painéis da engenharia / senge-rs : uso do carvão mineral ... · da realização de ensaios,...

Eng.° Guilherme de Souza, D.Sc.

Fundação de Ciência e Tecnologia - Cientec

A cadeia carboquímica como

alternativa para a valorização do

carvão mineral da região sul do Brasil

Painéis da Engenharia / Senge-RS : Uso do carvão mineral

gaúcho no desenvolvimento sustentável do Estado

2

A Fundação de Ciência e Tecnologia - Cientec

Painéis Engenharia

Auditório do Senge-RS

08-Out-2015

A Fundação de Ciência e Tecnologia - Cientec

- Fundação pública, vinculada à Secretaria de Desenvolvimento Econômico, Ciência e Tecnologia do RS. - Sucessora do Instituto Tecnológico do Estado do Rio Grande do Sul – ITERS (1942);- Sua missão é “produzir soluções tecnológicas para o desenvolvimento da sociedade”;- Atua no mercado realizando prestação de serviços tecnológicos para empresas públicas e privadas, órgãos públicos, associações, entidades e pessoas físicas, através da realização de ensaios, calibrações, consultorias, inspeções, pesquisa, desenvolvimento, extensão e informação tecnológica.

Etapas do Processo de Inovação

3

Atuação em Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação – Cientec

Painéis Engenharia


08-Out-2015

4

Matriz energética mundial

Reservas mundiais de recursos fósseis1:

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08-Out-2015

1 EnergyBC

5


Previsão de consumo de energia por fonte1

Painéis Engenharia


08-Out-2015

1 BP Stat. Review

6


Previsão de consumo de energia por fonte

Painéis Engenharia


08-Out-2015

7

Potencial do carvão mineral no Brasil

Produção versus Reservas de carvão1:

Painéis Engenharia


08-Out-2015

1 BP Stat. Review apud CGEE

Recursos e Reservas Energéticas Brasileiras (MME) – Equivalência energética:

Petróleo = 2,08·109 tep

Carvão mineral = 7,03·109 tep

Reservas de carvão mineral no Brasil:

Carvão mineral na matriz energética:

Capacidade instalada total1:

RS = 6,58 %

1ANEEL, 06/10/2015

8

Potencial do carvão mineral no Brasil

3,5 X

~ 90%

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08-Out-2015

9

Carvão mineral gaúcho para termoeletricidade

Usinas termelétricas a carvão mineral no Rio Grande do Sul:

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08-Out-2015

UTPM – Eletrobras CGTEE1 UTCH – Tractebel Energia2

UTE Pampa Sul – Tractebel Energia2

Leilão A-5 – 28/11/14

Perspectivas promissoras - Leilões A-5 futuros1Website da Eletrobras CGTEE 2Website da Tractebel Energia

Consumo de EE no Brasil e Oferta Interna de Energia

10

Carvão mineral gaúcho para termoeletricidade

1EPE / MME – Balanço Energético Nacional – ano base 2014

Crescimento do consumo total de eletricidade superior ao crescimento do consumo total de energia maior acesso a EE, renda e clima

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08-Out-2015

Plantas de pesquisa em (oxi)combustão - Cientec

11

Carvão mineral gaúcho para termoeletricidade – PDI Cientec

Leito fluidizado borbulhanteConstrução: 1981 (Finep)Tecnologia transferida para o setorindustrial)

Leito fluidizado circulanteConstrução: 2012 (CNPq)Tecnologia inovadora1ª planta-piloto no Brasil, única para comb.

Ar/O2

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08-Out-2015

Pesquisas em (oxi)combustão - Cientec

12

Carvão mineral gaúcho para termoeletricidade – PDI Cientec

Biomassas:Casca de arrozCavacos de madeiraAparas de couro e outros resíduos

ArAtmCinzas

Limpeza

Carvão Biomassa

CO2

NOx,SOx

MP

Calcário

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08-Out-2015

Condição 1 2 3

Casca de arroz:Carvão 100:0 75:25 25:75

Tfreeboard (°C) 816 775 777

Us (cm/s) 40 40 40

Ar/Combustível 5,3 5,1 4,4

O2 (%) 8,9 6,7 9,3

SO2 (ppm 6%O2) 121 841 1753

Reciclo

Oxicombustão

O2

13

Carvão mineral gaúcho para carboquímica

Petroquímica

Carboquímica

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08-Out-2015

14

Carvão mineral gaúcho para carboquímica – etapas do processo

TAR

H2S

COS

Reator WGS

H2 / CO ≈ 2-3

CxHyOz H2

CO

CO2

CH4

TAR

H2S

COS

Gaseificação Limpeza do gás Síntese

Carvão Biomassa

Metanol Gás Natural S.

Gasolina Diesel e outros

H2O

O2

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08-Out-2015

Planta de pesquisa de gaseificação LFB – CIVOGÁS

• Gaseificador em leito fluidizado borbulhante atmosférico

• Produção de gás de síntese para aplicação em motores

de combustão int. ou para síntese de produtos químicos

• C(s) + H2O → CO + H2 ΔH298K = 131 kJ·gmol-1

15

Gaseificador LFB - CIVOGÁS

Carvão mineral gaúcho para carboquímica – PDI Cientec

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08-Out-2015

Exemplo de operações de Gaseificação – CIVOGÁS

16


Combustível Carvão Madeira Casca de arroz Casca de babaçú Turfa

Caract. combustível

Cinza (% peso) 38,5 0,4 18,6 4,8 10,1

umidade (% peso) 9,5 21 12 15 31

PCI (MJ/kg) 18,4 19,4 15,5 18,7 20,9

Tamanho (mm) <2,4 <75 <6 <60 <30

ρ (g/cm³) 0,80 0,18 0,13 0,40 0,32

Condições Gaseificação

T (°C) 985 860 900 875 870

Vapor (% peso) 14,4 0 0 0 0

Capacidade (MJ/h) 0,86 0,85 1,12 0,8 0,94

Eficiência (%) 65 76 80 68 75

Composição molar

H2 21,3 11,6 9,6 14,5 18,7

CO 13,6 16,4 20,5 15,6 13,6

CH4 1,4 5 4,6 3,8 1,8

C2Hn 0,2 1,6 1,7 0,5 0,5

CO2 10,2 15,2 14,9 16,4 13,6

N2 52,6 49,4 48,1 48,6 51,3

O2 0,7 0,8 0,6 0,6 0,5

PCI (MJ/Nm³) 5,1 6,6 6,7 5,6 5,1Painéis Engenharia


08-Out-2015

Cinética de gaseificação de carvão em termobalança

17


Painéis Engenharia


08-Out-2015

Cinética de gaseificação de carvão em termobalança

18


Painéis Engenharia


08-Out-2015

Etapas de “limpeza” do gás

• Ajuste da razão H2/CO:

CO + H2O → CO2 + H2 ΔH298K = -41 kJ·gmol-1

• Remoção de subprodutos indesejados:

19

Unidade de limpeza - CIVOGÁS

Carvão mineral gaúcho para carboquímica – Limpeza do gás

Painéis Engenharia


08-Out-2015

1Suhonen et al., Applied Surface Science 200 (2002) 48-54.

Alcatrão

H2S

Recuperável(ex. H2SO4)

Possibilidades de conversão do gás de síntese1

20

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - conversão

Painéis Engenharia


08-Out-2015

1GTC apud CGEE

Veículo movido a gasogênio (gás de síntese).

Aplicação em motores de combustão interna

Síntese de Fischer-Tropsch (FTS)

21

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - FTS

Painéis Engenharia


08-Out-2015

nCO + (2n+1)H2 ↔ CnH2n+2 + nH2O

nCO + 2nH2 ↔ CnH2n + nH2O

DH298 ≈ -167 kJ.(gmol CO)-1 Mecanismo da Síntese FTS

HTFT LTFT

GÁS DE SÍNTESE

Catalisador FeElevado teor de FeT ≈ 300 – 340°C

Catalisador CoBaixo teor de CoT ≈ 200 – 240°C

α-OLEFINASGASOLINA

DIESELLUBRIFICANTES

Distribuição de produtos (FTS)1

22

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - FTS

Painéis Engenharia


08-Out-2015

1Velasco et al., Journal of Natural Gas Science and Engineering, v.2, i.5 (2010) 222-228.

Não-ácidos %

acetaldeído 3

acetona 10

etanol 55

MEK 3

i-propanol 3

n-propanol 13

i-butanol 3

n-butanol 4

Ácidos %

ácido acético 70

ácido propiônico 16

ácido butírico 9

ácido valérico 52Steynberg et al., Appl.Catal. A, v.186 (1999) 41-54.

Produtos oxigenados (5-15 wt. %)2

Metanol

23

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - metanol

Painéis Engenharia


08-Out-2015

Gaseificação Síntese Destilação

Carvão

CO + 2H2 ↔ CH3OH DH298 = -91 kJ.gmol-1

Metanol

Ácido

Acético

EtenoPropeno

DME

Acetato

Metílico

PEPP

Produtos a partir do metanol

Reagente da síntese de biodiesel

Metas do Plano Nacional de Biodiesel

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Painéis Engenharia


08-Out-2015

2%

Autorizativo

Mercado Potencial

800 milhões litros/ano

2%

Obrigatório

Mercado Firme

1 bilhão

litros/ano

3%

Obrigatório

Mercado Potencial

1,5 bilhões litros/ano

5%

Obrigatório

Mercado Potencial

2,4 bilhões litros/ano

40 mil bpd equivalentes em óleo diesel

6%

Obrigatório

Julho de 2014

7%

Novembro de 2014

Jan/2005 Jan/2008 Jul/2008 Jan/2013

Petróleo brasileiro:

80% de frações pesadas

30% da nafta (frações leves) dos pólos petroquímicos é

importada

Alternativa:

25


Painéis Engenharia


08-Out-2015

01/09/2015 | Jornal do Comércio | Economia | P. 11Companhias mantêm silêncio sobre naftaSecretário estadual de Minas e Energia, Lucas Redecker, diz que fornecimento da matéria-prima deve ser mantidoEncerrou ontem a validade do aditivo de contrato firmado em fevereiro sobre o fornecimento de nafta da Petrobras para a empresa Braskem. As duas companhias, procuradas pela reportagem do Jornal do Comércio, não se pronunciaram oficialmente sobre o assunto.

Carvão mineral Gás de síntese Metanol Olefinas

http://www.cwaclipping.net/sistema/newsletter/visualizar/materia.php?security=c98da8d473ad.2646142.5163994

26

Carvão mineral gaúcho para carboquímica – H2 e SNG

Painéis Engenharia


08-Out-2015

Células a combustível

WGS: H2O + CO ↔ H2 + CO2 DH298 = -41 kJ.gmol-1

CO + 3H2 → CH4 + H2O DH298 = -206 kJ.gmol-1

C(s) + H2O → CO + H2

ΔH298K = 131 kJ·gmol-1

Obtenção de fertilizantes

3H2S + 3/2 O2 → 3S + 2H2O

S + H2O + 3/2 O2 → H2SO4

H2SO4 + apatita → H3PO4 + CaSO4

3H2 + N2 → 2NH3 ureia

27

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - fertilizantes

Painéis Engenharia


08-Out-2015

Fertilizantes

Boa oportunidade para o carvão mineral brasileiro:

Força do agronegócio (especialmente no RS)

Elevado teor de enxofre do carvão mineral nacional

Demanda por fertilizantes (elevada importação)

Valor agregado dos produtos obtidos do carvão mineral

28

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - Síntese

Ele

tric

idade

Ga

solin

a

Gás L

iquefe

ito

Meta

nol O

lefinas

Polímeros

Processo MTG (ExxonMobil).

Painéis Engenharia


08-Out-2015

Empresas que demonstraram interesse por investir na gaseificação

de carvão mineral no RS:

Copelmi / Posco

Produto = Gás Natural Sintético

Investimento anunciado = USD 1,7 bilhões

MDE com Governo = 03/12/2014

Transgas

Produto = Fertilizantes

Investimento = USD 2,7 bilhões


Vamtec / SES (em estudo)

Produto = Energia elétrica / Metanol

Investimento médio = USD 200-450 milhões


29

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - investimentos

Painéis Engenharia


08-Out-2015

Apoio – Estrutura do Estado do RS:

Articulações

Fornecimento de matérias primas

Apoio tecnológico

Formação de recursos humanos

Fomento pesquisa e investimentos

Geração e distribuição de energia e gás

Regulamentação ambiental

30

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - estrutura

Painéis Engenharia


08-Out-2015

Carvão mineral do RS possui elevado teor de cinzas

E o resíduo sólido (cinzas)?

31

Carvão mineral gaúcho para carboquímica - cinzas

Painéis Engenharia


08-Out-2015

Base CICASOL, em uma das ruas da então PetroflexPólo Petroquímico do Rio Grande do Sul, em Triunfo - RS.

Fonte: Zwonok; Chies; Silva, 2006, p. 114.

Tijolos – tecnologia CINCAL e CIPECAL

Há abundância de carvão mineral no RS, recurso subutilizado

Crise energética e a situação financeira do RS uso do carvão;

As UTEs baseadas no carvão mineral (energia firme) são fundamentais

e precisam ser incentivadas para atender a demanda;

Acompanhando o aumento no n°. de concessões, tecnologias para

minimizar emissões de CO2 serão otimizadas e aplicadas (CCS);

Carboquímica:

Rota para agregar valor ao carvão mineral gaúcho

Atendimento de necessidades de diferentes setores (biodiesel, pólo, agronegócio)

Opção sustentável ambientalmente (especialmente: H2S fertilizantes)

Estado do RS bem estruturado e proativo para atender às demandas;

Importância de Eventos, Frentes, Redes e GTs para discussões técnicas

e proposições de ações voltadas ao carvão:

32

Conclusões

Painéis Engenharia


08-Out-2015

WORKSHOP: DESAFIOS PARAINVESTIMENTOS NA CADEIACARBOQUÍMICA NO ESTADODO RIO GRANDE DO SUL (04-Nov-14)

33

Conclusão

Painéis Engenharia


08-Out-2015

34

Encerrando...

Obrigado!Contato:

Eng. Químico Dr. Guilherme de Souza

Fundação de Ciência e Tecnologia - Cientec

Departamento de Engenharia de Processos - Deproc

[email protected]

Telefone: (51) 3439-6345

Painéis Engenharia


08-Out-2015

SECT – Cientec (19 a 23/10):

22 de outubro, 14h

Seminário 4 – Utilização das cinzas como imagem

positiva para o carvão – Dr. Geraldo Mario Rohde

22 de outubro, 15h30min

Seminário 5 – As potencialidades do carvão mineral

gaúcho – Dr. Guilherme de Souza

Inscrições gratuitas: [email protected]

Custos por MWh – diferentes fontes

35

Anexos

Painéis Engenharia

Auditório do Senge-RS08-Out-2015

painéis da engenharia / senge-rs : uso do carvão mineral ... · da realização de ensaios,...

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