Captura de Dióxido Carbono (CO2) Pós-Combustão

Por,

Luiz Henrique Souza

Gases pós-combustão de termoelétricas e indústrias movidas a gás natural, óleo diesel e carvão são os maiores vilões nos alertas de aquecimento global. Carros não são, nem de perto, coadjuvantes nestas emissões, sendo estes últimos apenas uma pequena parte deste efeito nas

mudanças climáticas. O problema real são os combustíveis usados nas termoelétricas e indústrias, e a nossa “fome” de energia!

Os EUA emitirão 6, 049 de toneladas métricas de CO2 em 2004, mas, desde então, já perderam a medalha de ouro para a China.

Veja a listagem mundial em:

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_carbon_dioxide_emissions#_note-3

Energia nuclear é, ainda, impopular e a hidroelétrica está no limite, não havendo muitas mais disponíveis. Outras, renováveis, tais como: aeólica, solar e todas as outras combinadas são muito pequenas para contar. Isto deixa o gás natural e carvão, ambos, grandes emissores de dióxido de carbono.

Então, dada a nossa dependência de eletricidade e o enorme fluxo de gás pós-combustão, quente e sujo, depositado na atmosfera, como nós faremos para tratar esse problema? Como faremos para capturar o dióxido de carbono? Esta é a chamada “Seqüestro de Dióxido de Carbono Pós-Combustão”!

Métodos Atuais de Captura de Dióxido de Carbono Pós-Combustão.

Três métodos de captura são atualmente conhecidos: membranas, compressão e lavagem com amina. Todos são insatisfatórios para lidar com grandes, sujas e quentes, correntes de emissões gasosas como as de plantas geradoras de energia.

O Laboratório Nacional de Tecnologia em Energia, comandado pelo U.S. Department of Energy, sumariza o problema (http://www.netl.doe.gov/technologies/carbon_seq/core_rd/co2capture.html) da captura de dióxido de carbono

“A baixa pressão e concentração diluída ditam o alto volume de gás a ser tratado. Traços de impurezas no gás pós-combustão tendem a reduzir a eficiência dos processos de adsorção do CO2. CO2 comprimidos a pressão atmosférica devem ser elevados a pressões de duto (70 - 140 kgf/cm²) e representam uma grande carga parasita.”

Resumo: A presença de lastro de nitrogênio (N2) no gás pós-combustão (em média ¾ de seu volume) significa que o dióxido de carbono está protegido da compressão ou contato químico pelo amortecimento das moléculas. NOx e SOx (óxidos de nitrogênio e óxidos de enxofre) tornam-se

sais estáveis quentes e ácidos corrosivos durante recuperação de amina, e junto com a fina poeira (cinza livre) do gás pós-combustão entopem e danificam o equipamento.

Separação e Captura de Carbono por Membrana.

Membranas podem ser funcionais em escalas de experimentos em laboratórios, mas, possivelmente, não funcionam em escalas reais de produção de emissões de gás pós-combustão devido aos imensos volumes a serem filtrados.

Captura de Carbono por Destilação Criogênica.

Do mesmo modo que a captura de carbono por compressão. Gás pós-combustão é quente e, muito, sujo e o dióxido de carbono é escudado da liquefação pela presença de um grande lastro de nitrogênio. Destilação Criogênica captura carbono por liquefação do gás pós-combustão e separa NOx e SOx pela destilação fracionada. Nitrogênio, entretanto, é muito difícil de liquefazer e comprimir e gasta a energia que deveria ir para a compressão de NOx, SOx, e CO2. A pequena pressão parcial de NOx e SOx no gás pós-combustão (os quais são muito menores do que 1% do volume) e pequena pressão parcial de CO2 (10 -15%) são, ambos, devido a alta concentração de nitrogênio (75%).

Captura de Carbono por Lavagem de Amina.

Isto nos deixa com a terceira alternativa, lavagem com amina, o qual é, até agora, o único método considerado seriamente para o seqüestro de carbono de gases pós-combustão. Absorvedores aquosos de amina têm sido usados para limpar CO2 e sulfato de hidrogênio do gás natural e dejetos industriais, mas, a esperança que esta tecnologia seja estendida aos gases pós-combustão ocorre em serias dificuldades.

1. A ciência ainda não está amadurecida e não há tempo para mais estudos! “O mecanismo exato descrevendo a reação química do CO2 com reagentes por amina sob condições típicas de uma planta de captura de CO2 é assunto para muitos debates.” International Test Centre for CO2 Capture (ITC) (Report of May 2005 §4.1.1).

A ciência não está amadurecida e existem problemas cruciais a serem resolvidos. A situação é emergencial! Pesquisas acadêmicas, na sua vagareza, e com seus usuais e obscuros resultados não podem ser esperados resolver os problemas da captura de CO2 de gases pós-combustão.

2. Lavagem com Amina é muito caro!

O custo de energia da lavagem com amina para captura CO2 e comprimir este num duto, custa, em media, US$ 2.000 por quilowatt o qual o torna, definitivamente, caro, mesmo se tendo altos volumes de gás pós-combustão.

Há esperanças que o custo de operação destas plantas caia para, media, US$ 30 por tonelada de CO2 capturado e comprimido. Para uma fonte que emite em media 3.9 milhões de toneladas por ano o custo será, após a redução de preço, ainda alto demais, US$ 120 milhões por ano!

A capacidade mínima de carga de amina é de um mole de para um mole de CO2. Desempenhos reais são mesmo mais baixos, então, é requerido cada vez mais amina. Adicionalmente, há o custo de repor a amina, a qual não pode ser regenerada, este é um, especialmente, serio problema para lavagem de gases pós-combustão (veja abaixo) devido a presença de ácidos fortes como NOx e

SOx. Então, capturar CO2 em uma enorme quantidade mundial de gases pós-combustão (28.400 m³ por minuto) requererá uma quantidade igualmente enorme de amina!

3 Corrosão é um problema sério!

A corrosão de materiais comuns de construção tal como aço carbono em facilidades de lavagem por amina é um grande problema conhecido por anos de experiência em uso para adoçamento de gás. Aço carbono sofre severa corrosão em solução de amina!

Gases pós-combustão apresentam um mais desafiador problema de corrosão devido a ser quente e possuir oxigênio, diferente do gás natural. A taxa de corrosão do aço carbono é mais alta em soluções quentes de amina. Gases pós-combustão contem uma significante fração (~ 4%) de oxigênio Esta taxa de corrosão mostra-se aumentada em 40% quando o conteúdo de oxigênio aumenta de 0% a 10%.

4. Sais estáveis quentes e lama de cinzas bloqueiam o processo.

Gas natural não contem produtos originados de combustão como NOx e SOx e cinzas. NOx e Sox tornam ácido nítrico quando combinados com água. Alkanoaminas reagem com ácidos fortes (acido sulfúrico e ácido nítrico são ácidos muito fortes) para formar sais quentes estáveis, os quais, efetivamente, levam a amina a não inoperância tendo-se que acrescentar mais e mais amina. Durante o processo de regeneração da amina para re-uso numa lavagem de CO2, uma crosta de sais estaveis quentes cobre a superfície reduzindo a eficiência. Uma borra diluída de cinzas e sais precipitados gruda em tudo, alem de causar, a já comentada, corrosão.

5. Você tem um problema maior com a água produzida na lavagem.

A lavagem por amina converte a poluição do ar em poluição da água! Grandes somas de solução devem ser aplicadas por spray no gás pós-combustão a fim de contornar o lastro de nitrogênio. Moléculas de CO2 estão em baixa concentração, então, uma grande quantidade de amina ter que ser usada para contatá-las. O resultado é uma enorme corrente de água poluída. Sólidos finos suspensos nesta água requerem um longo tempo para assentar e há, também, ácido sulfúrico diluído e ácido nítrico do NOx e SOx no gás pós-combustão. Estocar esta água requer grandes tanques e enormes espaços..

Conclusão:

Da discussão antecedente da lavagem por amina, membranas e compressão deveria estar claro que não há, de fato, atualmente nenhuma tecnologia provável para a solução das emissões de CO2.

Mas, culpar o combustível não é a resposta, por que as fontes alternativas de energia não podem satisfazer nossa demanda por eletricidade. Energias solar e aeólica combinadas podem, somente, suprir 1% das necessidades. A não ser que reduzamos severamente o uso da eletricidade ou apareça alguma outra solução.

Então que é a solução?

Nenhum dos métodos conhecidos de captura de CO2 é definitivo! Ao menos que o gás pós-combustão seja lavado, separado seus particulados, e “desnudo” do conteúdo de nitrogênio.

É nisto que estamos trabalhando aqui no Nordeste. A solução é, realmente, muito simples: Uma fricção altamente turbulenta e um contra-fluxo radial em um aparato que induz a esta rotação.

Um método alternativo de captura de CO2: Separação Centrifuga do Gás!

Retirada do lastro de nitrogênio na captura de CO2. Por que, o que é deixado de nitrogênio e vapores d’água saem na corrente. O CO2, pode, então, ser, economicamente, limpo de seus particulados, NOx e SOx e comprimidos ou dispostos por outros meios. Retirada do lastro de nitrogênio pode ser feita pela separação centrifuga do gás pós-combustão, embora esta não seja feita pelas tecnologias, anteriormente, explicadas neste artigo.

Uma útil ilustração da separação centrifuga é do separador de nata, o qual divide o leite a fim de separar a nata do soro (espuma do leite). A nata tendo uma densidade menor do que o soro concentra-se no eixo da rotação. Se o leite cru for deixado quieto num recipiente a nata subirá até o topo. O separador de nata exagera a aceleração e faz a separação acontecer mais rápido. Aceleração centrípeta causada pela rotação do leite em um tambor força a fração de menor densidade, como a nata, para o centro, como faz a gravidade num recipiente mencionado acima. A fração mais pesada, como água, desloca a fração mais leve em rotação.

Diferença de densidade existe, também, numa fração do gás pós-combustão. Isto expulsa a parte ruim, isto é, CO2, NOx e SOx, mercúrio e cinza, as frações pesadas. A parte boa – nitrogênio e vapores d’água – são as frações leves. Então, teoricamente, ao menos, girando o gás pós-queima em velocidade suficiente deve desenvolver aceleração centrípeta para separar a parte boa da ruim.

Nitrogênio (N2) é um gás inofensivo o qual constitui 75% do volume do gás de combustão ele é conhecido como lastro de nitrogênio e pode ser seguramente descartado na atmosfera que já contem 78% de nitrogênio. Vapor d’água (5%) produzido pela combustão é outra inofensiva fração. Esta é a pena branca que se vê saindo das chaminés e, também, ocorre nos escapamentos de nossos carros. Então, 80% do volume do gás de combustão são inócuos e não requer tratamento alem da separação destes do CO2 e frações mais pesadas.

Uma vez que o lastro de nitrogênio e vapores d’água forem separados, o 1/5 remanescente de gás de combustão pode ser limpo para remover NOx, SOx, mercúrio, e cinzas usando os, inviáveis devido ao custo, métodos conhecidos acima ou o que será apresentado abaixo. O problema da lagoa tóxica de conhecidos métodos de lavagem serão minimizados porque, menos soluções de lavagem em contato com NOx e SOx serão necessárias. E, uma vez, o lastro de nitrogênio tiver sido separado não haverá necessidade da lavagem com amina.

A massa molar de gás nitrogênio (N2) é, somente, 28 g/mol (gramas por mole de gás); O CO2 é 36% mais denso a 44 g/mol; O SO2 é, ainda, mais denso (64 g/mol). Separadores centrífugos de gás o qual podem explorar esta diferença de 36% na densidade são de duas classes: mecanicamente ou pneumaticamente excitados.

Tubo Vortex.

O Tubo vortex Separador é um equipamento que trabalha o efeito de resfriamento pela expansão do gás. O processo de resfriamento é mais efetivo do que a expansão convencional da válvula Joule-Thomson. Como resultado, com o tubo vortex, hidrocarbonetos mais baixos e ponto de condensação da água podem ser conseguidos na mesma queda de pressão. O Tubo vortex Separador é uma construção contendo um tubo externo, com um cabeçote tangencial, onde o gás é introduzido através deste, e ao longo do qual deve, inicialmente, passar

Esquema de funcionamento do TUBO VORTEX SEPARADOR

rotacionando e um tubo interno, através do qual, o gás é desviado e volta-se para lado oposto, resfriado, saindo pelo bocal de gás frio. Em muitos casos, dependendo da razão das pressões de entrada e saída, o gás estará, quase, a velocidade sônica (1.000,000 de G’s) enquanto passa pelo tubo vortex.

O TUBO VORTEX SEPARADOR não possui partes móveis, então, os requerimentos de manutenção são mínimos, assim como, inexiste o consumo de energia elétrica.

O tempo de residência no tubo vortex para tratamento de gás natural é muito pequeno, da ordem de milissegundos – muito curto para separação por densidade – então, aumentamos este tempo de residência para efetivar esta separação. Existe uma variedade de opiniões sobre esta separação termal, mas, nenhum consenso! Em outras palavras, a desordem do fluxo diminui, aparentemente, sem nenhum esforço em uma aparente violação da Segunda Lei da Termodinâmica!

Conclusão:

O uso do tubo vortex é eficaz nesta separação por tratar os gases pós-combustão para serem limpos com o uso racional de amina, a qual, não será severamente atacada pelas frações mais pesadas que já foram removidas na passagem dos gases pelo tubo vortex.

Como o Tubo Vortex irá manusear grandes quantidades de Gases Pós-Combustão?

O tubo vortex pode ser dimensionado para atender a manipulação de grandes vazões ou operar diversos tubos vortex em paralelo, como mostrado na figura seguinte:

Qual a pressão de entrada do gás pós-combustão requerida pelo tubo vortex?

A pressão varia conforme a vazão tratada, isto é, quanto maior volume maior pressão, pois, o tubo vortex terá maior diâmetro.

A pressão mínima requerida para utilização real é de 35 kgf/cm².

Para experimento em laboratório a pressão sugerida foi de 7 kgf/cm². Veja figura abaixo.

FLUXOGRAMA DE UMA PLANTA PROTÓTIPO DE SEPARAÇÃO USANDO O TUBO VORTEX

Contatos: luizhenrique_99@yahoo.com