Forureining og miljøpåverking

Nos processos de oxicombustão o agente oxidante não é o ar atmosférico mas antes o oxigénio, ou então, ar enriquecido com oxigénio. Na maioria dos processos de oxicombustão a queima do combustível efetua-se com uma corrente gasosa de oxigénio com uma concentração de pelo menos 95 % (v/v). Normalmente, essa corrente de oxigénio obtém-se do ar atmosférico que tem que ser previamente tratado numa Unidade de Separação de Gases (ASU - Air Separation Unit) removendo o azoto do ar de forma a concentrar o oxigénio.

As tecnologias de separação dos componentes do ar para concentração do oxigénio estão comercialmente disponíveis há já várias décadas, todavia, atualmente, mantêm- se bastante dispendiosas, quer pela instalação, quer por apresentarem consumos energéticos elevados para a sua operação, dado que, frequentemente, se baseiam em processos criogénicos. A separação criogénica do ar para a obtenção de oxigénio aplica-se desde 1902, altura em que foi pela primeira vez experimentada por Carl von Linde (Rackley 2010).

Usualmente as unidades de separação de ar funcionam por destilação criogénica do ar: o ar atmosférico, previamente desumidificado, é comprimido entre 5 e 8 bar e arrefecido até cerca de -190°C, abaixo da temperatura de condensação do oxigénio (-183°C) e do árgon (-189°C). A esta temperatura (-190°C) o azoto mantém-se no estado gasoso (ponto de ebulição do azoto -196°C) e a separação do ar nos três componentes consegue-se por destilação criogénica, conforme ilustrado na Figura 8. Tipicamente um sistema ASU (ASU - Air Separation Unit) envolve duas colunas de destilação para conseguir correntes suficientemente purificadas de oxigénio.

Figura 8. – Esquema de uma unidade de separação de componentes do ar atmosférico (ASU). Exemplo de um processo de destilação criogénica aplicado a um processo de gasificação de carvão.

Os gases raros existentes no ar atmosférico não são separados: o hélio e o néon mantém-se no estado gasoso, em conjunto com o azoto, enquanto que o crípton e o xénon condensam, tornando-se impurezas do oxigénio líquido (Rackley 2010).

Atualmente, as principais empresas que comercializam equipamentos para a destilação criogénica do ar são a Air Products e Linde AG.

Quando um combustível é queimado com oxigénio em vez de com ar, a temperatura de combustão é mais elevada e a conversão de combustível é mais eficiente, por isso, os sistemas de oxicombustão foram desenvolvidos para aplicações na indústria vidreira e metalúrgica há mais de quatro décadas. Mais recentemente, a oxicombustão começou a ter expressão também na indústria cimenteira. Sem a presença do azoto (ou, pelo menos, apenas presente em concentrações muito reduzidas) as emissões de NOX são praticamente nulas e a quantidade de efluente gasoso gerado muito inferior ao verificado na combustão convencional. Na última década, a oxicombustão emergiu

ar

O

₂

N

₂ Compressor de N₂ Compressor de ar Permutadores de calor Coluna de Destilação 97,50% N2 2,15% O2 0,26% Ar 0,09% H₂O 95,0% O2 1,5% N2 3,5% Ar O2 para o gasificador

Roteiro Tecnológico da CCUS em Portugal 113

como uma alternativa aos sistemas convencionais de combustão para o setor eletroprodutor com a possibilidade de reduzir as emissões de CO2, dada a maior facilidade de captação do CO2 de efluentes mais concentrados como os que são gerados pela oxicombustão.

O gás de queima resultante da oxicombustão consiste, maioritariamente (80 %), numa mistura de CO2 e de vapor de água, na qual o CO2 tem uma concentração mais elevada (recorda-se o Quadro 9) porque não se encontra diluído pelo azoto do ar. Por essa razão, esta mistura gasosa é mais fácil de separar uma vez que o vapor de água pode ser removido por mera condensação. Por outro lado, o CO2 encontra-se muito mais concentrado dado que o volume do efluente gasoso é cerca de ¼ do volume de gás de queima produzido na combustão convencional. O azoto é o principal constituinte do ar e, por isso, o principal responsável pela diluição do CO2 na corrente gasosa, logo a sua remoção prévia à combustão resulta em correntes com maior concentração de CO2. No efluente gasoso resultante da oxicombustão de carvão também podem existir NOX e SOX em teores que dependem da composição do combustível utilizado mas, devido à remoção prévia do azoto do ar, o processo de oxicombustão tem também a vantagem de produzir quantidades de NOX muito inferiores à da combustão convencional e que resultam, na sua maioria (cerca de 70 %), de reações paralelas que ocorrem entre o oxigénio e outros constituintes do carvão (Wilcox 2012).

As eficiências de captação de CO2 por processos criogénicos em sistemas de oxicombustão são muito elevadas, próximo de 100 %, mas este método não é adequado para carvões com menor teor de carbono (como as lignites, por exemplo) uma vez que a presença de impurezas no combustível (matéria mineral do carvão) traduz-se na emissão de contaminantes no gás de queima, sendo necessário submeter o efluente gasoso resultante da oxicombustão a processos adicionais de tratamento e de purificação.

Em centrais termoelétricas, a adoção da oxicombustão como estratégia de redução das emissões de CO2 poderá ser implementada de forma simples algo linear, bastando, em princípio, substituir os queimadores das caldeiras de combustão convencional em ar para queimadores de oxigénio e, em função desta substituição, ajustar alguns parâmetros operacionais. Contudo, em diversos processos industriais, a reconversão

de processos convencionais de combustão para sistemas de oxicombustão poderá revelar-se bem mais complexa.

Atualmente, as tecnologias comercialmente disponíveis para a separação de componentes do ar baseiam-se em processos criogénicos que são dispendiosos em termos de consumo de energia para operação. A separação por membranas ou por processos híbridos em que se recorre a ambas as técnicas em simultâneo (separação criogénica com membranas) estão também disponíveis comercialmente mas encontram-se num estado de aplicação bastante incipiente.

Na Figura 9 ilustra-se de forma esquemática o modo de funcionamento da oxicombustão integrada numa central termoelétrica.

Roteiro Tecnológico da CCUS em Portugal 115

Figura 9. - Conceito de oxicombustão

Esquema processual para produção de eletricidade numa central termoelétrica a carvão pelo processo de oxicombustão. Diagrama adaptado de EASAC (EASAC - European Academies Science Advisory Council 2013b)

4. CO

₂

PURIFICATION

AND

COMPRESSION

CO

₂

TO

STORAGE

O

₂

Boiler

Slag

Gypsum

Limestone

DeDusting

DeSO

_X

Water

Fly Ash

DeNO

_x

NH

₃

Air

Nitrogen

Flue Gas

2. O

₂

PRODUCTION

3.FLUE GAS

TREATMENT

Coal

Azoto Gesso Cinzas

Resíduo sólido Água

Desnitrificação

Unidade de separação

de ar (ASU)

Despoeiramento Carvão Ar Calcite

Tratamento do gás

de queima

Caldeira de

oxi-combustão

Dessulfuração

Purificação e

compressão da

corrente de CO

₂

Transporte para

local de utilização ou

de armazenamento

Gás de queima

CO

₂

Turbina de vapor

Produção de

Embora não esteja representado na Figura 9, num sistema de oxicombustão, para evitar que a temperatura da caldeira atinja valores muito elevados, até cerca de 70 % do efluente gasoso é reciclado para a caldeira promovendo a diluição do oxigénio e controlando a temperatura na caldeira de oxicombustão, evitando o seu sobreaquecimento.

Existem algumas semelhanças entre a oxicombustão e a gasificação, especialmente no que respeita à necessidade de existir, em ambos os sistemas, uma unidade de separação de oxigénio do ar para alimentação do núcleo da unidade de conversão de energia (a caldeira de oxicombustão ou o gasificador) e também pela vantagem que os dois sistemas apresentam na redução do volume das emissões gasosas, gerando efluentes gasosos mais concentrados em CO2, comparativamente à combustão convencional. No entanto, é de realçar que a jusante do processo de conversão energética do combustível, o sistema de produção de eletricidade é muito distinto, sendo que na oxicombustão se utilizam turbinas a vapor e, nos sistemas que envolvem gasificação, se utilizam turbinas de hidrogénio. Esta diferença tecnológica representa uma vantagem adicional da oxicombustão face à gasificação no que respeita à possibilidade de reconversão de unidades de combustão convencionais já existentes. Outra vantagem da oxicombustão consiste no volume de resíduos sólidos e líquidos gerados que é francamente inferior ao volume produzido pela gasificação.

Apesar das vantagens referidas e do facto de os sistemas de separação do oxigénio do ar e das caldeiras de oxicombustão serem tecnologias perfeitamente maduras e amplamente usadas em diversos setores industriais, atualmente não existe nenhum sistema de produção elétrica por oxicombustão à escala comercial e, por conseguinte, também não existe nenhum sistema de oxicombustão com captação de CO2 (Global CCS Institute 2015; MIT - Massachusetts Institute of Technology 2015; NETL - National Energy Technology Laboratory 2015). Todos os processos tecnológicos constantes na Figura 9 estão comercialmente disponíveis em escalas de dimensão menores que as habituais no setor eletroprodutor e operam integrados noutros sistemas produtivos.

Roteiro Tecnológico da CCUS em Portugal 117

Na última década têm sido desenvolvidos vários projetos CCUS desenhados com tecnologias de oxicombustão sobretudo para reconversão de unidades eletroprodutoras a carvão já bastante desatualizadas. No entanto, os projetos CCUS com oxicombustão têm sido aqueles que são alvo de maiores retrocessos, contabilizando-se o abandono de diversos projetos já iniciados e também de várias unidades que entraram em funcionamento em fase piloto mas cujos projetos foram posteriormente submetidos a decisões de cancelamento. A maior parte destas decisões verificou-se na Europa (Alemanha, Polónia, Itália, Espanha, Finlândia) mas também nos EUA (concretamente com o projeto FutureGen 2.0) e correspondiam, quase na sua maioria, a projetos de reconversão de unidades de produção termoelétrica já antigas. Na União Europeia, o fator comum às decisões de abandono de todos os projetos europeus, para além de outras razões específicas particulares, teve origem nas dificuldades financeiras generalizadas a todos os setores da economia, associadas à diminuição da produção industrial e ao consequente menor consumo energético e diminuição das emissões de GEE resultantes da diminuição destas atividades económicas e ainda, sobretudo, ao valor muito reduzido do preço da tonelada de CO2 no mercado CELE.

Embora o custo da eletricidade produzida por oxicombustão seja superior ao das centrais termoelétricas convencionais, de forma semelhante ao que sucede com os sistemas de gasificação, a penalização no consumo energético devido à inclusão de uma unidade de captação de CO2 é menor em cerca de 2 % num sistema de oxicombustão face aos sistemas de queima convencional em ar com carvão pulverizado (Roeder et al. 2013). Esta menor penalização energética resulta do facto da concentração de CO2 no efluente resultante da oxicombustão ser mais elevada e do volume de mistura gasosa a tratar ser menor, comparativamente aos processos de combustão convencionais. Contudo, o efluente gasoso da oxicombustão necessita de um tratamento de purificação semelhante ao da combustão convencional e que inclui o despoeiramento, a desnitrificação e a dessulfuração, embora em menor escala. Assim os sistemas de gasificação, embora só adequados a unidades novas e não para reconversão de unidades já existentes, numa perspetiva global, tornam-se mais atrativos do que os sistemas de oxicombustão, uma vez que o nível de emissões gasosas é reduzido. Recorda-se que nos sistemas de gasificação a maior parte da

matéria não combustível é rejeitada quer nos resíduos sólidos quer nos efluentes líquidos resultantes da gasificação.

Apesar do aparente desinteresse pela tecnologia de oxicombustão, todas as grandes empresas no setor dos gases industriais e especiais como são a Linde, a Praxair e a Air Liquide, apenas para referir as mais ativas na Europa, têm soluções comerciais de sistemas de oxicombustão desenhados especificamente para determinados setores industriais como são a indústria metalúrgica, a do vidro ou a do cimento.

No Quadro 12 apresentam-se todos os projetos de CCUS com oxicombustão atualmente conhecidos.

Roteiro Tecnológico da CCUS em Portugal 119

Quadro 12. - Projetos de unidades de oxicombustão com captação de CO2

(Capture Power Ltd. 2012; Folger 2014b; Societé Generale 2014; Spero et al. 2014; Toshihiko et al. 2010; Total Research & Development Department 2007; 2013; Wallace et al. 2015)

Identificação Capacidade Tecnologia Destino final CO2 captado

Callide Oxyfuel Project

Queensland, Australia http://www.callideoxyfuel.com/

CS Energy Ltd ; Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co. Ltd ; IHI Engineering Australia ; Japan

Coal Energy Centre ; Electric Power Development Co. Ltd ; Schlumberger Oilfields Aust

Unidade 4 (reconversão) da central termoelétrica (700 MW) a carvão pulverizado de Callide: 30

MWe

Projeto de demonstração: 2004 Reconversão da unidade A: 2006 - 2010

Início de operação: 2012

Escala comercial: 2020

Tecnologia Air Liquide oxicombustão: 2 ASU para

660 ton O2/dia (98 %). Captação atual: 3×104 _ton CO2 /ano ou 75 ton CO2 /dia. (demonstração) Captação prevista: 1×106 _{ton CO}

2 /ano. Gás de

combustão: 90 % CO2. Separação criogénica do CO2

por arrefecimento a -30°C (Air Liquide)

EGR

Transporte em camião cisterna por 300 km até Denison Trough. Injeção atual de 6×104 _{ton CO2 a}

1000 – 1500 m em formações de arenitos e argilitos permianos de reservatórios esgotados de

gás

Datang Daqing CCS Project

Daqing, Heilongjiang, China

http://www.alstom.com/press-centre/2011/9/Alstom- Datang-agree-to-jointly-develop-carbon-capture-

demonstration-projects-in-China/

Alstom, China Datang Corporation

Nova central termoelétrica a carvão betuminoso

350MW

Início de operação: 2020

Captação: 1,2×106 _{ton CO} 2 /ano

Tecnologia Alstom para oxicombustão, purificação

(remoção de partículas e de SO2) do efluente gasoso e concentração do CO2 por separação

criogénica

EOR

Transporte em gasoduto para injeção no campo de petróleo adjacente de Daqing, província de

Heilongjiang

White Rose CCS Project

Selby, North Yorkshire, U.K. http://www.whiteroseccs.co.uk/

Drax Power Ltd ; Alstom UK Ltd, BOC (Linde); National Grid Carbon plc

Unidade nova de 426 MW situada na Central

termoelétrica a carvão de Drax com 4000 MW Combustão conjunta de biomassa (até 15 %) e de

carvão pulverizado

Construção: 2015 ; Início de operação: 2019

Tecnologia BOC Linde para tratamento criogénico

de ar e obtenção de O2 (96 %); Alstom para

oxicombustão, purificação (remoção de partículas, de SO2 e de NOX) e concentração do CO2 (por

arrefecimento criogénico e desidratação) Captação: 2×106 _{ton CO}

2 /ano (90 % emissões)

Sequestração geológica / EOR (?)

Transpor te 165 km em gasoduto da National Grid Carbon para integrar o cluster de CO2 até ao Mar do

Norte para injeção do CO2 em aquíferos salinos, na formação de a 1220 m de profundidade

Lacq

Lacq, Pau, França

http://www.total.com/en/society-

environment/environment/climate-carbon/carbon-capture- storage/lacq-pilot-project

Total, Air Liquide, Alstom, IFP, BRGM

Reconversão de 1 caldeira a gás natural 35 MWt (40 ton vapor/hora): na fábrica de

processamento de gás natural. Projeto: 2006 – 2007; Operação captação e injeção: 2010 – 2013;

Monitorização e fase 2: 2013 - 2016

Captação: 6 ×104 _{ton CO} 2/ano

Purificação do efluente gasoso (> 90 % CO2) e desidratação. Compressão até 27 bar e secagem

para transporte.

EGR

Transporte em gasoduto a 40 bar, por 27 km até aos Pirinéus. Injeção no campo esgotado de Rousse

à profundidade de 4500 m. A injeção decorreu entre janeiro de 2010 e março de 2013.

Atualmente os projetos britânico de White Rose e australiano Callide são os mais promissores dos listados no Quadro 12.

O projeto de White Rose enquadra-se na estratégia governamental britânica National

Grid Carbon, que contempla a região de elevada densidade industrial do estuário de

Humber e que, em consequência, é uma das regiões com volume de emissões de GEE mais elevado da Europa mas, onde o carvão continua a desempenhar um papel extremamente importante (Societé Generale 2014).

De modo semelhante ao Reino Unido, a Austrália é também um país que suporta fortemente no carvão as suas atividades industriais e que tem depositado muito trabalho de investigação e muito investimento financeiro, incluindo governamental, em projetos CCUS. O projeto piloto Callide, em funcionamento desde 2012, e atualmente em desenvolvimento da fase 2, a exemplo do que sucede com o projeto piloto de Lacq, tem permitido estudar a otimização do processo de oxicombustão. No caso particular de Callide, que utiliza carvão australiano, também se pretende avaliar as necessidades de tratamento do efluente gasoso resultante da oxicombustão. Uma das maiores dificuldades operacionais encontradas em Callide tem sido os problemas de corrosão devido aos teores elevados em SOX no efluente gasoso resultante da oxicombustão e que são agravados pelo também elevado teor em vapor de água no efluente gasoso, que é uma característica inerente à oxicombustão (Feitz 2014; Spero et al. 2014).

Roteiro Tecnológico da CCUS em Portugal 121

8.4. Combustão e Gasificação em ciclos de reação – regeneração

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