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Carvão Ativado Biogás
Pedro Paixão Gerente de Aplicações – América do Sul
As perspectivas de contribuição do biometano para aumentar a oferta de GN em SP
RCGI/GBIO/IEE
Agenda
A Cabot Corporation
Soluções em Purificação: Carvão Ativado
Carvão Ativado: Visão Geral / Como Funciona
Carvão Ativado para Tratamento de Biogás
Biogás: Visão Geral
Carvão Ativado na Purificação de Biogás
Remoção de Siloxanos (SiOx)
Remoção de H2S
Aplicações em Gás de Aterros Sanitários
Tecnologias para Optimização do Tempo de Vida do Leito de Carvão
Portfólio da Cabot-Norit para Biogás
Case Studies
Conclusão
A Cabot Corporation
Uma História Rica e Única
4
130 anos em operação Fundada em 1882, sob nome familiar de
Godfrey Lowell Cabot
Empresa global de materiais de performance
Competências técnicas essenciais em partículas finas e modificação de superfície
FY2014 vendas: $3.56Bi
Cabot Corporation tornou-se uma empresa de capital aberto em 1968
Amplo alcance geográfico 1950s: Expansão além E.U.A. – inauguração de
uma planta de negro de fumo na Europa; mais tarde na mesma década, inaugura outra na Ásia
1960s: Entra na América do Sul
1980s: Entra na China
Divisões/Negócios Cabot
5
Localizações
6
46 plantas em mais de 20 países, todas com Equipes locais de gestão
Soluções em Purificação: Carvão Ativado
Norit
Líder na produção de carvão ativado, com o portfólio de produtos mais abrangente do mercado a nível global
Produção desde 1918
Locais de produção no Canadá, Itália, Países Baixos, Reino Unido e EUA
Mais de 150 formulações de produtos patenteados
Comercializados globalmente em mais de 100 países
Adquirida pela Cabot Corporation em 2012
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Purification Solutions Sites
9
Carvão Ativado: principais aplicações
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Tratamento de Águas
Alimentos & Bebidas
Farmacêutico
Biogás
Indústria Química
Medicinal
Catalisadores
Purificação de Gás e Ar
Mineração
Indústria Automotiva
Óleo & Gás
Carvão Ativado: Visão Geral
Carvão Ativado e Porosidade
Carvão ativado é um material altamente poroso e de origem natural, com propriedades adsortivas
É a porosidade do carvão ativado que traz praticidade ao seu uso, permitindo a adsorção de contaminantes de uma corrente líquida ou gasosa
Para uma adsorção eficaz, o tamanho dos poros deve ser selecionado em função do peso molecular das impurezas a remover
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Poros VS Impurezas
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Microporos < 1 nm Mesoporos 1-25 nm Macroporos > 25 nm
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Adsorção nos Poros de Carvão Ativado
Forças de Van der Waals permitem a “captura” das impurezas na superfície dos poros do carvão ativado
Tamanho de Partícula & Classificação
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Pó (PAC)
Granulado (GAC)
Extrudado (EAC)
D50: 20-50 µm
0.25 - 5mm (4-50 mesh)
D: 0.8 - 4 mm
Tipos de Matérias-Primas Utilizadas pela Cabot
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Carvão betuminoso
Lignite
Casca de coco
Turfa
Madeira
Caroço de azeitona
Processos de Fabricação de Carvão Ativado
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Objetivo do processo
Fazer um material com alta porosidade interna, área superficial muito elevada e consequentemente grande capacidade adsortiva, mantendo uma estrutura coesa
A Cabot disponibiliza tecnologia diferenciada em Carvão Ativado, através da oferta da gama mais variada de produtos neste segmento de mercado; isto deve-se ao acesso aos mais diversos tipos de matéria-prima e à excelência dos nossos processos de fabrico
Tipos de processo de fabricação
Ativação Química
Ativação por Vapor (Física)
12 SEPTEMBER 2016 / PRESENTATION TITLE / CONFIDENTIAL / NOT FOR REDISTRIBUTION 18
Biogás: Visão Geral
Fonte Uso do Biogás
Aterros Sanitários
Desafios
Comentário Potencial para CA
Siloxanos
Presentes
H2S
Presente; Necessário O2 + humidade Concentração de H2S ideal máx 200ppm
Siloxanos
Presentes
H2S
Presente; Necessário O2 + humidade Concentração de H2S ideal máx 200ppm
Biometano p/ Células de
Combustível
Biometano p/ a Rede de Gás
PRODUÇÃO DE ENERGIA
ELÉTRICA Estações de Tratamento de Efluentes
Biogás é uma mistura de metano, CO2, traços de outros gases e humidade. É uma fonte de energia renovável, sustentável e amplamente disponível. O biogás pode ser produzido a partir de uma grande variedade de matéria disponível: resíduos agrícolas, dejetos de animais, resíduos de cultivo, lodo de efluentes, resíduos orgânicos municipais, etc. O biogás é produzido para gerar eletricidade ou calor, e pode também ser tratado de forma a melhorar a sua qualidade e poder ser ligado à rede nacional de distribuição de gás.
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Uso de Carvão Ativado em Biogás
Presença de Oxigênio
H2S (ppm) VOC’s + SiOx
Frequentemente 100 – 2,000 SIM
Por vezes 100 – 3,500 Ocasional
Ate
rro
Sa
nit
ário
ET
E
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Aumenta a eficiência de produção de biogás e reduz o número de paradas da planta para manutenção
Estende o tempo de vida do óleo e das velas de ignição do motor
Estende o tempo de vida do motor de biogás (pistons)
Estende o tempo de vida de microturbinas
Uso de Carvão Ativado em Biogás
A utilização de Carvão Ativado reduz custos de operação e manutenção
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Remoção de Siloxanos, provenientes de detergentes, cosméticos, shampoos, etc., causam incrustações e reduzem o tempo de vida do motor de biogás. Siloxanos são literalmente a areia no motor!
Remoção de Sulfeto de Hidrogênio (H2S), que está quase sempre presente no biogás. H2S é um gás ácido, perigoso e corrosivo que tem de ser removido. O Carvão Ativado é eficiente na adsorção de H2S em circunstâncias específicas.
Upgrade de biogás para biometano, para utilização em células de combustível e/ou na rede de distribuição de gás
Adsorção por Inversão de Pressão (do inglês Pressure Swing Adsorption – PSA) é uma tecnologia eficiente no upgrade de biogás a biometano e na remoção de CO2.
Scrubbers de Aminas são usados na remoção de CO2 e H2S, e as aminas podem ser regeneradas através do uso de Carvão Ativado.
Purificação de Biogás com Carvão Ativado
Diferentes aplicações de CA no tratamento de Biogás
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Siloxanos, provenientes de detergentes, cosméticos, shampoos, etc., causam incrustações e reduzem o tempo de vida do motor de biogás. O Carvão Ativado é a melhor tecnologia disponível para a remoção de siloxanos.
Siloxanos mais comuns no biogás:
D3, D4, D5, L2 e L3 são os principais siloxanos observados acima dos limites de detecção em aterros. D4 é o maior contribuinte dos siloxanos totais (cerca de 60% do total), seguido de L2, D5 e L3.
Remoção de Siloxanos do Biogás por CA (1 de 3)
SILOXANO vem de: SILicone, OXigênio e alcANO
Siloxanos cíclicos Siloxanes Lineares
D3: hexametilciclotrisiloxano L2: hexametildisiloxano
D4: octametilciclotetrasiloxano L3: octametiltrisiloxano
D5: decametilciclopentasiloxano L4: decametiltetrasiloxano
D6: dodecametilciclohexasiloxano L5: Dodecametilpentasiloxano
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Solubilidade de siloxanos em água: L2 >> D3> D4 >L3> D5.
Os níveis de siloxanos variam muito de local para local; as variações podem também ser significativas ao longo do tempo num lugar específico.
Aterros com resíduos mais antigos não garantem níveis mais baixos de siloxanos.
A humidade existente no gás bruto é importante: humidade elevada resulta numa concentração mais alta de siloxanos, no entanto a maioria dos siloxanos solúveis pode ser removida durante o processo de desumidificação.
Ter em atenção a presença de VOC’s no biogás, substâncias que competem com os siloxanos no processo de adsorção por Carvão Ativado.
Remoção de Siloxanos do Biogás por CA (2 de 3)
O Biogás pode ter composições diversas!
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Adsorção física: área de superfície BET, volume de poros
Recomendação de produto usando isotermas de adsorção
Remoção de Siloxanos do Biogás por CA (3 de 3)
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Oxigênio e humidade têm de estar presentes no biogás
Recomendações: conteúdo mínimo de oxigênio 2 vezes superior ao do equivalente estequiométrico de H2S , idealmente acima de 4 vezes mais
Concentração máxima de H2S de 2000 ppm por razões de segurança
Concentração economicamente viável estimada em cerca de 200 ppm
O Carvão Ativado pode neutralizar picos de H2S
Tem elevada eficiência de remoção (>99%)
É possível chegar-se a concentrações muito reduzidas de H2S (< 1ppm)
Remoção de H2S do Biogás por CA
O uso de Carvão Ativado tem requisitos críticos!
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Aplicação em Gás de Aterros Sanitários
Remoção apropriada de H2S do gás de aterros
1. Vácuo elevado 2. Penetração de ar através da cobertura 3. Biogás com oxigênio e humidade
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Tecnologias para Otimizar o Tempo de Vida do Filtro de Carvão Ativado
Combinação de tecnologias possível
Detector de H2S O2
AC Biogás limpo
Detector de H2S
AC
By-pass 400 ppm H2S
50%
50%
200 ppm H2S
O filtro de carvão ativado também pode ser usado como filtro de polimento
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Portfólio de Produtos de CA da Cabot para Biogás
Caraterização do Biogás Bruto
SiOx elevados?
Grau Função
Darco BG1 Produto eficiente na remoção de H2S e siloxanos. Indicado para pequenas vazões.
Darco BGH
Grau multiuso para adsorção de H2S e siloxanos. Capacidade de neutralização de ácidos. Elevada capacidade para H2S (trocas de leito menos frequentes).
Norit RB / Norit RBW
Grau de Carvão Ativado Premium com boa relação custo x benefício e baixa perda de carga. Indicado para remoção de siloxanos.
Norit RST
Carvão extrudado de 4 mm não-impregnado com boas propriedades catalíticas e baixa perda de carga. Propriedades de adsorção de H2S muito dependentes das condições de operação (presença suficiente de oxigênio e humidade no gás). Boa eficiência de adsorção de VOC’s.
Norit RGM Carvão extrudado, impregnado com um metal oxidado que oxida o H2S a enxofre elementar na ausência de oxigênio no biogás.
Siloxanos & H2S elevados?
H2S elevado?
Vazão? Processo de tratamento? P? T?
Qualidade de gás desejada após CA?
Outros contaminantes (e.g.:VOC’s)?
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Case Studies
Remoção de H2S
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Case Studies Remoção de Siloxanos (1)
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Case Studies Remoção de Siloxanos (2)
12 SEPTEMBER 2016 / PRESENTATION TITLE / CONFIDENTIAL / NOT FOR REDISTRIBUTION 32
Redução dos custos operacionais e de manutenção
Os filtros de CA são fáceis de instalar em plantas de biogás existentes
Baixo CAPEX para filtros de Carvão Ativado
Elevada eficiência de remoção de contaminantes
Na remoção de H2S, pode ser adicionado oxigênio para estender a vida útil do carvão ativado
Graus de carvão com capacidades de adsorção seletivas para H2S e siloxanos
O carvão ativado pode ser combinado com variadas tecnologias de tratamento e operar como filtro de polimento
Conclusão
Drivers para o uso de CA no tratamento de Biogás