Parte do Sistema BIG-GTCC Simulada no Gatecycle

4.4.6.1 Considerações Adotadas para o Sistema de Resfriamento

Por serem mais difundidos do mercado, o presente trabalho adota os sistemas de limpeza a frio para promover a limpeza do gás pobre, fato que torna essencial a prática do resfriamento do gás. Seguindo os relatórios técnicos operacionais das plantas IGCC de Tampa e Wabash River, divulgados pelo DOE, o gás pobre sai com temperatura em torno de 40 [°C] [38], [39].

O sistema de resfriamento pode ser modelado no Gatecycle como sendo uma única caldeira de recuperação, onde o gás pobre entra com a temperatura de 1350 [°C] e sai com a temperatura requerida de 40 [°C] [38], [39]. Ainda de acordo com os relatórios mencionados, o vapor produzido pelo sistema de resfriamento é saturado. Perdas de pressão por parte do gás são desconsideradas. Demais considerações para a modelagem do sistema de resfriamento no software Gatecycle são mostradas na Tabela 4.24:

Tabela 4.24: Considerações adotadas para o sistema de resfriamento do gás pobre.

Pressão do Vapor Produzido [bar] 85

Temperatura do Vapor Produzido [°C] 229,23

Temperatura do Gás Pobre ao Sair do Sistema [°C] 40

Eficiência do Sistema % 85%

Mediante o uso das composições molares adotadas na Tabela 4.21; juntamente com dados presentes no livro de Szargut [108] e Manual de Gases de AGA [104] são obtidos os valores das exergias física e química específicas para o gás pobre por meio das expressões (4.7) e (4.8). Os resultados são mostrados na Tabela 4.25:

Tabela 4.25: Exergia específica do gás pobre ao sair do sistema de resfriamento, para os estudos de caso que envolvem a pirólise rápida e a torrefação.

Grandeza Considerada Casos com Pirólise Casos com Torrefação

Exergia Química Específica [kJ/kg] 8734,47 9335,09

Exergia Física Específica [kJ/kg] 354,11 354,40

Exergia Específica do Gás Pobre [kJ/kg] 9088,58 9689,49

4.4.6.2 Considerações Adotadas para o Sistema de Limpeza do Gás

Em geral, não há uma tecnologia mais consolidada que as demais, muito embora, o processo Rectisol seja, ligeiramente, o mais utilizado na atualidade pelas plantas IGCC [143], [156]. Por esta razão, este sistema será utilizado no presente trabalho. Maiores detalhes quanto ao seu funcionamento são encontrados nos trabalhos de Rocha [156] e Padurean et al [157]. Segundo Leibbrandt [158], o processo Rectisol possui demanda energia térmica (na forma de vapor) e eletricidade, cujos parâmetros são mostrados na Tabela 4.26:

Tabela 4.26: Demanda de energia térmica e eletricidade no processo Rectisol.

Consumo de vapor a 4,8 [bar] e 180 [°C] [kg/(kmol de H2S + CO2 removido)] 6,97

Consumo de Eletricidade [kWh/(kmol de H2S + CO2 removido)] 0,528

Trabalhos visando a gaseificação de biomassa em larga escala, como o de Larsson et al [159], costumam desprezar a quantidade de enxofre a ser removida no gás, em função do baixíssimo teor de enxofre presente na biomassa. Mesmo procedimento será adotado no presente trabalho. Para a determinação da composição do gás pobre após sua passagem pelo sistema de limpeza, considera-se como base o relatório divulgado pela Comissão Europeia de Energia [42]. O documento cita a composição molar do gás pobre – após sua passagem pelo sistema de limpeza – em diversas plantas IGCC existentes. O documento menciona que essa composição pode variar em função do tipo de matéria-prima e do sistema de limpeza utilizado, que podem variar de planta para planta. Em particular, nas plantas IGCC de Wabash

River e Tampa, constata-se que a porcentagem de CO2 na composição molar como sendo de

10%, mesmo valor adotado para o presente trabalho.

Essas considerações permitem considerar que a diferença entre os fluxos mássicos de gás pobre no início e ao final do processo de limpeza seja dada pela quantidade de CO2

retirada. Com isso, as composições molares do gás pobre após a passagem pelo sistema de limpeza, para os casos com pirólise e com torrefação, são dadas na Tabela 4.27:

Tabela 4.27: Composição do gás pobre após passagem pelo sistema de limpeza, para os casos com pirólise rápida e torrefação.

Gás Considerado Casos com Pirólise Casos com Torrefação

CO% 53,77% 59,27%

H2% 35,06% 29,63%

CO2% 10,00% 10,00%

CH4% 1,17% 1,10%

Mediante o uso das composições molares adotadas na Tabela 4.26, juntamente com dados presentes no livro de Szargut [108] e Manual de Gases da AGA [104], são obtidos os valores das exergias física e química específicas para o gás pobre por meio das expressões (4.6) e (4.7). Os resultados são mostrados na Tabela 4.28:

Tabela 4.28: Exergia específica do gás pobre ao sair do sistema de limpeza, para os estudos de caso que envolvem a pirólise rápida e a torrefação.

Grandeza Considerada Casos com Pirólise Casos com Torrefação Exergia Química Específica [kJ/kg] 11796,30 11109,19

Exergia Física Específica [kJ/kg] 413,57 386,58

4.4.6.3 Considerações Adotadas para o Grupo Gerador com Turbina a Gás

Considera-se que o grupo gerador é formado pelo conjunto turbina a gás, regulador de velocidade e gerador. A turbina a gás em questão é adaptada para utilizar gás de baixo PCI, mediante diversas modificações no projeto do modelo utilizado para operar com gás natural [42], [160]. De acordo com Correa Neto [160], uma turbina adaptada para trabalhar com gás de baixo PCI opera, em regime permanente, com uma vazão mássica de combustível de 5 a 8 vezes maior que a vazão nominal (utilizando gás natural). No fim das contas, a maior vazão mássica de ar e combustível se sobressai à baixa qualidade do combustível e a potência produzida pela turbina adaptada para gás de baixo PCI chega a ser até 25% maior que a versão convencional que utiliza gás natural [161]. Em trabalhos experimentais envolvendo turbinas da GE operando em unidades IGCC, Brdar e Jones [162], relacionaram o aumento de potência da turbina adaptada para gás de baixo PCI com o aumento da vazão dos gases de escape. Como resultado, foi observado que para uma vazão mássica de gases de escape de 14% maior que no modelo convencional, houve acréscimo de potência de, aproximadamente, 20% por parte da turbina adaptada para gás de baixo PCI. Segundo os autores citados, a temperatura dos gases de exaustão que saem da turbina é próxima de 560 [°C].

A relação entre temperatura dos gases de exaustão, vazões mássicas de combustível e gases de exaustão e potência da turbina a gás são, de fato, passíveis de serem modeladas no software Gatecycle. Demais modificações no projeto da turbina convencional para que esta opere com gás de baixo PCI não são passíveis de serem modeladas no software Gatecycle e, portanto, nem serão mencionadas no presente trabalho. Ressalta-se que simular o funcionamento de uma turbina a gás adapta

Mediante uma estimativa dos Megawatts térmicos produzidos no gaseificador em cada estudo de caso, buscou-se um modelo comercial de turbina a gás que já tenha sido adaptado para uso com gás de baixo PCI em alguma unidade IGCC já existente. O modelo de turbina escolhido foi o GE MS6001FA. Segundo catálogo de turbinas fornecido pela própria GE o modelo em questão é, de fato, utilizado para produzir eletricidade em plantas IGCC [163]. Com base no catálogo citado, a Tabela 4.29 fornece os dados operacionais do modelo de turbina selecionado sem quaisquer modificações para o uso de gás de baixo PCI:

Tabela 4.29: Dados operacionais do modelo convencional de turbina GE MS6001FA.

Potência Nominal [MW] 75,9

Heat Rate [kJ/kWh] 10330

Razão de Pressão 15,7:1

Fluxo Mássico de Gases de Exaustão [kg/s] 204

Rotação [rpm] 5254

Temperatura dos Gases de Exaustão [°C] 604

Consumo Estimado de Gás Natural [kg/s] 4,3

4.4.6.4 Demais Considerações Adotadas

A Tabela 4.30 mostra as demais considerações adotadas para a simulação da planta BIG-GTCC no software Gatecycle 6.1.2:

Tabela 4.30: Demais considerações feitas para a simulação da planta BIG-GTCC no Gatecycle 6.1.2.

Eficiência da Caldeira de Recuperação 85%

Pressão do Vapor Produzido pela Caldeira de Recuperação [bar] 85 Temperatura do Vapor Produzido pela Caldeira de Recuperação [°C] 480

Temperatura dos Gases ao Saírem da Caldeira de Recuperação [°C] 180 Eficiência da Turbina a Vapor de Contrapressão 78%