Estudo termodinâmico da combustão enriquecida com oxigênio : análise de diferentes técnicas de produção do oxidante

Abstract

Energia térmica é um recurso importante para muitos processos industriais e é geralmente produzido pela combustão de hidrocarbonetos com ar. Esses processos poderiam se beneficiar do uso da combustão com a utilização de um oxidante enriquecido com oxigênio (OEC), cujos benefícios (redução das emissões, redução do consumo de combustível, aumento da produtividade e redução dos volumes) já são conhecidos. Porém, a produção economicamente viável de oxigênio ainda é um desafio, já que a técnica mais utilizada atualmente para a produção de O2 (a criogenia) consome muita energia e tem custos altos. No âmbito da OEC, o O2 não precisa ser produzido puro, busca-se apenas um aumento da sua concentração no ar. Isso poderia tornar soluções tais como membranas ou Pressure Swing Adsorption (PSA) interessantes. Dessa forma, o presente trabalho propõe a análise termodinâmica de dois sistemas de combustão enriquecida, o primeiro incluindo separação do ar por membrana polimérica e o segundo por PSA. Os resultados mostram um aumento das eficiências energéticas do sistema (de 22% até 58% no caso da membrana e 66% no caso do PSA) e das eficiências exergéticas (de 18% até 48,5% e 54% respetivamente). Além disso, foi obtida uma redução de mais de 60% das emissões de poluentes específicas. As técnicas avaliadas se mostraram mais interessantes que a criogenia, do ponto de vista energético, para plantas pequenas, sendo o limite de tamanho dependente das condições de operação.

Thermal energy is an important resource for many industrial processes and is usually produced by combustion of hydrocarbon fuels with air. These processes could beneficiate from the use of oxygen-enhanced combustion (OEC), whose benefits (pollutants emissions reduction, fuel savings, productivity increase and volumes reduction) are already known. However, low costs oxygen production is still a challenge as the currently most used technique (cryogenics) is very energy consuming and costly. In the framework of OEC, oxygen does not need to be produced as a pure product, but an increase of its concentration in air is sufficient. This could make interesting solutions such as membrane or Pressure Swing Adsorption (PSA). So, the present work proposes the thermodynamic analysis of two OEC systems, the first one including air separation by polymeric membrane and the second one by PSA. Results show an increase of the energetic efficiency in both of the systems (from 22% to 58% in the membrane case and 66% in the PSA case) and of the exergetic efficiencies (from 18% to 48,5% and 54% respectively). A reduction of more than 60% of specific pollutants emissions was shown. The assessed techniques were shown to be energetically more attractive than cryogenics for small plants, the size limit depending on operating conditions.