UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
Rafael Nunes Segantine
A Influência das Micro-Ondas no Abatimento
de Gases de Efeito Estufa
CAMPINAS 2020
A Influência das Micro-Ondas no
Abatimento de Gases de Efeito Estufa
Orientador: Prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos Júnior
CAMPINAS 2020
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO(A) ALUNO(A) Rafael Nunes Segantine, E ORIENTADA PELO(A) PROF(A). DR(A) Auteliano Antunes dos Santos Júnior
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
A Influência das Micro-Ondas no
Abatimento de Gases de Efeito Estufa
Autor: Rafael Nunes Segantine
Orientador: Prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos Júnior
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
Prof. Dr. Auteliano Antunes dos Santos Júnior DSI/FEM/UNICAMP
Prof. Dr. Paulo Roberto Gardel Kurka DSI/FEM/UNICAMP
Prof. Dr. Edson Tomaz DEPro/FEQ/UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Aos meus pais, uma vez que me incentivaram e me amaram incondicionalmente durante toda minha vida.
Ao Professor Dr. Auteliano Antunes dos Santos Júnior, pela oportunidade concedida e pela orientação dedicada e paciente ao longo deste trabalho.
Ao Marcos Machado e ao José Lavaquial, sócios da empresa Innovatus Brasil, que tornaram possível a construção do protótipo e realização dos testes.
Aos funcionários da empresa Innovatus Brasil, Edson Sobreira, Lucas Hubert, Gustavo Buzioli, pela ajuda na construção dos equipamentos da bancada.
A minha noiva, que foi compreensiva nos momentos de ausência para a elaboração deste trabalho e sempre me incentivou a concluir este trabalho.
SEGANTINE, Rafael Nunes, A Influência das Micro-ondas no Abatimento de Gases de
Efeito Estufa, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de
Campinas, 2019. 107p. Dissertação (Mestrado)
Frequentes mudanças na sociedade, principalmente no que envolve o padrão de consumo, resultam em uma acentuada dependência de fontes de energia para geração de eletricidade. Devido a perenidade da energia elétrica produzida por termelétricas e elevada rapidez com que se constrói sua estrutura física, termelétricas são opções consideráveis para suprir carências energéticas em menor tempo e completar a produtividade de matrizes energéticas limpas. Entretanto, termelétricas alimentadas com combustíveis fósseis produzem uma grande quantidade de resíduos nocivos ao meio ambiente, destacando-se os poluentes que podem ser descritos como emissões aéreas, em especial, os gases de efeito estufa. O aumento desequilibrado dos gases de efeito estufa presentes na atmosfera intensificam o fenômeno natural terrestre, produzindo o que se conhece por “Aquecimento Global”. Dessa forma, diversas tecnologias têm sido desenvolvidas para abater, capturar, separar e destinar os gases de efeito estufa. Neste trabalho foi montada e projetada uma bancada de testes com o objetivo de propor e validar um arranjo e experimental e modelo empírico com a tecnologia para o abatimento de dióxido de carbono de gases oriundos de pós-combustão de termelétricas, através do contato deste gás com uma cerâmica susceptora de energia de micro-ondas aquecida até elevadas temperaturas por micro-ondas. Ao final dos experimentos, constatou-se em um dos experimentos que compunham o modelo empírico abatimento de 92,42% do CO2 presente no
gás pós-combustão e a construção de um modelo empírico linear com termos cruzados.
Palavras Chave: Micro-ondas, gases de efeito estufa, planejamento experimental, abatimento de CO2.
SEGANTINE, Rafael Nunes, The Influence of Microwave on Greenhouse Gas
Abatement, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de
Campinas, 2019. 107p. Dissertação (Mestrado)
Frequent changes in society, especially regarding the pattern of consumption, result in a marked dependence on energy sources for electricity generation. Due to the longevity of electric power produced by thermoelectric plants and the high speed with which their physical structure is built, thermoelectric plants are considerable options to supply energy shortages in a shorter time and to complete the productivity of clean energy matrices. However, fossil fuel-fired thermoelectric plants produce a large amount of environmentally harmful waste, highlighting the pollutants that can be described as air emissions, especially greenhouse gases. The unbalanced increase of greenhouse gases in the atmosphere intensifies the natural terrestrial phenomenon, producing what is known as “Global Warming”. Thus, several technologies have been developed to abate, capture, separate and destine greenhouse gases. In this work a test bench was assembled and designed with the purpose of proposing and validating an experimental arrangement and empirical model with the technology for carbon dioxide abatement of thermoelectric post-combustion gases, through the contact of this gas with a microwave energy-absorbing ceramic heated to high microwave temperatures. At the end of the experiments, it was found in one of the experiments that comprised the empirical model abatement of 92.42% of CO2 present in the post-combustion gas and the construction of a linear empirical model with cross terms.
Figura 1.1 – Representação do fenômeno do Efeito Estufa 22 Figura 1.2 – Aumento da concentração de CO2 atmosférico 24
Figura 2.1 – Diagrama do espectro eletromagnético desde as ondas de rádio até os raios gama 39 Figura 2.2 – Magnetron típico utilizado em aplicações eletromagnéticas 40 Figura 2.3 – Guia de onda típica utilizada em fornos de micro-ondas 41 Figura 2.4 – Diagrama genérico de um sistema experimental de aquecimento por micro-ondas
monomodo 42
Figura 2.5 – Diagrama genérico de um sistema experimental de aquecimento por micro-ondas
multimodo 43
Figura 3.1 – Parâmetros relevantes para um processo de estágio único de membrana para
captura de CO2 52
Figura 3.2 – Processo de membrana de estágio único para captura de CO2 de gás de
pós-combustão 55
Figura 3.3 – Sistema proposto por Yang et al (2009) para um processo de dois estágios empregando compressores para captura de dióxido de carbono de gases de pós-combustão
56 Figura 3.4 – Sistema proposto por Yang e seus colaboradores para processo de dois estágios via bombas de vácuo para captura de dióxido de carbono de gases de pós-combustão 58 Figura 3.5 – Esquema simplificado de um sistema tradicional de absorção de CO2 63
Figura 3.6 – Composição do Equilíbrio do sistema C-O 82 Figura 3.7 – Representação de um sistema convencional de plasma gerado por micro-ondas e
seus componentes 83
Figura 4.1 – Representação esquemática da bancada de testes utilizada para verificação do abatimento de CO2 por cerâmica susceptora de micro-ondas e efeitos térmica 90
Figura 4.2 – Forno de micro-ondas fabricado pela Innovatus Brasil 91
Figura 4.3 – Reator químico cerâmico 92
Figura 4.4 – Disposição do reator químico cerâmico no interior da cavidade ressonante 93 Figura 4.5 – Cerâmica susceptora de micro-ondas no interior químico cerâmico 93 Figura 4.6 – Trocador de Calor fabricado pela Innovatus Brasil 94
Figura 4.7 – Sistema de análises químicas 95
Figura 4.8 – Bancada de testes utilizada na verificação do processo de abatimento de CO2 por
micro-ondas 96
Figura 5.1 – Resultado qualitativo para a análise do gás antes do tratamento por micro-ondas 103 Figura 5.2 – Resultado qualitativo do experimento efetuado com vazão de 10 l/min. 103 Figura 5.3 – Imagem gerada pelo Software Statística para representar a tabela com o sumário
dos efeitos para o modelo empírico linear 109
Figura 5.4 – Imagem gerada pelo Software Statística para representar a Tabela ANOVA de
variação do modelo empírico linear 110
Figura 5.5 - Imagem gerada pelo Software Statística para representar a tabela com o sumário dos efeitos para o modelo empírico linear com termos cruzados 111 Figura 5.6 - Imagem gerada pelo Software Statística para representar a Tabela ANOVA de variação do modelo empírico linear com termos cruzados 112 Figura 5.7 – Superfície ajustada para o modelo empírico linear com termos cruzados para descrever o processo de abatimento de gases de efeito estufa assistido por micro-ondas 113
Tabela 1.1 – Potencial de aquecimento dos gases de efeito estufa 23 Tabela 3.1 – Comparação das vantagens e desvantagens dos processos de captura de CO2 por
membranas (filtragem) e por absorção por aminas 50 Tabela 4.1 – Moléculas identificadas nos gases de exaustão após o processo de combustão nas chaminés da termoelétrica presente na Companhia Siderúrgica do Atlântico 97 Tabela 4.2 – Gases presentes na amostra gasosa do processo de abatimento de CO2 por
micro-ondas e suas concentrações 97 Tabela 4.3 – Planejamento fatorial multivariado 23 com composto central 99
Tabela 4.4 - Nível dos fatores utilizados no Planejamento experimental com composto central 100 Tabela 5.1 – Resultado experimental encontrado no planejamento fatorial multivariado 23
com composto central 106
Tabela 5.2 – Valores das temperaturas, tempo e vazão utilizados nos balanços dos
experimentos de abatimento de CO2 via cerâmica susceptora de micro-ondas 117
Pág. IPCC – Painel intergovernamental sobre mudanças climáticas 22
CFC – Gases clorofluorcarbonos 23
HFC – gases hidrofluorocarboneto 23
GWP – Potencial de aquecimento global 23
CCS – tecnologias de captura e armazenamento de carbono 30
MEA – Monoetanolamina 36
DEA – Dietanolamina 36
1 INTRODUÇÃO E LOCALIZAÇÃO DO PROBLEMA ... 15
1.1 Geração de poluentes ... 18
1.2 Efeitos do CO2 na atmosfera ... 21
1.3 Necessidade dos processos de abatimento de CO2. ... 25
1.4 Objetivos ... 26
1.5 Apresentação da dissertação ... 27
2. CONCEITOS BÁSICOS ... 29
2.1. Tecnologias para captura e armazenamento de carbono ... 30
2.1.1. Pós-combustão ... 31
2.1.2. Pré-combustão ... 31
2.1.3. Combustão oxi-combustível ... 32
2.2. Tecnologias para separação de CO2 ... 33
2.2.1 Adsorção física ... 33
2.2.2 Absorção física ... 34
2.2.3 Separação criogênica ... 34
2.2.4 Absorção por membranas ... 34
2.2.5 Separação baseada em membranas ... 35
2.2.6 Absorção química ... 35
2.3 Captura de pós-combustão para usinas termelétricas ... 36
2.4 Produção de energia elétrica a partir de gás de alto-forno ... 37
2.5 Tecnologia de micro-ondas ... 38
2.5.1 Características das micro-ondas ... 38
2.5.2 Propriedades dielétricas ... 43
2.5.3 Aquecimento por micro-ondas... 47
3.3 Tecnologias ambientais que utilizam a técnica de aquecimento por
micro-ondas... ... 65
3.3.1A técnica de aquecimento por micro-ondas em tecnologias ambientais para minimizar problemas relacionados a eliminação de resíduos ... 67
3.3.1.1Remediação de solo contaminado ... 67
3.3.1.2Destinação de lixo ... 68
3.3.1.3Regeneração de carbono ativo granulado ... 70
3.3.2A técnica de aquecimento por micro-ondas em tecnologias ambientais para aproveitamento de subprodutos ... 72
3.3.2.1Processo organosolv aplicado à biomassa lignocelulósica assistido por micro-ondas ... 73
3.3.2.2Pré-tratamento por micro-ondas para a produção de bioetanol ... 75
3.3.2.3 Pré-tratamento por micro-ondas para produção de biogás via digestão anaeróbica ... 77
3.4Desintegração térmica de dióxido de carbono em plasma gerado por micro-ondas ...80
3.5 Considerações finais do capítulo ... 88
4MATERIAIS E MÉTODOS ... 90
4.1 Equipamentos e materiais utilizados... 91
4.1.1 Forno de micro-ondas ... 91
4.1.2 Reator químico cerâmico ... 92
4.1.3 Trocador de calor ... 94
4.1.4 Sistema de análises químicas cromatográficas... 94
4.1.5Bancada de testes ... 95
4.1.6 Matéria prima ... 96
4.2.2 Planejamento experimental fatorial multivariado 23 com composto central
... 99
4.3 Considerações finais ... 101
5RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 102
5.1 Primeira etapa de experimentos – verificando o fenômeno de abatimento de CO2 ... 102
5.2 Desenvolvimento do planejamento experimental fatorial multivariado 23 com composto central ... 105
5.3 Considerações finais ... 119
6CONCLUSÃO E SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ... 121
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 123
ANEXO A – Análises cromatográficas dos experimentos ... 135
ANEXO B – Método analítico para quantificação dos gases O2, N2, CO e CO2 em amostras gasosas ... 148
ANEXO C – Cálculo da eficiência do equipamento de micro-ondas utilizado no processo de abatimento de CO2... 154
1 INTRODUÇÃO E LOCALIZAÇÃO DO PROBLEMA
Frequentes mudanças na sociedade, principalmente no que envolve o padrão de consumo e aumento da expectativa de vida, resultam em uma acentuada dependência de fontes de energia para geração de eletricidade. Dentre essas fontes encontram-se as renováveis e as não renováveis. As fontes renováveis se caracterizam por possuir capacidade de regeneração em determinado espaço de tempo, dentro desse ciclo ela é inesgotável. Como exemplo, pode-se citar: a biomassa, a solar, a eólica e a hidráulica. As fontes não renováveis são caracterizadas de acordo com seu tempo de uso, seja em maior ou menor prazo. Entretanto, com o devido tempo de uso, o único resultado possível será o esgotamento dessas fontes. Como exemplo, pode-se mencionar: o petróleo e seus derivados, o gás natural, o carvão mineral e o urânio.
Uma vez que o uso da energia elétrica se intensifique, faz-se necessário a criação de maneiras eficientes de produzi-la. No cenário brasileiro, são as hidroelétricas as maiores responsáveis pela produção de energia elétrica. Entretanto, ao decorrer do ano existem variações climáticas e pluviométricas, impedindo que as hidroelétricas trabalhem em 100% de sua capacidade de geração. Dessa forma, as termelétricas assumiram um papel de “válvula de escape” no cenário energético nacional, funcionando ininterruptamente quando as hidroelétricas estão comprometidas. Todavia, as termelétricas utilizam combustíveis fósseis, tais como carvão mineral, derivados de petróleo e gás natural. A queima desses combustíveis colaborará para o aumento do aquecimento global, devido ao dióxido de carbono liberado para a atmosfera. É importante entender os processos envolvidos na operação das termelétricas a fim de buscar tecnologias e maneiras de remediar os efeitos dos gases poluentes liberados durante seu funcionamento, para que a sociedade continue a desfrutar da energia elétrica produzida sem acumular danos ao meio ambiente.
Usinas termelétricas podem ser descritas como plantas químicas que produzem energia elétrica a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis, ou outras formas de calor, como exemplo, a fissão nuclear. O combustível
consumido pelas usinas termelétricas fica armazenado em depósitos próximos às usinas. O calor gerado pela queima dos combustíveis aquece uma caldeira cheia de água, gerando vapor d’água em alta pressão. O vapor sob elevada pressão e temperatura expande e movimenta as pás da turbina do gerador, produzindo a energia elétrica. Após o vapor d’agua ter movimentado as turbinas, ele é enviado a um condensador para ser resfriado e voltar para condição física de água líquida, sendo em seguida reenviado para a caldeira, iniciando um novo ciclo de geração de vapor.
Segundo Braciani em comparação com usinas hidrelétricas, as termelétricas são mais rápidas de se construir, “[...] isso se deve as características técnicas e econômicas desse tipo de empreendimento, disponibilidade de combustíveis e o menor valor de implantação, [...]” (BRACIANI, 2011). Dessa forma, usinas termelétricas são opções a serem consideradas com o intuito de suprir carências de energia em menor tempo. Outro fator relevante é que as termelétricas podem ser construídas próximas a centros urbanos, diminuindo os desperdícios de energia e o custo de implantação do sistema com linhas de transmissão.
No cenário Brasileiro, termelétricas são utilizadas de maneira estratégica, uma vez que a energia produzida nessas é constante durante o ano, diferentemente da energia das hidrelétricas, que tem sua produção vinculada ao nível dos rios nos quais elas estão instaladas. Por isso, as termelétricas são utilizadas para completar a matriz energética das hidroelétricas, sendo acionadas quando há necessidade, normalmente em períodos de estiagem.
Para minimizar os efeitos dos contaminantes da combustão sobre a vizinhança das termelétricas, a central possui uma chaminé de grande altura, chegando a 300 metros de comprimento. A central também apresenta em sua estrutura precipitadores que retêm cinzas e outros resíduos voláteis da combustão dos combustíveis. Como dito, a queima dos combustíveis fósseis resulta na liberação de gases para a atmosfera, contribuindo para o aquecimento global e chuvas ácidas, e esses gases é que são expelidos pelas chaminés.
As usinas termelétricas também apresentam duas fortes desvantagens. A primeira é o custo final desse tipo de energia, uma vez que a energia elétrica gerada em termelétricas apresenta um custo mais elevado do que a energia gerada em hidroelétricas, o que se deve ao preço dos combustíveis fósseis utilizados nas
primeiras. Usinas termelétricas também tem sua atividade diferenciada pelos combustíveis utilizados em sua queima para produção de energia elétrica.
Um dos combustíveis fósseis mais utilizados no Brasil é o gás natural, que é uma mistura de hidrocarbonetos gasosos, que tiveram sua origem na decomposição de matéria orgânica fossilizada ao longo de milhões de anos, possuindo um elevado poder calorífico. Em sua queima, apresenta baixos teores de emissão de poluentes em comparação a outros combustíveis fósseis.
O petróleo é outro combustível muito utilizado em termelétricas. Trata-se de uma mistura de hidrocarbonetos que se origina da decomposição de matéria orgânica, principalmente plâncton em suspenção na água. A decomposição é causada por ação bacteriana em meios com baixo teor de oxigênio. Durante muitas décadas, o petróleo foi o grande responsável pela propulsão da economia mundial, chegando representar quase 50% do consumo de energia primária mundial, no início dos anos 1970 (ANEEL, 2002). No Brasil as termelétricas movidas a derivados de petróleo, segundo o Atlas da ANEEL, apresentam maior valor agregado se utilizadas em transportes ou geração distribuída, por isso sua, participação na matriz de energia elétrica brasileira é pequena.
O carvão mineral é outro combustível fóssil que pode ser aplicado em sinas termelétricas para produção de energia elétrica. O carvão mineral é uma complexa e variável mistura de componentes orgânicos, sólidos e fossilizados ao longo dos anos. Segundo o Atlas da ANEEL, a qualidade do carvão mineral é determinada pelo conteúdo de carbono, que varia de acordo com o tipo e estágio dos componentes orgânicos, sendo: 1) turfa, apresenta baixo conteúdo carbonífero, constitui um dos primeiros estágios do carvão, com teor de carbono na ordem de 45%; b) linhito, apresenta um conteúdo de carbono que varia de 60% a 75%; c) carvão betuminoso ou hulha, apresenta um conteúdo de carbono que varia de 75% a 80% de carbono; d) antracito, apresenta um conteúdo de carbono superior a 90%.
Também deve-se citar que usinas nucleares ou termonucleares são instalações industriais que tem por finalidade produzir energia elétrica a partir de reações nucleares, que produzindo calor alimentam uma cadeira com a finalidade de produzir energia elétrica, encaixando-se, dessa forma, no amplo espectro conceitual que envolve as usinas termelétricas. Entretanto, sua atividade química não envolve a
combustão de combustíveis fósseis, não produzindo a poluição gasosa que contribui para o acentuamento do efeito estufa.
1.1 Geração de poluentes
O termo usina termelétrico pode designar diversos tipos de usinas que geram energia elétrica, uma vez que essas se definem pela capacidade de gerar energia a partir do calor produzido numa caldeira, num reatou ou em outro dispositivo. Nesta dissertação escolheu-se analisar os poluentes produzidos em uma usina termelétrica que utiliza como combustível o carvão mineral, uma vez que tais termelétricas apresentam atividade mais danosa ao meio-ambiente. No que se refere ao impacto ambiental de uma usina termelétrica a carvão, dentro de seu processo de geração de energia, os principais resíduos a serem consideradas são efluentes líquidos, emissões gasosas e resíduos sólidos. Os resíduos, efluentes e emissões variam de usina para usina de acordo com uma série de fatores, sendo os principais: tecnologia utilizada na termelétrica, composição química do carvão e equipamentos utilizados na usina.
A heterogeneidade do combustível utilizado e a diversos processos que envolvem o funcionamento de uma termelétrica tornam a previsão dos poluentes formados uma tarefa difícil. A formação dos poluentes está ligada ao combustível e ao processo de combustão utilizado pelo gerador de vapor, na etapa de queima do carvão. Os principais métodos de combustão são: leito fixo, em suspensão e em leito fluidizado. A queima em leito fixo foi utilizada em caldeiras antigas, caracteriza-se por baixa eficiência e um longo período de residência das partículas na fornalha; tal método não é mais utilizado para queima de carvão em grande escala. A queima em suspensão é o método mais utilizado no Brasil e em grandes centrais termelétricas, uma vez que apresenta a maior eficiência de queima que o processo em leito fixo. A queima em leito fluidizado é muito utilizada no exterior, por ser a técnica mais versátil para queima de diversos combustíveis e pela capacidade de controlar a emissão de poluentes, principalmente os óxidos de enxofre produzidos durante a combustão.
Os poluentes gerados em uma termelétrica alimentada por carvão podem ser divididos em três grandes grupos: efluentes líquidos, emissões aéreas e resíduos sólidos. Os efluentes líquidos são produzidos durante a operação da termoelétrica. O
volume dos efluentes gerados é função do projeto da usina e da potência da unidade geradora de energia elétrica. Como efluentes líquidos podem ser citados (ELETROSUL, 1994):
• Água de arras das cinzas extraídas por via hidráulica, durante o transporte e disposição das cinzas;
• Purga das torres de resfriamento, caso o sistema de circulação de água seja em sistema fechado;
• Descarga de fundo de lodo do flocodecantador, no sistema de tratamento de água;
• Drenagem dos pátios de carvão, no sistema de recebimento, transporte e manuseio de combustível;
• Descarga do efluente da regeneração das resinas dos sistemas de água desmineralizada e tratamento do condensado;
• Diversas drenagens, esgotos sanitários, água de limpeza de pisos, água de limpeza de caldeira, água dos preaquecedores regenerativos e água utilizada em laboratórios;
Atualmente, todos os efluentes líquidos devem ser concentrados em um lugar determinado, tratados e reutilizados na Usina. O impacto ambiental dos efluentes líquidos é avaliado pela quantificação dos poluentes presentes nos cursos d’água que envolvem a operação da termoelétrica e nos efluentes industriais das fontes poluidoras,
Os poluentes, que podem ser descritos como emissões aéreas, são constituídos por gases, névoas, gotículas e material particulado. As emissões aéreas são os poluentes gerados durante a operação da termoelétrica, principalmente durante a etapa da combustão, e que são passíveis de serem lançados na atmosfera. Denomina-se padrão de qualidade às concentrações limites definidos de poluentes na atmosfera, que estão relacionados aos efeitos nocivos destes (SERRA, 1990).
Deve-se entender que, mesmo que as emissões permaneçam abaixo do padrão de qualidade, as condições meteorológicas locais determinam o grau de
diluição dos poluentes na atmosfera; dessa forma, a qualidade do ar pode se alterar. A interação entre a atmosfera e a poluição definirá a qualidade do ar, que por sua vez, determinará os efeitos da poluição sobre os receptores, podendo os receptores ser os animais, as plantas, o homem e prédios e estruturas construídas ao redor da termelétrica. Nas usinas que utilizam carvão para geração de energia elétrica, os poluentes aéreos de maior importância relacionam-se com a combustão da fonte de energia fóssil, a saber: material particulado, dióxido de enxofre (SO2), dióxido de
nitrogênio (NO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), oxidantes
fotoquímicos e elementos menores.
Os poluentes que podem ser definidos como resíduos sólidos possuem como característica agregadora o estado físico, sendo assim, são os poluentes que estão no estado sólido e semissólido, podendo ser citados:
• Cinza proveniente da combustão do carvão, que é o principal resíduo sólido;
• Lodos gerados durante o tratamento de água, por equipamentos e nas instalações do controle de produção;
• Poluentes líquidos cujas particularidades tornam inviável seu descarte na rede de esgotos ou corpos d’água;
As cinzas, além de causarem malefício no próprio solo em que são armazenadas, também provocam contaminação no ar, na água superficial ou subterrânea, quando são arrastadas para esses meios devido sua mobilidade. No que se refere ao processo de geração termelétrica a carvão no Brasil, pode-se salientar que a maior parte do carvão consumido atualmente é queimado em caldeiras de carvão pulverizado. Neste tipo de caldeira, mais de três quartos da cinza produzida é arrastada pelos gases de combustão, uma vez que são demasiadamente finas, outro fator agravante é que as usinas termelétricas brasileiras queimam carvão com teor de cinzas na faixa de 40 a 60%
1.2 Efeitos do CO2 na atmosfera
Segundo as teorias modernas, a terra formou-se sem uma atmosfera, sendo os gases e a água que constituem nossa atual atmosfera e oceanos eram componentes químicos de uma mesma mescla original (DONN, 1978).
Através das eras, o calor liberado pela sedimentação dos elementos químicos mais pesados no centro da terra, concomitantemente com a ocorrência de processos radioativos, elevou a temperatura da terra primitiva. Os elementos que compõem o oceano e a atmosfera foram lentamente expelidos do interior da crosta terrestre, acumulando-se até produzir o ar e água que hoje conhecemos. Antes da vida aparecer no planeta terra, havia apenas traços de oxigênio molecular na atmosfera terrestre. O CO2 e o vapor d’agua expelidos por intensas atividades vulcânicas eram os principais
componentes da atmosfera terrestre. Posteriormente, com o surgimento das plantas verdes fotossintetizantes, o oxigênio livre surgiu na atmosfera terrestre (DONN, 1978). Nas fases iniciais de formação da Terra, as concentrações de gás carbono era demasiadamente elevadas na atmosfera, efeito decorrente da grande intensidade de erupções vulcânicas. O CO2 atmosférico passou a ser reduzido quando algas
marinhas passaram a transformar o gás disperso na atmosfera em depósitos calcários. O processo de decréscimo de CO2 na atmosfera ocorreu principalmente em
duas fases: a primeira fase deu-se há 600 milhões de anos com a proliferação de protozoários calcários, a segunda fase deu-se a 350 milhões de anos com a proliferação de pteridófitas. Entretanto, no período Cretáceo, há 100 milhões de anos, na época dos dinossauros, as concentrações de dióxido de carbono (CO2) na
atmosfera ainda eram muito altas, estimadas em 10 vezes a mais que os dias atuais. Dessa forma, provavelmente, uma forte redução do Vulcanismo teria provocado uma real redução dos níveis de CO2 na atmosfera, aproximando-o dos níveis atuais
(POSTEL, 1986).
Atualmente, a atmosfera da terra é composta por uma camada gasosa que a rodeia, composta principalmente, em base seca, por aproximadamente 78% de nitrogênio (N2), 1% de argônio (Ar) e 21% de oxigênio. Além dos gases de maior
(N2O) e o vapor d’água , que são conhecidos como os gases responsáveis pelo efeito
estufa (GEE) e que desempenham um papel essencial no balanço de energia terrestre, uma vez que os gases de efeito estufa possuem a capacidade de reter o calor na atmosfera (Agnesini, 2012).
O efeito estufa é um processo natural terrestre e de elevada importância para manutenção da vida na terra, garantindo a devida temperatura para a existência da vida no planeta. Ocorre quando uma fração da radiação solar que incide sobre a superfície terrestre é refletida e absorvida pelos gases de efeito estufa presentes na atmosfera. Dessa forma, a radiação de infravermelho refletida pela superfície fica retida na baixa atmosfera, resultando na elevação da temperatura do planeta.
Figura 1.1 - Representação do fenômeno do Efeito Estufa. Fonte: (AGNESINI, 2012)
Após a terra receber radiação e energia oriunda do sol, o efeito estufa controla a quantidade de energia que é devolvida ao espaço, permitindo que a temperatura média da terra se mantenha em 15 °C. Sem o efeito estufa, a temperatura da terra seria 30 °C menor (YOSHIDA IZUMI, 2012).
Conforme o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC, 2007), os gases responsáveis pelo efeito estufa são: CO2, CH4, N2O e alguns outros
(CFC). O dióxido de carbono (CO2) é naturalmente encontrado na atmosfera, mas as
atividades humana e industrial têm provocado o aumento de sua concentração. Os principais responsáveis pela produção desse gás são a queima de combustíveis fósseis e a queima de florestas. O metano (CH4) também é encontrado naturalmente
na atmosfera, mas a atividade humana, principalmente a produção de gado e decomposição de lixo, têm aumentado sua concentração na atmosfera. O óxido nitroso (N2O) é majoritariamente proveniente da queima de combustíveis fósseis e da
utilização de fertilizantes. Os gases clorofluorcarbonos (CFC) são comumente utilizados como refrigerantes na indústria de refrigeração. Esses gases apresentam um agravante, uma vez que além de promover a intensificação do fenômeno de aquecimento global, também podem danificar a camada de ozônio. Atualmente os CFCs têm sido substituídos pelos HFCs, mas esses apresentam potencial destrutivo similar aos CFCs.
Deve-se salientar que os gases de efeito estufa apresentam diferentes potências de aquecimento quando recebem radiação. O GWP (Global Warming Potential), que é o índice de aquecimento global de cada gás, é uma medida relativa em relação ao valor do CO2 da capacidade acumulativa de absorção de energia
radiante. Os valores para cada gás estão apresentados na tabela 1.1.
Tabela 1.1 - Potencial de aquecimento dos gases de efeito estufa.
GÁS Potencial de aquecimento relativo, comparado ao CO2 CO2 1 CH4 23 N2O 296 CFCs 900 - 8300
Fonte: (YOSHIDA IZUMI, 2012)
Apesar do CO2 não apresentar um elevado potencial de aquecimento, sua
presença em elevadas concentrações, uma vez que é amplamente emitido, faz com que seja responsável por 55% do efeito estufa total, enquanto os CFCs são
responsáveis por 24%, o metano por 15% e o óxido nitroso por 6% (YOSHIDA IZUMI, 2012).
Como dito, a atual matriz energética mundial tem como base os combustíveis fósseis e sua queima, como carvão mineral, petróleo e gás natural, a queima desses combustíveis fósseis lançam grandes quantidades de CO2 e outros gases de efeito de
estufa (MONDAL; BALSORA; VARSHNEY, 2012), (AGNESINI, 2012). Segundo pesquisadores do National Oceanic and Atmosferic Administration (NOAA), localizado no Havaí, a concentração de CO2 na atmosfera alcançou aproximadamente valores
de 390 ppm em 2011, resultados que são 40% superior aos valores de CO2 presentes
na atmosfera no início da revolução industrial, que era de 280 ppm. Como resultado do aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera ao longo dos anos, a temperatura global da superfície terrestre tem aumentado 0,2 °C por década nos últimos 30 anos (REIS, 2013). A Figura 1.6 representa a evolução das concentrações de CO2 na atmosfera ao longo dos anos.
Figura 1.2 - Aumento da concentração de CO2 atmosférico. Imagem modificada
de REIS (2013).
Estima-se que cerca de 85% da demanda total da energia mundial é fornecida por termoelétricas que utilizam combustíveis fósseis. Estima-se que 40% do total de CO2 emitido por fontes antropogênicas se devem às plantas termoelétricas (MONDAL;
1.3 Necessidade dos processos de abatimento de CO2.
O aquecimento global está causando mudanças climáticas com efeitos imprevisíveis para o meio ambiente e, consequentemente, para a economia mundial. O principal efeito é a elevação da temperatura média global, além de impactos secundários como a intensificação de fenômenos como enchentes, furacões, secas e a acentuação do fenômeno denominado EL Niño (AGNESINI, 2012). Os polos terrestres deverão sentir mais acentuadamente os efeitos da elevação da temperatura média terrestre. Dentre os fenômenos observados nos polos, destaca-se o degelo das calotas polares e dos glaciares, resultando num aumento dos níveis dos oceanos.
O setor agrícola deve ser um dos mais afetados às mudanças climáticas causadas pelo aquecimento global, já que os fenômenos gerados pelo aumento da temperatura média global deverão afetar a saúde das plantações, aumentando a ocorrência de pragas. As mudanças climáticas devem alterar os padrões da precipitação pluviométrica, diminuindo a disponibilidade de água para irrigação ou, ao contrário, intensificando a precipitação pluviométrica e causando cheias, com a consequente perda de plantações. Afetando-se o setor agrícola, como resultado evidente, afeta-se a vida humana e animal terrestre (REIS, 2013).
Levando em consideração os impactos causados pelo aquecimento global, compreende-se a importância do controle das emissões dos gases de efeito estufa que são produzidos por ação antropogênica, ou seja, não são participantes naturais dos ciclos biogeoquímicos terrestres. Uma vez que as grandes responsáveis pelo aumento da concentração de CO2 na atmosfera são as emissões dos gases de
pós-combustão das plantas de geração de energia ou termoelétricas, que queimam combustíveis fósseis, estimando-se que 40% do total de CO2 emitido por fontes
antropogênicas se devem às plantas termoelétricas, como já mencionado anteriormente, uma maneira pragmática de reduzir substancialmente os efeitos do aquecimento global é a redução dos poluentes produzidos pelas plantas termelétricas.
De maneira geral, nas usinas termelétricas os poluentes aéreos produzidos que mais são significativos sempre estão relacionados com o uso do combustível escolhido para geração de energia, por exemplo, para usina termelétrica que utilize carvão, os principais poluentes aéreos serão material particulado, dióxido de enxofre,
dióxido de nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, oxidantes fotoquímicos e elementos menores.
O tratamento das emissões começa com a especificação do combustível a ser utilizado na usina, quanto melhor a qualidade do combustível fóssil, menores poluentes ele produzirá. Entretanto, mais elevado será seu custo, uma vez que o minerador será obrigado a efetuar uma série de tratamentos, visando adequar seu combustível fóssil às especificações técnicas vigentes no setor. Os poluentes aéreos produzidos por termoelétricas podem também ser eliminados dos processos de queima de combustíveis fósseis a um custo geralmente inferior aos danos causados pela poluição, com à exceção da eliminação do CO2 (BRUNDTLAND ,1991).
Dadas as circunstâncias que envolvem a geração de poluentes e gases de efeito estufa por ação antropogênica, os fenômenos naturais resultantes do aumento da concentração de CO2 na atmosfera terrestre e os elevados custos para eliminar o
CO2 das emissões gasosas das termelétricas, há uma demanda crescente para tornar
a geração de energia menos danosa ao meio ambiente e, concomitantemente, um aumento da importância de processos de filtração e abatimento de CO2 oriundo de
emissões gasosas que têm origem na geração de energia por termelétricas que utilizam combustíveis fósseis e diversos outros processos industriais.
1.4 Objetivos
Este trabalho tem como objetivos propor e validar um arranjo experimental com tecnologia para o abatimento do dióxido de carbono (CO2) de gases oriundo de
pós-combustão de termelétrica, através do contato deste gás com uma cerâmica susceptora de energia de ondas aquecida até elevadas temperaturas por micro-ondas, identificar a magnitude da influência dos parâmetros de processo que foram escolhidos para o estudo e validar a hipótese de que o processo de abatimento de CO2 pode ser descrito por um modelo matemático empírico.
O método de abatimento utiliza a temperatura produzida na cerâmica que, quando submetidas às micro-ondas, converte a energia das micro-ondas em energia térmica. É diferente dos métodos atuais, que não utilizam temperatura para abater o
dióxido de carbono, constituindo-se, portanto, uma nova tecnologia para abatimento de CO2.
Para atingir os resultados desejados, variáveis e parâmetros de controle do processo temperaturas de entrada e saída do gás de pós-combustão do processo de abatimento de CO2 por micro-ondas, vazão de gás através da cerâmica susceptora
de micro-ondas, massa de cerâmica susceptora de micro-ondas utilizada no processo, análises cromatográficas que mostram o resultado do processo de abatimento de CO2,
foram empregados na busca de entender sua influência sobre no processo de abatimento de CO2.
1.5 Apresentação da dissertação
Esta dissertação foi dividida em 7 capítulos. No primeiro, são apresentadas a localização do problema e as justificativas para a condução do estudo, bem como os objetivos do trabalho.
No capítulo 2, são apresentados os conceitos básicos que fundamentam as áreas do conhecimento científico que envolvem o presente desenvolvimento, dividida nas seguintes seções: Tecnologias para captura e armazenamento de carbono, tecnologias para separação de dióxido de carbono e tecnologia de micro-ondas.
No capítulo 3, está apresentada a revisão bibliográfica, que envolve as principais tecnologias para captura e separação de dióxido de carbono e tecnologias ambientais que utilizam a técnica de aquecimento por micro-ondas, dividida nas seções: Captura de CO2 de gases de pós-combustão por membranas, captura de CO2
por absorção de aminas e tecnologias ambientais que utilizam a técnica de aquecimento por micro-ondas e considerações finais.
No capítulo 4, estão apresentados os materiais e métodos utilizados e desenvolvidos durante o presente trabalho. O capítulo está dividido nos tópicos: Equipamentos e materiais utilizados, procedimento experimental e considerações finais.
No capítulo 5, estão apresentados os Resultados e Discussões que envolveram a formulação do modelo empírico e validação de um arranjo experimental com
tecnologia para o abatimento do dióxido de carbono (CO2) de gases oriundo de
pós-combustão de termelétrica, foi dividido nos seguintes tópicos: Primeira etapa de experimentos – verificando o fenômeno de abatimento de CO2, proposta e validação
de arranjo experimental – planejamento experimental fatorial 23 com composto central
e considerações finais.
No capítulo 6, estão apresentadas a conclusão e as sugestões para trabalhos futuros.
No capítulo 7, estão apresentadas as referências bibliográficas utilizadas para fundamentar este trabalho.
2. CONCEITOS BÁSICOS
O fenômeno denominado aquecimento global dá-se devido ao aumento da temperatura média dos oceanos e da atmosfera terrestre, tendo como causador o aumento desequilibrado de CO2 na atmosfera. O aumento excessivo de dióxido de
carbono na atmosfera pode ser relacionado com atividades humanas, principalmente com o uso industrial de combustíveis fósseis.
Das diversas ações que podem ser tomadas por países para mitigas as emissões de CO2 destacam-se elevar a eficiência energética e promover a
conservação de energia, intensificar o uso de combustível com baixa pegada de carbono, implantar o uso de energias renováveis, implantar técnicas de geoengenharia para reflorestamento de áreas devastadas e captura e estocagem de dióxido de carbono.
Nessa direção, os processos de captura, separação e estocagem de dióxido de carbono têm a capacidade de reduzir as emissões de CO2 de pontos intensivos em
emissões, como exemplo as termoelétricas e cimenteiras, em até 90%. De maneira pragmática, as tecnologias de captura e estocagem de dióxido de carbono atuam da seguinte maneira: capturar e separar o CO2 do combustível ou do gás de combustão,
transportar o CO2 e em seguida estocá-lo ou encontrar uso industrial para ele. Sendo
assim a captura, separação e estocagem de dióxido de carbono.
A presente seção de conceitos básicos visa expor o conhecimento que envolve o desenvolvimento científico presente neste trabalho. Dessa forma, a seção mostrará os conceitos que envolvem as principais iniciativas e tecnologias que buscam mitigar o aumento do CO2 antrópico na atmosfera e, em seguida, os conceitos que envolvem
a técnica de aquecimento por micro-ondas, uma vez que, essa técnica promove a força motriz para o processo de abatimento de gases de efeito estufa estudado nesse trabalho.
2.1. Tecnologias para captura e armazenamento de carbono
Nos processos industriais desenvolvidos por empresas caracterizadas como “pontos intensivos em emissões de CO2”, a etapa responsável pela emissão é a
combustão, o tipo de combustão adotada afeta diretamente a escolha do processo de captura e separação de CO2 apropriado. Entretanto, deve-se salientar que a etapa de
captura e separação de CO2 são caros e podem contribuir com até 80% do custo total
do processo de captura e estocagem.
Segundo o relatório do IPCC de 2005, tecnologias de captura e armazenamento de carbono, ou CCS, podem ser aplicadas em diversas fontes pontuais de poluição, mitigando os efeitos locais e globais causados pela emissão de gases baseados em carbono na atmosfera. O CO2 capturado pode ser comprimido,
transportado e armazenado; geralmente, CO2 pode ser estocado em formações
geológicas, oceanos, carbonatos minerais ou utilizado como matéria prima para processos industriais.
Existem três rotas principais para sistemas de captura de CO2: pós-combustão,
pré-combustão, e combustão oxi-combustível. Conforme Figueroa et al. (2008), tecnologias de captura de pós-combustão, o dióxido de carbono é capturado do gás de combustão, após o combustível ter sido queimado. Sistemas de captura que utilizam a rota de pré-combustão promovem a gaseificação do carvão, dessa forma, o carvão é gaseificado para formar gás de síntese, que é composto principalmente por CO e H2, em seguida, o gás de síntese é reformado por vapor de água, resultado em
uma mistura rica em CO2 e H2. O CO2 é removido antes do H2 passar pela combustão.
No processo de combustão oxi-combustível, o carvão é queimado utilizando oxigênio quase puro, sendo o gás resultando do processo rico em CO2 e pronto para transporte
e armazenamento. Uma vez que usinas termelétricas convencionais queimam combustível para aquecer uma caldeira e gerar energia, tecnologias que utilizam processos de captura de CO2 de pós-combustão são mais viáveis para aplicação, uma
2.1.1. Pós-combustão
Este processo visa remover o CO2 do processo após a etapa de combustão. É
o processo preferencial, uma vez que pode ser implantado sem a necessidade de alterar a estrutura de termoelétricas já existentes. O processo de combustão foi comprovado em pequena escala, recuperando até 800 toneladas de carbono por dia (Wall, 2007).
O principal problema encontrado por esta técnica é a baixa concentração de CO2 nos gases de combustão produzido por termelétricas que fazem uso de
combustíveis fósseis, normalmente 7 – 14% para carvão e 4% para gás natural. A baixa concentração de CO2 provoca uma grave penalidade energética ao processo,
uma vez que o grau de pureza que o CO2 produzido (superior a 95,5%) deve alcançar
para que a captura e estocagem ocorra de maneira satisfatória implica na intensificação energética do processo (de Visser et al., 2008).
Elwell (2006) mostra de maneira estimada que a captura de CO2 dentro dos
parâmetros de pureza necessários, os processos de captura de pós-combustão devem elevar os custos da produção da energia em até 70%. De maneira mais detalhada e em estudos mais recentes, Kanniche et al. (2010) mostrou que os sistemas de pós-combustão devem elevar o custo da energia em usinas termelétricas alimentadas por carvão em 65% e em 32% para termelétricas alimentadas por gás natural.
2.1.2. Pré-combustão
Neste processo de captura de carbono, o combustível utilizado é pré-tratado antes da etapa da combustão. O pré-tratamento do carvão envolve a gaseificação do material sólido em atmosfera com baixíssimas concentrações de oxigênio, resultando em gás de síntese que é majoritariamente constituído de CO e H2, processo descrito
pela equação (1). O gás de síntese produzido é direcionado para o processo de reação de mudança de gás de água, onde será produzido mais H2 e o CO será convertido em
CO2, processo descrito pela equação (2). O processo pode ser descrito pelas reações
químicas:
𝐶𝑎𝑟𝑣ã𝑜 → 𝐶𝑂 + 𝐻2 (2.1)
𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 → 𝐻2+ 𝐶𝑂2 (2.2)
A elevada concentração de CO2 na mistura combustível composta por H2/CO2,
que é superior a 20%, facilita a captura e separação do CO2 na mistura combustível,
que em seguida é levada a combustão produzindo majoritariamente H2O e nitrogênio
(Olajire, 2010).
O combustível gás natural, que é principalmente composto por CH4, no
processo de captura de CO2 de pré-combustão passa por reforma com água,
produzindo gás de síntese, etapa descrita pela equação (3). Em seguida, passa pela reação de mudança de gás de água, produzindo uma mistura rica em H2 e CO2,
conforme a equação (2). O restante do processo por gás natural é semelhante ao processo por carvão (Nord e Anantharaman, 2009).
𝐶𝐻4+ 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂 + 𝐻2 (2.3)
2.1.3. Combustão oxi-combustível
No processo de captura de CO2 Oxi-combustível, o oxigênio é utilizado na
combustão, substituindo o ar atmosférico. O principal ponto positivo desse processo é a redução considerável de nitrogênio na mistura gasosa (Buhre et al., 2005). Com o uso do oxigênio na etapa da combustão, os principais produtos formados são CO2,
vapor d’água, material particulado e SO2. O material particulado pode ser removido do
gás de combustão via filtros eletrostáticos convencionais e o SO2 pode ser removido
desafios tecnológicos. O gás resultante do processo de combustão oxi-combustível, após os devidos tratamentos e dependendo do combustível utilizado, pode chegar até 98% de concentração em CO2, estando pronto para compressão, transporte e
estoque.
Segundo Buhre et al. (2005), o processo é tecnicamente praticável, entretanto, o uso intensivo em oxigênio puro na combustão resulta no processo de separação do oxigênio do gás atmosférico, que é intensivo em energia.
Burdyny (2010) mostra que o custo energético em uma termoelétrica que aplique o método de captura e separação de CO2 via oxi-combustível deve ser
superior em 7% a uma termoelétrica que não o aplique.
2.2. Tecnologias para separação de CO2
Por definição, tecnologias de captura e estoque de carbono são divididas em três estágios básicos: a) separação do CO2, b) transporte e c) armazenamento.
Segundo Davidson (2007), a etapa de separação de CO2 custa 75 – 80% do
processo de captura e estoque de carbono, uma vez que é intensivo em energia, logo, a possibilidade de evitar alterações na estrutura já construída da termelétrica e evitar demais gastos é relevante.
O relatório do IPCC de 2005 indica as tecnologias de separação que podem ser incluídas como tecnologias de separação, sendo essas: adsorção, absorção física, separação criogênica, absorção por membranas, separação baseada em membranas e absorção química.
2.2.1 Adsorção física
Adsorção é um processo físico a adesão de gases ou líquidos em uma superfície sólida. Os sólidos adsorventes utilizados no processo podem ser carvão ativado, zeólitas, alumina e óxidos metálicos. Geralmente, o sólido adsorvente é regenerado liberando-se o CO2 através da aplicação de calor no sólido ou redução da
pressão sobre a superfície do adsorvente. Atualmente, a tecnologia de adsorção física de CO2 não apresentam maturidade tecnológica para ser aplicada em termelétricas
que são alimentadas por carvão. Os problemas que a tecnologia enfrenta são baixa capacidade de adsorção dos elementos sólidos e baixa seletividade ao CO2 presente
no gás de combustão. (Zhao et al, 2007)
2.2.2 Absorção física
O processo de absorção física baseia-se na solubilidade do CO2 em líquidos,
que é determinada pela Lei de Henry, e na pressão parcial do CO2 no gás de
combustão. Uma vez que a etapa do processo de maior consumo energético é a pressurização do CO2 antes de entrar em contato com o fluído, existem uma pressão
parcial mínima para que o processo seja economicamente viável, e esta é 15 vol%. A regeneração do fluido dá-se pela aplicação de calor, redução de pressão ou ambos no mesmo (Chakravati et al, 2001).
2.2.3 Separação criogênica
Sob a condição de pressão atmosférica, o CO2 é condensado quando atinge a
temperatura de -56,6 °C (IEA GHG, 1993). Utilizando-se das propriedades físicas do CO2, o método de separação criogênica busca condensá-lo, separando-o do gás de
combustão. O método é eficaz para atuar em gases de combustão que apresentam elevada concentração de CO2, entretanto o custo da refrigeração deve ser levado em
consideração.
2.2.4 Absorção por membranas
Membranas que atuam em processos de absorção usualmente servem como meios de contato entre o solvente absorvedor e o fluxo de gás e a membrana pode ou não oferecer vantagens técnicas ao processo, como seletividade ao CO2 por exemplo.
A eficiência do método depende da pressão parcial de CO2 no gás de combustão e é
adequado para aplicações onde o gás de combustão apresenta concentração superior a 20 vol%. Para a aplicação eficiente, o método exige que pressão no líquido absorvedor deve ser igual à pressão na vazão de gás, para que o transporte de CO2
através da membrana possa ocorrer (Favre, 2007).
2.2.5 Separação baseada em membranas
O método baseia-se principalmente na seletividade ao CO2 do material que
compõe a membrana. As membranas podem ser constituídas de diferentes materiais. Geralmente, as membranas apresentam diferentes taxas de permeação para moléculas de diferentes tamanhos. A força motriz do processo baseia-se no diferencial de pressão entre o lado de alimentação da membrana e o lado permeado. Deve-se enfatizar que processos de separação baseado em membranas de um estágio apresenta baixa seletividade ao CO2, produzindo pouco CO2 e de baixa pureza (IEA,
2004). Processos multiestágios estão sendo desenvolvidos para aumentar a seletividade ao CO2 e, por consequência, maiores volumes do gás, entretanto,
aprimorar o processo resulta em um maior custo operacional e investimento (Chakravati et al, 2001).
2.2.6 Absorção química
O processo de absorção química fundamenta-se na formação de ligações químicas fracas entre o CO2 e o solvente absorvedor, separando o CO2 das demais
moléculas formadoras do gás de combustão. O solvente absorvedor pode ser regenerado via a aplicação de calor, resultando no CO2 puro. Nesse processo, a
seletividade é relativamente elevada e a corrente de CO2 produzida é de pureza
relevante, fazendo o processo de absorção química uma boa opção para tratamento de gases industriais oriundo da combustão para geração de energia (IPCC, 2005).
O método de absorção Química é o mais maduro tecnologicamente dentre os métodos de separação de CO2. Hendriks (1995) mostra que os solventes mais comuns
incluem a monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA) e carbonato de potássio. Nessa direção, Veawab et al. (2002) mostrou que a absorção de CO2 por
monoetanolamina é o método mais eficiente, alcançando até 90% de separação, sendo até o momento o método mais promissor para a técnica de separação de CO2.
2.3 Captura de pós-combustão para usinas termelétricas
Conforme Oexmann et al (2012), unidades de captura de pós-combustão são projetadas para serem aplicadas após sistemas tradicionais de purificação e limpeza dos gases oriundos da queima dos combustíveis, uma vez que, para bom funcionamento dos sistemas de captura, elementos que compõem os gases de exaustão como os gases NOx, SOx e material particulado não podem estar presentes
no processo.
Segundo Herzog (2001), um dos maiores empecilhos para a aplicação da tecnologia de captura de pós-combustão em usinas termelétricas alimentadas por carvão é a baixa pressão parcial do CO2 no gás resultante da combustão. Também
constatou que o gás de combustão, na linha de exaustão, encontra-se a pressão atmosférica e a concentração de CO2 na mistura é de 13 – 15%, dessa forma, a força
motriz de separação de CO2 do restante da mistura é muito pequena. Merkel et al.
(2010) afirma que a vazão de gás de combustão em termelétricas alimentadas com carvão normalmente é 10 a 15 vezes maior que a vazão tratada nas indústrias químicas e de gás natural.
Rao e Rubin (2002), em seu estudo, concluem que das tecnologias que estão sendo desenvolvidas, o processo de absorção química é o mais maduro tecnicamente para implementação industrial nos próximos anos e concordando com seu trabalho, Luis (2015) mostra que dentre os diversos solventes testados para o processo de absorção química, a monoetanolamina é o solvente que é preferencialmente escolhido pelos pesquisadores.
Apesar do fato de que a tecnologia de absorção química de CO2 é a
tecnicamente mais madura, sua característica principal é o elevado consumo energético, o que prejudica sua aplicação industrial e estimula cientistas a buscar alternativas ao método. O relatório do IPCC de 2005 mostra que processos de
separação de CO2 baseados em membranas é umas das tecnologias emergentes que
se posicionam como alternativas promissoras ao método.
De toda forma, deve-se salientar que as tecnologias de captura de pós-combustão oferecem vantagens consideráveis ao processo, sendo a principal vantagem a possibilidade de implementá-la sem mudanças radicais na estrutura já existente das termelétricas.
2.4 Produção de energia elétrica a partir de gás de alto-forno
Identifica-se no setor de siderurgia o gás de alto-forno da produção de ferro-gusa, com elevada temperatura e teores de monóxido de carbono (CO), como principal perda energética do processo, uma vez que todo o CO não é queimado no processo. Geralmente, entre 40% a 60% do gás de alto-forno é utilizado para pré-aquecimento do ar de processo no alto-forno, sendo o restante descartado para a atmosfera após a queima nas tochas. Em processos de geração de eletricidade que utilizam cogeração, o uso do gás de alto forno mostra-se uma opção adequada, uma vez que o calor rejeitado pode ser convertido em energia útil.
O processo de produção de ferro-gusa em altos-fornos produz um gás com um poder calorífico na ordem de 800 a 900 kcal. Nm-3, o que possibilita seu uso
regeneradores de calor para aquecer o ar utilizado no processo produtivo. Em média, 50% desse gás é utilizado nos regeneradores e o restante é dirigido para ser utilizado na usina, sendo queimado e jogado na atmosfera.
Há usinas siderúrgicas que possuem centrais termelétricas, utilizando os gases oriundos dos processos de fabricação do ferro-gusa que, após serem queimados em caldeiras, são transformados em energia elétrica. Parte significativa dessa cogeração destaca-se por não advir da queima do gás e sim do aproveitamento de características físicas do gás de alto-forno para a geração de energia. Atualmente algumas siderúrgicas integradas têm aproveitado a energia cinética desse gás para geração de eletricidade em turbinas de geração de topo.
A Turbina de Recuperação de Topo é um sistema que utiliza a pressão de escape e o calor produzido no alto-forno como fonte de energia, ou seja, o gás
produzido no alto-forno durante a fundição do ferro é utilizado para a geração de eletricidade. A energia elétrica gerada por esse sistema abrange cerca de 20% de toda a energia necessária para funcionamento do alto-forno.
A Turbina de recuperação de Topo é uma usina a vapor, ou seja, é uma máquina térmica que utiliza a energia do vapor, sob a forma de energia cinética, transformando-a em energia mecânica. O vapor sob alta pressão e temperatura expande-se na turbina, transferindo a quantidade de movimento do fluxo do vapor às palhetas fixas e móveis do motor da turbina, transformando-se em trabalho sobre um eixo. Dessa forma, a energia mecânica é transformada em energia elétrica.
2.5 Tecnologia de micro-ondas
2.5.1 Características das micro-ondas
Micro-ondas são ondas eletromagnéticas, em outras palavras, são oscilações de campos elétricos e magnéticos associados, que regidas pelas equações de Maxwell se propagam no espaço com velocidade no vácuo de 𝑐 = 3𝑥108 𝑚 𝑠⁄ .
As micro-ondas correspondem a fração do espectro eletromagnético com comprimento de onda de 1 milímetro até 1000 milímetros (Figura 2.1), em termos de frequência, corresponde a fração do espectro eletromagnético de 300 MHz até 300 GHz. As micro-ondas são amplamente utilizadas no setor de telecomunicações, sendo assim, para evitar interferências nas bandas de frequências utilizadas para telecomunicações, as bandas utilizadas em aplicações eletrotérmicas são restritas. As frequências mais usadas são de 915 ± 25 MHz e de 2.450 ± 50 MHz, correspondendo aos comprimentos de ondas de 328 mm e 122,5 mm no vácuo, respectivamente (SENISE, 1985).
De acordo com a interação das micro-ondas com os materiais, materiais podem ser divididos em três grupos. O primeiro grupo é formado pelos materiais que refletem toda a energia de micro-ondas incidente sobre sua superfície, de maneira geral, são materiais condutores elétricos. O segundo grupo é formado pelos materiais que não interagem com a energia de micro-ondas, não absorvem e nem refletem, dessa forma, esses materiais são transparentes a micro-ondas. O terceiro grupo é formado por
materiais que absorvem em certo grau a energia de micro-ondas e a transformam em calor, a intensidade da interação entre a energia de micro-ondas e o material depende de suas propriedades dielétricas.
Figura 2.1. Diagrama ilustrativo do espectro eletromagnético desde as ondas de
rádio até os raios gama
(https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagn%C3%A9tico, acessado em setembro de 2018).
Um equipamento completo para aplicações eletrotérmicas de micro-ondas, de maneira geral, é composto por três componentes principais. O primeiro componente é a fontes de micro-ondas, o segundo componente é o aplicador de micro-ondas e o terceiro é a linha de transmissão.
• Geração de micro-ondas: fontes de micro-ondas utilizam tubos de elétrons ou tubos de vácuo, como os Magnetrons (Figura 2.2), que são capazes de converter energia elétrica de frequência industrial (60 Hz) em energia eletromagnética de micro-ondas (por exemplo, 915 ± 25 MHz);
Figura 2.2. Magnetron típico utilizado em aplicações eletrotérmicas (http://www.hokuto.co.jp/eng/products/magnetron/list.htm, acessado em setembro de 2018).
• Transmissão (guia de onda): são estruturas metálicas, tradicionalmente feitas com alumínio, cobre ou aço inox e sua função primária é guiar a direção e sentido de ondas eletromagnéticas ou sonoras que propagam em seu interior (Figura 2.3). A geometria das seções das guias de onda podem ser circulares ou retangulares e devem restringir a expansão das ondas em apenas uma ou duas dimensões, com a finalidade de minimizar as perdas de energia durante a propagação das ondas. Durante a propagação das ondas no interior do guia, elas são refletidas nas paredes metálicas do guia de onda, resultando em interferências destrutivas e construtivas entre campos elétricos e magnéticos incidentes e refletidos, dessa forma há uma distribuição de campos elétricos nulos nas paredes do guia e de maior intensidade no centro geométrico.
Figura 2.3. Guia de onda típica utilizada em fornos de micro-ondas
(https://xhwb.en.alibaba.com/product/60390304891-802057244/manufacturers_of_rectangular_waveguide_for_1000w_1500w_microwav e_magnetron_WR_340.html, acessado em setembro de 2018).
• Aplicadores de micro-ondas: usualmente denominado cavidade ressonante, trata-se de um volume delimitado por paredes metálicas, onde no seu interior materiais são iluminados por energia de micro-ondas. No interior da cavidade ressonante, o campo elétrico gerado refletirá inúmeras vezes nas paredes metálicas, provocando a interação entre os campos incidentes e refletidos, a interação entre os campos produzirá o fenômeno da onda estacionária. A interferência entre os campos é resultado do fenômeno de onda estacionária, onde uma onda refletida superpõe a uma onda incidente; no ponto em que uma onda refletida chega em fase com uma onda incidente, acorre o fenômeno da interferência construtiva, somando-se os valores dos campos elétricos; nos pontos em que as ondas incidentes e refletidas encontram-se defasadas, haverá o fenômeno da interferência destrutiva. Os fenômenos de interferência no interior da cavidade ressonante resultarão na distribuição não-uniforme do campo elétrico no espaça delimitado, dessa forma, o material posicionado no interior do aplicador não será iluminado uniformemente em toda sua área
pela energia de micro-ondas. Aplicadores de micro-ondas podem ser classificados em cavidades monomodos (Figura 2.4) e cavidades multimodos (Figura 2.5). Aplicadores monomodos são utilizados quando a técnica a ser executada necessita da concentração de energia de micro-ondas, de maneira precisa, em um ponto no interior da cavidade ressonante. A fim de concentrar a energia de micro-ondas em determinada região do espaço, o designe e geometria da cavidade ressonante é de extrema importância para tal.
Figura 2.4. Diagrama genérico de um sistema experimental de aquecimento por micro-ondas monomodo (RATANADECHO, AOKI e AKAHORI, 2001).
Aplicadores de micro-ondas multimodos são de volume fechado, totalmente cercado por paredes condutoras e possuem uma grande cavidade ressonante, para permitir mais de um modo (padrão) de campo elétrico (FUNEBO e OHLSSON, 1998). Aplicadores de micro-ondas multimodos podem ser construídos para processar grandes ou pequenas quantidades de matéria, são pouco sensíveis à geometria do substrato e ao seu posicionamento no interior da cavidade ressonante; podem ser
utilizados em processos com fluxo contínuo de matéria e são adequados para aplicações com fontes híbridas de energia. Aplicadores multimodos apresentam complicações para distribuir uniformemente a energia de micro-ondas no seu interior, a solução dessas questões passa pelo dimensionamento correto da cavidade ressonante, segundo a aplicação correta da técnica e pela utilização de energia de micro-ondas com maiores frequências, por exemplo 2.450 ± 50 MHz.
Figura 2.5. Diagrama genérico de um sistema experimental de aquecimento por micro-ondas multimodo (RATTANADECHO, SUWANNAPUM, CHATVEERA, ATONG e MAKUL, 2008).
2.5.2 Propriedades dielétricas
As propriedades dielétricas dos materiais são fatores decisivos para avaliar se esses irão interagir com o campo elétrico componente da energia de micro-ondas.
Caso os materiais interajam com a energia de micro-ondas, as propriedades dielétricas irão definir a intensidade dessa interação, ou seja, se esses materiais irão refletir a energia de micro-ondas, se serão transparentes ou se irão produzir eletroaquecimento.
A habilidade de um material dielétrico de armazenar energia elétrica e absorver energia de micro-ondas é mensurada pela sua constante dielétrica relativa 𝜀𝑟, sendo a permitividade complexa constituída pelos parâmetros que caracterizam os materiais dielétricos:
𝜀𝑟 = 𝜀′− 𝑗𝜀′′ (2.4)
Onde:
𝜀′ = permissividade relativa.
𝜀" = fator de perda dielétrica relativa.
A permissividade relativa 𝜀′ avalia a capacidade de um material armazenar
energia elétrica de forma reversível. O fator de perda relativa 𝜀" é o parâmetro que caracteriza a dissipação da energia elétrica acumulada pelo material na forma de calor, de maneira irreversível. Ambas as propriedades são relativas à permissividade dielétrica do vácuo, onde 𝜀0 = 8,854ꓫ10−12
𝐹 𝑚 .
A divisão do fator de perdas relativas pela permissão relativa é chamada de tangente de perdas:
tan 𝛿 =𝜀′′
𝜀′ (2.5)
A tangente de perdas representa a intensidade com que um material irá se acoplar com o campo elétrico componente da energia de micro-ondas, ou seja, a
