Geração de bioenergia com captura intríseca de CO2 via processo de iG-CLC em planta piloto contínua
dc.contributor.advisor | Braga, Renata Martins | |
dc.contributor.advisor-co1 | Adánez-rubio, Iñaki | |
dc.contributor.advisorID | https://orcid.org/0000-0002-6232-0945 | pt_BR |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/4603529162393328 | pt_BR |
dc.contributor.author | Oliveira, Gislane Pinho de | |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/0670520594680554 | pt_BR |
dc.contributor.referees1 | Alves, José Luiz Francisco | |
dc.contributor.referees2 | Melo, Marcus Antônio de Freitas | |
dc.contributor.referees3 | Melo, Dulce Maria de Araújo | |
dc.date.accessioned | 2024-09-17T19:28:25Z | |
dc.date.issued | 2024-07-15 | |
dc.description.abstract | The continuous increase in CO2 emissions and its effect on global warming imposes the need for collaborative actions between scientists and government to implement strategies aimed at reducing CO2 emissions. Among these strategies, carbon capture and storage technologies stand out that, especially when associated with the use of biofuels, as they can achieve a negative balance of CO2 emissions. Chemical looping (CL) is recognized as an energy-efficient approach to capture and store CO2 and has high technological maturity. In these processes, the search for low-cost solid oxygen carriers (OC) is motivated by the loss of OC incurred when solid biofuels are employed. In this context, this study aims to select, characterize and evaluate the energy potential of different biomasses and the reactivity of low-cost mineral materials as solid oxygen carriers for application in chemical looping combustion process with gasification in situ (iG-CLC) in pilot plant with continuous power supply with a technology readiness level (TRL) 4. The biomasses were characterized by proximate, ultimate, thermogravimetric analysis, analytical flash pyrolysis and determination of calorific value. The OCs were characterized using X-ray diffraction and fluorescence techniques, scanning electron microscopy, determination of crushing strength, and attrition rate. Their reactivities with CH4, H2 and CO were evaluated in thermobalance performing redox cycles at 900 °C and in a semi-continuous fluidized bed reactor (FBR) at 850, 900 and 950 °C. The reactivity during iG-CLC process of the selected OC was evaluated in FBR at 900°C feeding char of the selected biomass; and in a 0.5 kWh pilot plant with continuous biomass feed. The selected biomass showed high calorific value (18 MJ/kg), high volatile + fixed carbon content (67%) and ashes with high K and Ca content, which can catalyze gasification reactions. All OCs showed low friction rate and good crushing strength, except for Mn, which is why it was submitted to calcination. The OCs Fe2, Fe3 and MnT1000 (Mn calcined at 1000 °C) demonstrated favorable attributes such as adequate crushing strength (>1 N), minimum attrition rate (<7%), good oxygen transport capacity (3.3%, 1.7% and 3.4%, respectively) and high reactivity in thermobalance. They also showed excellent performance in FBR with CO and H2, without agglomeration, good reoxidation rate and lifetime ranging from 3000h to 10500 hours. Notably, due to the excellent performance of the MnT1000 with CO and H2, it is a promising candidate for application in the iGCLC process. The iG-CLC tests in FBR indicates that an oxygen-to-biomass ratio greater than 30 promotes complete combustion of the gasification products, while lower values promote incomplete combustion. The iG-CLC tests in a continuous pilot plant indicate that an increase of the temperature of the fuel reactor or a decrease in the oxygen-biomass ratio increases the CO2 capture efficiency (>87%) and the combustion efficiency (>85%) while the excess oxygen has little influence on the process. The MnT1000 stood out as an oxygen carrier, did not suffer agglomeration in any of the tests, presented high performance, high reactivity, resistance, is environmentally friendly and low-cost. The application of a highly reactive low-cost TSO in iG-CLC processes using biomass stands out as an energy-efficient alternative to produce energy with intrinsic CO2 capture with a negative CO2 emissions balance. | pt_BR |
dc.description.embargo | 2028-07-02 | |
dc.description.resumo | O aumento contínuo das emissões de CO2 e seu efeito na intensificação do aquecimento global impõe a necessidade de ações colaborativas entre cientistas e governo a fim de implementar estratégias que visam reduzir as emissões de CO2. Dentre estas estratégias, se destacam tecnologias de captura e armazenamento de carbono que quando associadas ao uso de biocombustíveis podem atingir balanço negativo de emissões de CO2. A tecnologia de chemical looping (CL) é reconhecida como uma abordagem energeticamente eficiente para capturar e armazenar CO2 e que possui elevada maturidade tecnológica. Nestes processos, a busca por transportadores sólidos de oxigênio (TSO) de baixo custo é motivada pela perda de TSO incorrida quando biocombustíveis sólidos são empregados. A mistura de cinzas e TSO dentro do leito dificulta a recuperação do transportador e sua reutilização. Neste contexto, este estudo tem como objetivo a seleção, caracterização e avaliação do potencial energético de diferentes biomassas e avaliação da reatividade de materiais minerais de baixo custo como TSO para aplicação em processo de combustão com gaseificação in situ (iG-CLC) em uma planta piloto de CL com alimentação contínua (Technology readiness level - TRL 4). As biomassas foram caracterizadas por meio de análises imediata, elementar, termogravimétrica, pirólise flash analítica e determinação do poder calorífico. Os TSOs foram caracterizados utilizando técnicas de difração e fluorescência de raios X, microscopia eletrônica de varredura, determinação da dureza e da taxa de atrição; e as suas reatividades com CH4, H2 e CO foram avaliadas em termobalança de ciclos químicos a 900 °C e em um reator semicontínuo de leito fluidizado (RLF) a 850, 900 e 950 °C.A reatividade do TSO em processo de iG-CLC foi avaliada em RLF a 900°C com alimentação do carvão da biomassa selecionada e em planta piloto de 0,5 kWh com alimentação contínua da biomassa. A biomassa selecionada apresentou alto poder calorífico (18 MJ/kg), alto teor de matéria volátel + carbono fixo (67%) e cinzas com alto teor de K e Ca, que podem atuar catalisando as reações de gaseificação. Todos os TSOs apresentaram boa taxa de atrito e dureza, exceto o minério de manganês (Mn) e por isso foi submetido à calcinação. Dos 6 TSOs avaliados, os minérios de ferro (Fe2 e Fe3) e o minério de manganês calcinado a 1000°C (MnT1000) demonstraram atributos favoráveis como dureza adequada (>1 N), taxa mínima de atrição (<7%), boa capacidade de transporte de oxigênio (3,3%, 1,7% e 3,4%, respectivamente) e alta reatividade em termobalança. Também apresentaram excelente desempenho em RLF com CO e H2, sem aglomeração, boa taxa de reoxidação e vida útil variando de 3000 a 10500 horas. Notavelmente, devido ao excelente desempenho do MnT1000 com CO e H2, é um candidato promissor para aplicação em processo de iG-CLC. Os testes de iG-CLC em RLF indicam que uma razão oxigênio– biomassa acima de 30 promove combustão completa dos produtos da gaseificação, enquanto valores inferiores promovem a combustão incompleta. Os testes de iG-CLC em planta piloto contínua indicam que aumentar a temperatura do reator de combustível ou diminuir a razão oxigênio- biomassa aumenta a eficiência de captura de CO2 (>87%) e a eficiência de combustão (>85%) enquanto o excesso de oxigênio pouco influencia no processo. O MnT1000 se destacou como TSO de melhor performance por apresentar maior reatividade, alta performance, não sofrer aglomeração em nenhum dos testes, resistência à atrição, por ser de baixo custo e ambientalmente amigável. A aplicação de um TSO de baixo custo altamente reativo em processos de iG-CLC com alimentação de biomassa se destaca como uma alternativa energética eficaz para produzir energia com captura intrínseca de CO2 com balanço negativo de emissões de CO2. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES | pt_BR |
dc.identifier.citation | OLIVEIRA, Gislane Pinho de. Geração de bioenergia com captura intríseca de CO2 via processo de iG-CLC em planta piloto contínua. Orientadora: Dra. Renata Martins Braga. 2024. 182f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/60180 | |
dc.language | pt_BR | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFRN | pt_BR |
dc.publisher.program | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA | pt_BR |
dc.rights | Acesso Embargado | pt_BR |
dc.subject | Chemical looping | pt_BR |
dc.subject | Minérios e rejeitos de mineração | pt_BR |
dc.subject | iG-CLC | pt_BR |
dc.subject | Reator semi-contínuo | pt_BR |
dc.subject | Planta piloto contínua | pt_BR |
dc.subject | Biomassa | pt_BR |
dc.subject.cnpq | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | pt_BR |
dc.title | Geração de bioenergia com captura intríseca de CO2 via processo de iG-CLC em planta piloto contínua | pt_BR |
dc.type | doctoralThesis | pt_BR |