AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE CARVÕES BRASILEIROS SUBMETIDOS À
COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO
Amir De Toni Jr., Cristiano Maidana, Leonardo Zimmer, Marina Seelig e Paulo Smith Schneider
INTRODUÇÃO
Plano Decenal de Expansão de Energia
Previsão da expansão da capacidade instalada de plantas termelétricas a carvão
1.765 MW (dez/2010) → 3.205 MW (dez/2012)
Aplicação de tecnologias de carvão limpo podem contribuir para este aumento. Entre elas:
Captura de CO2
Oxicombustão Combustão enriquecida com oxigênio (OEC)
TECNOLOGIAS DE CARVÃO LIMPO
OXICOMBUSTÃO
Ar
Nitrogênio
ASU
BOILER Carvão
Vapor Eletricidade
Limpeza dos Gases de Combustão
Recirculação dos Gases
Liquefação e Compressão
de CO2 Injeção de
CO2
Exaustão Oxigênio
TECNOLOGIAS DE CARVÃO LIMPO
COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO (OEC)
Ar
Nitrogênio
ASU
BOILER Carvão
Vapor Eletricidade
Gases de Combustão com Baixo
Volume
Liquefação e Compressão
de CO2 Injeção de
CO2
Exaustão
Mistura com Ar
O2
Oxidante Enriquecido
COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO
VANTAGENS DA TECNOLOGIA
• Baixo volume dos gases de combustão; • ASU pode utilizar tecnologias alternativas (PSA, TSA,
membranas); • Aumento da eficiência térmica da planta; • Menor energia necessária para a ignição; • Aumento da estabilidade da chama; • Baixo custo de adaptação da planta (retrofit);
ANÁLISE REALIZADA
Avaliação das emissões de três amostras de carvão em atmosferas de combustão
enriquecida
Chemical Equilibrium with Applications
CEA / NASA
Software utiliza a minimização da função de Gibbs ou Helmholtz com o uso de multiplicadores
Lagrangeanos
DADOS DE ENTRADA
Dados de análise elementar
de três carvões brasileiros
Leão II Mina B3 Camada Bonito
CARVÕES BRASILEIROS Elemento Químico Leão II B3 Bonito
Carbono 31,23 46,35 26,14
Hidrogênio 3,68 5,10 2,00
Oxigênio 37,62 33,55 30,59
Nitrogênio 0,55 0,76 0,45
Enxofre 2,28 0,84 3,80
Alumínio 6,20 3,28 6,63
Cálcio 0,56 0,55 0,40
Ferro 2,08 0,27 2,85
Potássio 0,53 0,30 2,10
Silício 10,36 5,46 15,42
Titânio 0,31 0,20 0,31
Soma dos Traços 4,61 3,34 9,32
PCI [ MJ / kg ] 11,44 17,32 8,79
PCI [ kcal / kg ] 2.730 4.130 2.100
COMBUSTÃO ENRIQUECIDA COM OXIGÊNIO
PRINCIPAIS CONSIDERAÇÕES
• Combustão e estequiométrica não adiabática (1400K e 1800K)
• Volume desprezível da fase sólida
• Fase gasosa se comporta como um gás ideal
• Processo a pressão constante
• Traços permanecem inertes durante a combustão
RESULTADOS
Os principais poluentes obtidos para as três amostras analisadas são apresentados para duas temperaturas dos gases de combustão e para concentrações de O2 no oxidante entre 21% e 100%.
APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS
RESULTADOS OBTIDOS
EMISSÃO DE SO2
0,01
0,10
1,00
20 30 40 50 60 70 80 90 100
SO2
[kg
/ M
J]
O2 [%]
Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)
B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)
*Eixo das ordenadas em escala logarítmica
RESULTADOS OBTIDOS
EMISSÃO DE SO3
*Eixo das ordenadas em escala logarítmica
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
20 30 40 50 60 70 80 90 100
SO3
[kg
/ M
J]
O2 [%]
Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)
B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)
RESULTADOS OBTIDOS
EMISSÃO DE CO
*Eixo das ordenadas em escala logarítmica
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
20 30 40 50 60 70 80 90 100
CO [
kg /
M J
]
O2 [%]
Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)
B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)
RESULTADOS OBTIDOS
EMISSÃO DE CO2
*Eixo das ordenadas em escala logarítmica
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
20 30 40 50 60 70 80 90 100
CO2
[kg
/ M
J]
O2 [%]
Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)
B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)
RESULTADOS OBTIDOS
EMISSÃO DE NO
*Eixo das ordenadas em escala logarítmica
1,0E-07
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
20 30 40 50 60 70 80 90 100
NO
[kg
/ M
J]
O2 [%]
Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)
B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)
RESULTADOS OBTIDOS
EMISSÃO DE NO
*Eixo das ordenadas em escala logarítmica
1,0E-07
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
20 30 40 50 60 70 80 90 100
NO
[kg
/ M
J]
O2 [%]
Leão II (T = 1400K) Leão II (T = 1800K) B3 (T = 1400K)
B3 (T = 1800K) Bonito (T = 1400K) Bonito (T = 1800K)
PRINCIPAIS CONCLUSÕES
• Redução do NOx gerado com a utilização do OEC para as
três amostras estudadas.
• CO2 aumentou tanto em massa como em volume para
todos os casos e amostras.
• A formação de SO2 sofreu pouco alteração.
• Amostra B3 foi a que apresentou a maior redução nos
poluentes formados com o processo OEC.
• Amostra Bonito foi a que apresentou maior aumento na
formação de poluentes.
PRINCIPAIS REFERÊNCIAS
Baukal, C.E. Oxygen enhanced combustion. CRC Press, Boca Raton, 1998.
Zheng L., Furimsky E. Assessment of coal combustion in O2/CO2 by equilibrium calculations. Fuel Processing Technology, v. 81, p. 23–34, 2003.
Gordon S., McBride B. J. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications. NASA RP-1311, National Aeronautics and Space Administration, 58 p., 1994.
Lehrstuhl Kraftwerkstechnik - BTU Cottbus. Bericht nº 10.041. Cottbus 2011.