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SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO – APLICAÇÃO DE MEMBRANAS E CRIOGENIA.

Diego Rubén Schmeda López

Rede Carvão – seminário abril 2010

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

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,

Ciclo do processo de captura e seqüestro de CO2

• Captura do CO2

• Seqüestro do CO2

– Transporte

– Armazenagem

Armazenagem do CO2

capturado

Armazenagem do CO2

capturado

• EOR

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

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

Membranas Seletivas

• Utilizam módulos de contenção,

• Tipos de módulos utilizados industrialmente:– Placa (a),

– Espiral (b),

– Tubular (c),

– Fibra Oca (d).

(a)

(b)(c)

(d)

Modelagem de Membrana

Otimização de arranjo de membranas em série

– Máximo beneficio econômico do sistema.


• 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


• Função objetivo proposta para 2º caso.


• 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


• Foi possível separar CO2 do N2

• Concentração insuficiente para uso em recuperação avançada de petróleo (min. 94%),

• Possibilidade de venda no mercado de carbono,


• 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.

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.


• Exemplo do CO2 puro.


• Equilíbrio Líquido – Vapor de misturas binárias

• Modelagem – Equação de Peng - Robinson


• Diagrama de fases ideal

Gás

Líquido


• Erro máximo < 7%

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

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

Gás Natural Líquido

• Regasificação:

– Troca térmica com água de mar,

– Troca térmica com produtos de combustão de uma parcela do gás.


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


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.


0,8826

0,7794


Corrente Rica em CO2

Vazão molar: 0,3207 mol/sFração molar CO2: 0,94Fração molar N2 : 0,06T = -61 °CP = 4599 kPa


• 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)

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),

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,

Agradecimentos

Rede Carvão

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