blocos de equações. É mostrado na figura 7 um fluxograma usado como esboço para auxiliar a simulação e no processo entendimento do estudo de caso. Onde cada cor representa um fluxo.
Fonte: O autor.
Figura 7 – Esboço do processo CLC.
A partir do esboço da figura 8 tornou-se possível obter a melhor configuração para sistema e em seguida se deu o início do processo de simulação com o auxílio do software AspenPlus®.
Segundo XXXX et al., 2013 as eficiências termodinâmicas aumentam com o aumento das razões de pressão do ar e das temperaturas de entrada da turbina. XXXXXX; XXX, 1994; XXXXXX et al., 2012; XXXX et al., 2013 e SURESH, 2016 propuseram plantas semelhantes com dados de temperaturas e pressões já testadas em outros experimentos, simulações e plantas reais. Através da simulação foi possível obter uma combinação que fosse semelhante aos trabalhos citados para obtenção eficiência energética que torne o projeto viavel. No decorrer do texto as temperaturas e pressões do processo serão apresentadas. Na figura 8 é mostrado o fluxograma simulação através do FLOWSHEET do software Aspenplus®.
O reator de redução ou reator de combustível (RR), recebe a corrente de sólidos do ciclone (CY) e a corrente de combustível. Uma vez que a reação de combustão de metano com óxido de níquel é endotérmica, o equilibrio térmico é obtido através do carregador de oxigênio. No reator de combustível (RR), o transportador de oxigênio tem dupla função, fornecer oxigênio para queima do combustível e calor para reação. Os gases de combutão são levados para uma turbina (GT2) para geração de potência e posteriormente é usado para pre-aquecer o combustível em (B1) após perder calor esse gás composto em sua maioria de 𝐶𝑂2 e 𝐻2𝑂 são levados para um vaso (B2), onde a água é condesada e o 𝐶𝑂2 com alto grau de pureza pode ser comprimido através de um compressor. No reator ar ou reator de oxidação (RO), o níquel reduzido, ao entrar em contato com o ar é oxidado em uma reação exotérmica onde é levado ao ciclone (CY) assim reiniciando um novo ciclo. O separador de sólidos divide fluxo em duas correntes onde uma corrente é em sua maior concentração de nitrogênio e oxigênio não reagido e a outra de óxido de níquel que vai para o reator de combustão. A primeira corrente é levada para uma turbina (GT1) de geração de potência e posteriormente é usada para preaquecer em (B4) o ar pressurizado que chega de uma compressão em três estágios.
Figura 8 – Flowsheet processo CLC
Fonte: O autor, AspenPlus®.
Para melhor descrever as temperaturas de trabalho vamos seguir as correntes. O gás combustível pressurizado a 25°C é pré-aquecido pelo gás de exaustão de GT2 para aumentar sua temperatura até aproximadamente 200°C é então introduzido no reator de combustão (RR). No RR as partículas de NiO que estão a 1200°C são introduzidas após a passagem no ciclone (CY), logo, NiO é reduzido a Ni pela reação (2) endotérmica e o Ni a 465°C é então alimentado no reator de oxidação (RO). O produto gasoso descarregado do reator de redução consiste principalmente em 𝐶𝑂2 e 𝐻2𝑂 a 465 °C, este gás de escape pressurizado a 18 bar gera energia no GT2, após as expanção ele é resfriado pela liberação de calor para o gás combustível através do trocador de calor (B1). A água líquida é removida em vaso condensador (B2) e o 𝐶𝑂2 a 50°C e 1 bar é recuperado.
Seguindo o fluxo “AIR” (nome dado a STREAM) tem-se o ar entrando em uma configuração de compressão de três estágios a 25°C e pressão atmosférica, onde é comprimido até 19 bar, logo, o ar pressurizado é pré-aquecido em (B4) pelos gases de escape da GT1 que estão a 537°C, o ar pré-aquecido até aproximadamente 496°C é introduzido no reator de oxidação (RO). Aqui o Ni fornecido pelo reator de redução é oxidado pelo ar pré-aquecido e pressurizado, como a reação (1) é exotérmica, um produto a 1200°C é levado ao CY para separação de sólidos, após a separação, o gás de exaustão é introduzido na GT1 para geração de potência e posteriormente é usado para pré-aquecer o ar de entrada do RO. Após aproveitar toda a energia térmica do gás, que consiste em sua maior parte 𝑁2, é então descarregado na atmosfera (como gás inerte). Para reação foi ultilizado 27,45 mol de ar para cada mol de combustível (ISHIDA; XXX, 0000x).
7. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os fluxos de combustível e ar usados nessa simulação para produzir 111 𝑀𝑊 são de 27.450 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ𝑟 de ar e 1000 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ𝑟 de metano e mais alguns parâmetros considerados para o presente estudo de caso estão listados na tabela 2. Considerando que o PCI do metano é de 12.000 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔, 1 𝑘𝑔 de 𝐶𝐻4 é equivalente a 50.400 𝑘𝐽(𝑘𝑊𝑠) ou 14 𝑘𝑊ℎ (REGO; XXXXXXXXX, 2006).
Tabela 2 – Parâmetros importantes para o estudo.
PARÂMETRO | VALOR |
Condições atmosféricas | 25°𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟 |
Reator de ar (RGIBBS) – RO | Condições adiábaticas |
Reator de combustível (RGIBBS) - RR | Condições adiábaticas |
Combustível | 𝐶𝐻4 |
Composição do ar | 21% 𝑂2 e 79%𝑁2 |
Taxa de conversão de NiO em Ni | 99% |
Pureza do 𝑪𝑶𝟐 recuperado | 89% |
Eficiência do compressor | 85% |
Eficiência Isentropica das turbinas | 88% |
Vazão de combustível [𝒌𝒈⁄𝒉𝒓] | 16042,80 |
PCI do metano [𝒌𝑾𝒉⁄𝒌𝒈] | 14,00 |
Fonte: O autor.
A eficiência energética do processo pode ser calculada através das
equações propostas por XXXX et al., 2013:
𝜂𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜
= 𝑊𝑙í𝚐𝑢𝑖𝑑𝑎 × 100% (1)
𝑚̇ 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 × 𝑃𝐶𝐼𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜
A potência líquida da planda (𝑊𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎)[𝑀𝑊] é dada por:
𝑊𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 = ∑ 𝑊𝑡𝑢𝑡𝑏𝑖𝑛𝑎 + ∑ 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 (2)
Onde 𝑊𝑡𝑢𝑡𝑏𝑖𝑛𝑎[𝑀𝑊] é a potência de saída da turbina a vapor e 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟[𝑀𝑊] é o trabalho de comsumo dos compressores. Na tabela 3 estão dispostos valores de potência e consumo calculados pelo Aspenplus®, por convenção os valores de consumo são dados como potência negativa:
Tabela 3 – Potência dos equipamentos.
Equipamento | Potência [𝑴𝑾] |
COMPRES1 | −66,67 |
COMPRES2 | −24,49 |
COMPRES3 | −13,35 |
GT1 | 206,27 |
GT2 | 9,44 |
𝑾𝒍í𝒒𝒖𝒊𝒅𝒂 | 111,2 |
Fonte: O autor.
7.1 DESCRIÇÃO DOS PRINCIPAIS COMPONENTES E FLUXOS DA PLANTA
A equação de estado e os componentes das correntes de entrada que usados na simulação são mostrados mostrados na tabela 4.
Tabela 4 – Parâmetros de entrada.
Objeto | Valores de parametros | Comentários |
Método de propriedade | Equação de estado Redlich-Kwong-Soave (SRK) | Recomendado por XXXX; XXXXXX, 2016 e XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 2016. |
Espécies presentes | 𝐶𝐻4, 𝐻2𝑂, 𝐶𝑂2, 𝐶𝑂, 𝐻2, 𝑁𝑖, 𝑁𝑖𝑂, 𝑁2 e 𝑂2 | 𝑁𝑖 e 𝑁𝑖𝑂 são especificados como componentes sólidos convencionais. |
Fonte: O autor.
Uma visão geral dos fluxos de entrada e suas respectivas composições são
mostrados na tabela 5. Na tabela 5 tem os fluxos molares dos componentes das correntes citadas, bem como sua vazão mássica em 𝑘𝑔/ℎ𝑟. O AspenPlus® disponibiliza tais valores na aba “RESULTS”.
Tabela 5 – Fluxos de entrada.
Fluxo de entrada | Valores de Parâmetro | Comentários |
FUEL | 100% 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 1000 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ𝑟 𝐶𝐻4 16042,8 𝑘𝑔/ℎ𝑟 | Fluxo de alimentação de combustível. Esta vazão corresponde a 16042,8 𝑘𝑔/ℎ𝑟. Esse valor corresponde a proporção recomendada por XXXXXX; JIN, 1994 de 1 mol de combustível para 27,45 mol de ar. |
AIR | 21% 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 e 79% 𝑚𝑜𝑙 𝑁2 27450 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ𝑟 1,01 × 106 𝑘𝑔/ℎ𝑟 | Processo de entrada de fluxo de ar em condições atmosféricas. |
ME | 100% 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑖 4000 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ𝑟 234,87 × 103 𝑘𝑔/ℎ𝑟 | Transportador de oxigênio. Na prática o transportador de oxigênio é reciclado, mas para simulação é considerado uma corrente de entrada. As informações de tamanho da parícula fornecidas não afetam a simulação. |
Fonte: O autor.
Uma visão ampla dos equipamentos e suas respectivas funções
desempenhadas no processo são mostrados na tabela 6. Acrescenta-se ainda que para reduzir o aquecimento do ar utiliza-se a compressão em três estágios, uma vez que o ar é resfriado após cada estágio antes de ser comprimido até a pressão desejada, a vantagem desse método reside no fato de que a compressão por estágios permite, por meio da refrigeração intermediária, a redução do trabalho de compressão, portanto, aproximando- se da compressão isotérmica, onde consequentemente há um aumento de eficiência energética.
Tabela 6 – Principais equipamentos e funções.
Operações Unitárias | Valor de Parâmetros | Comentários |
COMPRES1 COMPRES2 COMPRES3 | O primeiro estágio vai de 1 𝑏𝑎𝑟 para 6 𝑏𝑎𝑟, o segundo de 6 𝑏𝑎𝑟 para 13 𝑏𝑎𝑟 e o terceiro de 13 𝑏𝑎𝑟 para 19 𝑏𝑎𝑟. | O fluxo de ar de entra em condições de temperatura e pressão ambiente, onde é comprimido em três estágios. |
B4 (HeatX) | Aquecedor/resfriador (bloco aquecedor) | Resfria corrente de Ar que sai da turbina GT1 de 537°𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟 para 170°𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟 pré-aquecendo a corrente de ar que entra para o RO até 496°𝐶, 19 𝑏𝑎𝑟. |
RO (RGbbis) | Reator de Oxidação 4𝑁𝑖 + 𝑥(𝑂2 + 𝑁2) → 𝑥𝑁2 + 4𝑁𝑖𝑂 100% de conversão de 𝑁𝑖 para 𝑁𝑖𝑂. O ar está em excesso. | O transportador de oxigênio é oxidado com ar atmosférico em uma reação exotérmica. A simulação calcula o ganho térmico necessários para suprir as necessidades de calor do processo de de reações posteriores. |
CY (Splitter) | Divisor de subfluxo em que todas as espécies de gás se reportam à saída de gás e todas as saídas de sólidos se reportam a saída de sólidos. | Separador de Gás-sólido ideal. |
GT1 (turbina a gás) | O gás que está a 1200 °𝐶, 18 𝑏𝑎𝑟 é expandido em GT1 até 537 °𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟. Eficiência isentropica de 88%. | Expande o gás para geração de potência. |
RR (RGbbis) | Reator de Redução 4𝑁𝑖𝑂 + 𝐶𝐻4 → 2𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 + 4𝑁𝑖 99,8% de conversão de 𝑁𝑖𝑂 para 𝑁𝑖, para o ciclo esse valor é normalizado pela simulação. | O transportador de oxigênio é reduzido em uma reação endotérmica. A simulação já calcula a perda térmica e o calor necessário é transportado também pelo metal. |
Continua...
Operações Unitárias | Valor de Parâmetros | Comentários |
GT2 (Turbina a gás) | O gás que deixa o XX x 000 xX, 00 𝑏𝑎𝑟 é expandido até 174 °𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟. Eficiência isentropica de 88%. | O gás é expandido para geração de potência. |
B1 (HeatX) | Aquecedor/resfriador (bloco aquecedor) | Resfria corrente de 𝐶𝑂2 e vapor de água quase puro que sai da turbina GT2 de 537°𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟 para 174°𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟 pré-aquecendo a corrente de combustível que entra para o RO até 162°𝐶, 19 𝑏𝑎𝑟. |
B2 (FLASH2) | Modelo de condensador, vapor/líquido. | O fluxo que sai do trocador de calor é resfriado até 50°𝐶, 1 𝑏𝑎𝑟 com o objetivo de recuperar o 𝐶𝑂2 produzido durante a combustão. |
Fonte: O autor
Conclusão.
Seguindo as análises de resultados temos a corrente de saída para
recuperação do 𝐶𝑂2. É mostrado na tabela 7 a corrente de gás (rico em dióxido de carbono e água) proveniente da GT2.
Tabela 7 – Corrente de gás rico em 𝐶𝑂2.
CO2 | COLD |
Componente | Fração molar |
𝑪𝑯𝟒 | 4,27 × 10−7 |
𝑯𝟐𝑶 | 0,66 |
𝑪𝑶𝟐 | 0,33 |
𝑪𝑶 | 1,60 × 10−4 |
𝑯𝟐 | 2,13 × 10−3 |
𝑵𝒊 | 0 |
𝑵𝒊𝑶 | 0 |
𝑵𝟐 | 0 |
𝑶𝟐 | 2,62 × 10−26 |
Fonte: O autor.
Após a passagem do fluxo no condensador tem-se os fluxos CO2RE (corrente gasosa) e WATER (corrente líquida), onde o 𝐶𝑂2 pode ser recuperado com 89% de pureza sem presença de outros gases poluentes tais como 𝑆𝑂𝑥 e 𝑁𝑂𝑥, uma vez que a combustão acontece somente na presença de 𝑂2. Os resultados são mostrados na tabela 8 e 9. Tais resultados serão usados para o cálculo da eficiência de captura de carbono (𝜂𝐶𝐶), esse valor tem suma importância para verificação do desempenho da planta e corroborar que o processo é de fato um grande aliado para o combate a emissão de poluentes na produção de energia.
Tabela 8 – Composição em fração molar da corrente CO2RE.
CO2 | RE |
Componente | Fração molar |
𝑪𝑯𝟒 | 1,14 × 10−6 |
𝑯𝟐𝑶 | 0,10 |
𝑪𝑶𝟐 | 0,89 |
𝑪𝑶 | 4,29 × 10−4 |
𝑯𝟐 | 5,73 × 10−3 |
𝑵𝒊 | 0 |
𝑵𝟐 | 0 |
𝑶𝟐 | 0 |
Fonte: O autor.
Tabela 9 – Composição em fração molar da corrente WATER.
WAT | ER |
Componente | Fração molar |
𝑪𝑯𝟒 | 1,55 × 10−12 |
𝑯𝟐𝑶 | 0,99 |
𝑪𝑶𝟐 | 6,57 × 10−5 |
𝑪𝑶 | 8,05 × 10−11 |
𝑯𝟐 | 3,78 × 10−9 |
𝑵𝒊 | 0 |
𝑵𝟐 | 0 |
𝑶𝟐 | 0 |
Fonte: O autor.
A eficiência de recuperação de carbono é calculada através da equação (4) baseada na pesquisa de XXXXXXXX et al., 2018:
𝐶𝑂2𝑅𝐸 (4)
[𝐹𝐶𝐻4+𝐹𝐶𝑂2+𝐹𝐶𝑂]
𝜂𝐶𝐶 = × 100%
𝐶𝑂2𝑅𝐸
𝑊𝐴𝑇𝐸𝑅
[𝐹𝐶𝐻4 +𝐹𝐶𝑂2+𝐹𝐶𝑂] +[𝐹𝐶𝐻4+𝐹𝐶𝑂2+𝐹𝐶𝑂]
Onde, 𝐹𝐶𝐻4 é a fração molar do metano, 𝐹𝐶𝑂2 é a fração molar do dióxido de carbono, 𝐹𝐶𝑂 é a fração molar do monóxido de carbono e os subscritos 𝐶𝑂2𝑅𝐸 e 𝑊𝐴𝑇𝐸𝑅 referem-se ao fluxo de origem das frações molares. Todos os valores podem ser observados nas tabelas 8 e 9.
7.2. EFICIÊNCIAS DO PROCESSO (𝜂𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜) E DE CAPTURA DE CARBONO (𝜂𝐶𝐶 )
Com os dados obtidos na simulação e as equações já descritas nodecorrer do trabalho torna-se possível o cálculo das eficiências. Usando as equações (1) e (2) tem- se a eficiência energética do processo:
𝜂𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜
= 111×103
16042,80×14,00
× 100% = 49,42% (3)
Podemos tomar esse valor de eficiência energética como aceitável, uma vez que a simulação foi realizada desconsiderando perdas térmicas. As eficiências energéticas podem variar de forma considerável de pesquisa para pesquisa do mesmo escopo, com equipamentos, métodos e combustíveis diferentes, mas com configurações de plantas com semelhanças notáveis, além do processo base ser o Chemical Looping Combustion. O modelo de planta proposto por XXXXXX; JIN, 1996 obteve uma eficiência energética de 55,1% utilizando ar saturado em suas pesquisas, em um estudo do mesmo pesquisador publicado em 1987 a eficiência obtida no processo usando ar atmosférico foi de 50,2% (ISHIDA; XXXXX; XXXXXXX, 1987). Já nas pesquisas de SURESH, 2016;
XXXXXX; XXXXX; XXXXXXX, 2016, XXXX et al., 2011 e XXXX et al., 2013 a eficiência em seus estudos ficaram entre 31,2% e 42,7%. XXXXXX; XXX, 1996 relata em seus estudos que a eficiência energética do processo CLC pode ser maior em até 8 pontos percentuais em relação aos ciclos combinados convencionais.
Para obter o resultado da eficiência de captura de carbono substitui-se os valores na equação (4), temos que:
[1,14×10−6+0,89+4,29×10−4]
𝐶𝐶
𝜂 = 𝐶𝑂2𝑅𝐸 × 100% = 99% (5)
[1,14×10−6+0,89+4,29×10−4]𝐶𝑂2𝑅𝐸+[1,55×10−12+6,57×10−5+8,05×10−11]𝑊𝐴𝑇𝐸𝑅
A eficiência de 99% para a captura de carbono é sustentada através da literatura. De acordo com estudos de XXXXXXXX et al., 2018 e XXXX et al., 2020 tiveram suas eficiências calculadas entre 94% à aproximadamente 100%. O
𝐶𝑂2 recuperado pode ser utilizado, por exemplo, em fotossíntese biológica ou artificial ou pode ser comercializado para indústrias de refrigerante (dependendo grau de pureza).
8 CONCLUSÕES
Uma usina termelétrica utilizando o processo de Chemical looping combustion (CLC) com recuperação de 𝐶𝑂2 é proposta e avaliada. A eficiência energética da usina é de 49,42% e o 𝐶𝑂2 é recuperado com 89% de pureza e com 99% de recuperação de carbono é obtido. As funções gerais de cada equipamento da planta são descrevidas.
O desempenho da usina é satisfatório e o projeto se provou factível, caso haja a necessidade de compressão do fluxo recuperado de gás, a eficiência global da usina ainda seria de pelo menos 42%. O CLC quando comparado com usinas convencionais de ciclo combinado (IGCC) com captura de 𝐶𝑂2 por pré-combustão e pós-combustão leva grande vantagem econômica, uma vez que são necessários sistemas complexos de separação água/gás e unidades de remoção de gás ácido elevando assim o custo de investimento inicial. Alguns desafios permanecem nesta inovadora maneira de recuperar o
𝐶𝑂2 dá combustão de usinas termelétricas e uma investigação mais aprofundada é necessária em trabalhos futuros.
8.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Com a intuito de dar continuidade ao trabalho realizado, alguns estudos podem ser feitos para obtenção de melhorias e aquisição de novos dados para aprimorar tal linha de pesquisa. As sugestões são:
• Estudos para otimização e inserção de fluxos de integração de calor para geração de vapor visando a recuperação do calor.
• Pesquisas especializadas em novos transportadores de oxigênio.
• Analise sucinta da sensibilidade a temperatura nos reatores RR e RO para determinar condições operacionais ideais.
• Desenvolver estudos de viabilidade econômica de uma UTE utilizando Chemical looping Combustion.
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