Processos de captura de carbono

O Sequestro ou captura de CO2 é um processo que tem como objetivo impedir que o C presente nos combustíveis fósseis seja libertado para a atmosfera. Ou seja, consistem na separação do dióxido de carbono gerado pelo uso de combustíveis em processos industriais ou na geração de energia, para posteriormente o transportar até uma estocagem segura e distante da atmosfera, onde permanecerá durante um longo período (IEA, 2013).

A tecnologia que será utilizada para captura o CO2 depende fundamentalmente da

forma como ele é produzido. Para grandes emissões de CO2, produzidos numa instalação

industrial, na geração de energia que envolve grande utilização de combustível fóssil, na fabricação de cimento e craqueamento catalítico e fluido em refinação, é um processo viável. Para captura em pequena escala, como no setor de transporte, construção residencial e

comercial, ainda é inviável devido ao alto custo. Processos básicos para captura de CO2

produzidos pela queima de combustíveis fósseis, biomassa e carvão em processos industriais

são:pós-combustão, pré-combustão e oxicombustão, como ilustrado na Figura 3.4. Na captura

pós-combustão, o CO2 é separado de outros constituintes dos gases de combustão presente no

ar ou produzido por combustão. Na captura pré-combustão, o carbono é removido do combustível antes da combustão, e na oxicombustão, o combustível é queimado em fluxo de oxigênio que contém pouco ou nenhum nitrogênio (IEA, 2013; FIGUEROA et al., 2008).

Dener Albuquerque, Setembro/2019 Tese de Doutorado – PPGCEM Figura 3.4 – Principais processos de captura de CO2

Fonte: Próprio autor

3.2.1 Captura Pós-Combustão

Os sistemas de pós-combustão separam o CO2 do gás exausto produzido pela combustão do combustível primário com o ar. Normalmente, esse sistema utiliza solventes para capturar uma pequena fração de CO2, entre 3% e 15% da concentração em volume no gás, o nitrogênio (N2) representa a maior concentração. Os solventes utilizados são os químicos à base de amina, pois estes são ideais para baixas concentrações de dióxido de carbono no exaustor. O esquema desse processo é a presentado na figura 3.5

Dener Albuquerque, Setembro/2019 Tese de Doutorado – PPGCEM Figura 3.5 – Captura pós combustão de CO2

Fonte: Próprio autor

Existem diversas metodologias para separação do CO2 dos demais gases, as principais são: criogenia, membranas, adsorção, absorção física e química, sendo a última a mais desenvolvida e empregada atualmente. Uma vantagem em relação à pós-combustão é que esta tecnologia pode ser aplicada na maioria das termelétricas convencionais, como usinas a gás e a carvão. Porém, como o exaustor proveniente dessas plantas de energia possui baixa concentração de CO2, este possuirá baixa pressão, necessitando de grandes compressões para ser transportado e armazenado. Há ainda mais uma desvantagem do processo de pós combustão qual seja: a utilização do ar, que tem muito N2, e a alta temperatura do processo o qual produz NxOy que são mais prejudiciais do que CO2.

3.2.2 Captura Pré-Combustão

A tecnologia de captura de pré-combustão é utilizada comercialmente em diversas aplicações industriais, como na produção de hidrogênio, o qual pode ser usado para geração de energia ou nas indústrias químicas, processos que não emitem CO2 na atmosfera. Um sistema de pré-combustão processa o combustível primário em um reator com vapor de água e ar (ou oxigênio) para produzir uma mistura consistindo basicamente em monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2), chamado de gás de síntese. Mais hidrogênio, junto com gás carbônico (CO2), é produzido através da reação do CO com o vapor em segundo reator, conhecida como reação de deslocamento gás-água (do inglês, reaction Water Gas Shift – WGS). Produzindo uma

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mistura resultante de hidrogênio (H2) e CO2 , (IPCC, 2005). A Figura 3.6 mostra o esquema do sistema de captura de CO2 pré-combustão.

Figura 3.6 – Captura Pré combustão de CO2.

Fonte: Próprio autor

Este processo se torna caro devido ao uso da utilização do O2 puro, uma vez que se faz necessária a presença de uma unidade para a separar o O2 do ar. Em relação ao processo de captura pós-combustão, esse processo tem uma menor perda energética (ADÁNEZ-RUBIO et al., 2014a).

3.2.3 Captura Oxi-combustão

Este sistema é semelhante à pós - combustão convencional, porém, o ar é substituído pelo oxigênio puro, o qual irá proporcionar a queima do combustível alimentado, produzindo uma corrente gasosa na saída do reator, composta basicamente de vapor de água e CO2. Nesse processo, uma unidade de separação de ar criogênico (ASU) é usada para forneçer oxigênio de alta pureza a uma caldeira a gás. O oxigênio de alta pureza é então misturado com gás combustível reciclado antes da combustão ou na caldeira para manter condições de combustão, porduzindo calor e eletricidade. O dióxido de carbono é facilmente separado após a condensação da água, conseguindo uma eficiência na captura do CO2 superior a 90%. A Figura 3.7 mostra o esquema do sistema de captura de CO2 por oxi-combustão.

Dener Albuquerque, Setembro/2019 Tese de Doutorado – PPGCEM Figura 3.7 – Captura Oxi ombustão de CO2

Fonte: Próprio autor

A principal desvantagem desse método é a separação do O2 do N2, através de uma unidade de separação de ar - ASU (do inglês: air separation unit),pois demanda uma grande quantidade de energia. Outra limitação são os tanques onde a combustão ocorre, porque o contato direto entre o combustível e o oxigênio puro é uma reação bastante exotérmica, aumentando consideravelmente a temperatura no reator. Devido a isso, os tanques devem ser fabricados por materiais com alta resistência térmica para suportar o calor resultante da combustão na presença de O2 puro.

De acordo com o que foi relatando anteriormente, o CO2 pode ser capturado antes ou depois da combustão de combustíveis fosseis por técnicas diferentes. Hoje, muitas dessas tecnologias de processo são consideradas maduras, no entanto, a energia necessária é bastante alta. Para a mesma quantidade líquida de energia produzida, esses processos usarão até 15 a

25% a mais de combustível, dependendo da tecnologia. O custo estimado por tonelada de CO2

capturado para uma usina de CLC que queima combustíveis sólidos é de cerca de (20 USD/t CO2), significativamente menor que os estimados para tecnologias de pós-combustão (36–53 USD / t CO2), captura pré-combustão (28–41 USD/t CO2) e oxi-combustão (36–67 USD/t CO2) (ADÁNEZ et al., 2018b). Portanto, em todo o mundo, a comunidade científica tem empenhado muitos esforços para reduzir a penalidade de energia, melhorando os conceitos existentes ou desenvolvendo novos processos, como o Chemical Looping Combustion (CLC). Em CLC, transportadores de oxigênio são usados para transferir oxigênio através de ciclos redox, que

Dener Albuquerque, Setembro/2019 Tese de Doutorado – PPGCEM

ocorre na circulação do transportador de oxigênio entre a zona de oxidação, e uma de redução

na qual o combustível é queimado em uma atmosfera livre de nitrogênio (GAUTHIER et al.,

2017).

Nos processos de CLC não é necessária a separação do CO2 do N2 proveniente da combustão (maior custo) e tampouco a utilização de O2 puro, pois o combustível não é colocado diretamente com ar ou oxigênio. Esta tese doutoral tem por objetivo o estudo e o teste de transportadores de oxigênio à base de titanatos de ferro e cobre para utilização em processos de combustão com recirculação química. (Chemical-looping Combustion). Portanto os próximos itens serão concentrados nas técnicas de CLC e seus princípios fundamentais.

3.3 Processo de combustão por recirculação química (Chemical Looping Combustion