A tecnologia IGCC permite o uso de diferentes combustíveis sólidos (carvão, coque de petróleo, biomassa, resíduos) ou líquidos em uma UTE com a eficiência e os benefícios ambientais dos ciclos combinados. Nestas usinas o combustível é gaseificado com o O2 produzido na unidade de separação de ar (ASU), e o gás produzido é resfriado e limpado das partículas sólidas e poluentes para sua posterior queima na TG de um ciclo combinado.
Por acontecer a limpeza do gás antes da combustão, as usinas IGCC têm um desempenho ambiental muito elevado em comparação com as UTE‘s tradicionais a carvão, nas quais a limpeza dos gases ocorre após da combustão, portanto, este tipo de sistemas são energeticamente menos eficientes e mais caros que os sistemas IGCC.
Existem múltiplas variações sobre o esquema básico de um sistema IGCC, sendo o aspecto fundamental do projeto, o grau de integração entre as unidades. Tem-se três níveis de integração:
- Integração dos sistemas de água-vapor da ilha de gaseificação e do ciclo combinado A água de alimentação é pré-aquecida em uma seção da HRSG do ciclo combinado (CCU) e é enviada para o gaseificador, onde se produz vapor saturado pela troca de calor com o gás bruto. Este vapor saturado é exportado à HRSG, para seu superaquecimento e expansão na TV, gerando assim eletricidade adicional.
- Integração do Nitrogênio entre ASU e o ciclo combinado
O N2 subproduto da ASU é misturado com o gás antes de sua admissão à TG, com o objetivo de reduzir as emissões de NOx e aumentar assim a potência gerada.
- Integração do ar entre ASU e o ciclo combinado
Parcial ou totalmente, o ar comprimido requrido pela ASU é extraído do compressor da TG.
A integração dos sistemas de água/vapor é encontrada em praticamente todas as usinas IGCC em operação. No entanto, a integração entre a ASU e o CCU é uma opção menos utilizada, pois envolve maiores tempos de partida, nos quais é consumido o combustível de apoio (gás natural, na maioria dos casos). Os projetos altamente integrados representam uma maior eficiência da usina, uma vez que reduz os consumos auxiliares dos compressores de ar e dos produtos da ASU (Treviño, 2003).
Na Figura 3.2 é apresentada uma configuração típica de um sistema IGCC com os possíveis níveis de integração.
Figura 3.2 Diagrama de blocos e opções de integração para um sistema IGCC. Adaptado de Treviño (2003).
Das usinas IGCC que operam com carvão, na Europa, a ênfase tem sido o projeto integrado, fato que permite atingir maior eficiência, enquanto nos Estados Unidos, onde se tem preços de combustíveis mais baixos, são preferidos projetos não integrados, os quais oferecem uma maior disponibilidade e flexibilidade.
Na tendência atual de projeto são preferidos os esquemas onde o ar requerido pela ASU procede em parte do compressor da TG e em parte de um compressor independente. Isso proporciona a flexibilidade necessária para partidas mais rápidas e um consumo auxiliar intermédio entre as duas opções.
3.4.1 Influência e considerações do uso de gás de síntese em uma
turbina a gás
Dentre os principais impactos do uso do gás de síntese em uma turbina a gás originalmente projetada para gás natural, estão os efeitos sobre a margem de surge do compressor e na temperatura do metal da palheta da turbina.
Em particular, a TG é integrada com a ASU, a qual produz o oxidante para o processo de gaseificação. O ar da ASU pode ser fornecido por um compressor de ar independente (0% de integração) ou pelo compressor da TG (100% de integração). Além disso, uma combinação dos dois métodos é possível.
Lee et al. (2009) estudaram a influência dos parâmetros fundamentais do projeto sobre o desempenho dos sistemas IGCC, em função do método de integração. Os autores concluíram que o grau de integração (GI) afeta significativamente a condição de desempenho e funcionamento de uma TG.
Em um caso ideal, a potência e a eficiência da turbina aumentam de acordo com seu GI. No entanto, se nenhuma modificação importante do compressor e da turbina é efetuada, a margem do surge diminui e a temperatura do metal da turbina aumenta. O problema se torna mais grave com a diminuição do GI.
Assim, dependendo do GI, a margem de surge do compressor pode ser consideravelmente reduzida quando uma TG projetada para gás natural é utilizada em um sistema IGCC sem qualquer modificação. A principal razão para uma redução na margem do surge é o aumento da vazão em massa na turbina devido ao relativamente baixo poder calorífico do gás de síntese. Um projeto de baixo GI pode piorar o problema, porque o uso de um compressor de ar auxiliar aumenta o fluxo mássico da turbina (Rieger et al. 2008).
O problema do superaquecimento do metal da turbina pode ser resolvido por diversos métodos, incluindo uma redução na temperatura de queima e da vazão do fluido de arrefecimento da turbina. Reduzir a temperatura de queima é mais fácil de executar, mas reduz isto significativamente o desempenho do sistema, especialmente a potência líquida. O aumento da vazão do fluido de arrefecimento da turbina também reduz o desempenho, mas apresenta maiores rendimentos em comparação com a redução da temperatura de queima (Dennis et al. 2008).
Além disso, alcançar um alto desempenho em sistemas IGCC utilizando gás de síntese envolve problemas mecânicos e a necessidade de um estudo apurado sobre a constituição dos componentes do sistema. Esse fato é explicado, uma vez que a eficiência é diretamente proporcional à temperatura de trabalho e às altas taxas de compressão. O fato de que os sistemas IGCC operem a altas temperaturas e elevadas pressões requer o uso de materiais mais sofisticados e a implementação de sistemas mais complexos, para melhorar o desempenho da turbina (Kim et al. 2010).