Cinética da reação de oxicombustão de carvões minerais com altos teores de cinzas

• Main Author: Nunes, Keila Guerra Pacheco
• Other Authors: Marcilio, Nilson Romeu
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: 2016
• Subjects: Carvão mineral; Oxicombustão; Cinética química
• Online Access: http://hdl.handle.net/10183/149813

O carvão mineral é responsável por 40 % da eletricidade produzida mundialmente e por 44 % das emissões de CO2, decorrentes de seu uso para fins energéticos. O CO2 está entre os principais gases causadores do efeito estufa, por isso as pesquisas em captura e armazenamento se concentram nesse gás. A tecnologia de combustão de carvão em atmosfera de oxicombustão tem sido estudada como alternativa devido à facilidade de capturar o CO2 resultante da reação e poder armazená-lo. Assim, um dos objetivos deste estudo foi determinar os parâmetros cinéticos da reação de oxicombustão nas temperaturas de 600, 700, 740, 800 e 900 °C com concentrações de O2 em CO2 variando de 10 a 30 % (v/v). Os resultados obtidos para a energia de ativação foi 10 kJ.mol-1 e para o fator pré-exponencial 13,817 g.min-1.cm-2.atm-n. Como os carvões sul-brasileiros contém alto teor de cinzas seria interessante o beneficiamento desta matéria-prima a fim de reduzir seu teor de matéria mineral e poder utilizá-la para fins energéticos. Portanto, também foi objeto de estudo nesse trabalho, a remoção da matéria mineral de uma amostra de carvão mineral utilizando soluções de HF, HCl e HNO3 com concentração de 20 % em volume. Esse tratamento foi realizado utilizando carvão da mina de Candiota e carvão da mina do Leão II. Através de análise imediata, análise elementar, difração de raios-X (DRX), fluorescência de raios-X (FRX), infravermelho à transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) se observaram grandes alterações na estrutura dos carvões após a extração da matéria mineral com as lavagens ácidas, o que refletiu na temperatura de início da reação de Boudouard que teve acréscimo de 140 °C para o carvão do Leão II e 160 °C para o carvão de Candiota. Os carvões desmineralizados, com baixos teores de cinzas, foram submetidos novamente à reação de oxicombustão nas mesmas condições utilizadas anteriormente para determinação dos parâmetros cinéticos. Os valores obtidos para a energia de ativação e para o fator pré-exponencial, respectivamente, foram 56,46 kJ.mol-1 e 5,37.10³ g.min-1.cm-2atm-n para o carvão de Candiota. Para o carvão do Leão II, os valores encontrados foram 169,4 kJ.mol-1 e 7,06.1014 g.min-1.cm-2atm-n. As amostras desmineralizadas da mina de Candiota foram impregnadas com um metal alcalino, um metal de transição e um semi-metal, a fim de avaliar a reatividade dos mesmos em atmosfera de CO2. Foi observado que o metal alcalino é o metal que promove uma taxa de conversão do carvão em atmosfera de CO2 mais rápida, seguido das amostras impregnadas com o metal de transição e do semi-metal. Na amostra de carvão Run of Mine (ROM) há possivelmente a presença de alguns elementos que agem como inibidores e outros elementos que atuam como catalisadores da reação de gaseificação. === The mineral coal is responsible for 40 % of electricity world production and 44 % of CO2 emissions resulting from their use for energy purposes. The CO2 is one of the main gases causing the greenhouse effect, hence research on capture and storage is concentrated in this gas. Coal oxy-fuel combustion technology has been studied as an alternative due to the ease of fully capturing the CO2 resulting from combustion and can store it. Therefore, one of the objectives of this study was to determine the kinetics parameters of oxy-fuel combustion reaction at temperatures of 873, 973, 1073 and 1273 K with concentration of O2 in CO2 ranging from 10 to 30 % (v/v). The results obtained for the activation energy was 10 kJ.mol-1 and the pre-exponential factor 13.817 g.min-1.cm-2.atm-n. As the southern Brazilian coal has high ash content, beneficiation process the need in order to reduce its content of mineral matter and can use it for energy purposes. Therefore, too was the object of study in this paper, the removal of mineral matter from a coal sample using solutions of HF, HCl and HNO3 with concentration of 20 % by volume. This treatment was performed using Candiota coal and Leão II coal. Through immediate analysis, elemental analysis, X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM) were observed large changes in the structure of coals after extraction of the mineral matter with acid washes, which reflected the onset temperature of Boudouard reaction that was 140 °C in addition to the Leão II coal and 160 °C for Candiota coal. The demineralized coals, with low ash content, were subjected again to the oxy-fuel combustion reaction the same conditions previously used to determine the kinetic parameters. The values obtained for the activation energy and the pre-exponential factor, respectively, were 56.46 kJ.mol-1 and 5.37.10³ g.min-1.cm-2atm-n to Candiota coal. For Leão II coal the values were 169.4 kJ.mol-1 and 7.06.1014 g.min-1.cm-2atm-n. The demineralized samples of Candiota coal, were impregnated with an alkali metal, a transition metal and semi-metal in order to assess the reactivity in CO2 atmosphere. It was observed that the alkali metal is metal that promotes the conversion rate faster coal, followed by the samples impregnated with transition metal and semi-metal. In coal sample Run of Mine (ROM) there is possibly the presence of some elements which act as inhibitors and other elements that act as catalysts gasification reaction.