Investigando tecnologias modernas de captura de carbono

Em resposta aos esforços globais para reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE), muitos fabricantes de processos estão incorporando diversas melhorias de eficiência e iniciativas de energia verde em suas operações. As técnicas de captura de CO₂, que capturam e armazenam esse gás, oferecem uma solução promissora. No entanto, a adoção generalizada depende do avanço das capacidades e da redução dos custos da tecnologia necessária para torná-la mais viável.

Para a captura de carbono relacionada à combustão, existem duas abordagens distintas: pré-combustão e pós-combustão. A captura pré-combustão intercepta o CO₂ antes da queima, por meio de métodos como gaseificação e reformação.

Em contraste, a captura pós-combustão ocorre a jusante da combustão do combustível no processo primário. Ela utiliza solventes ou outros métodos para coletar dióxido de carbono diretamente dos gases de exaustão. Esta página da web foca na captura pós-combustão. Embora seja vantajosa pelo seu potencial de retrofit e maturidade tecnológica, a captura pós-combustão não é tão eficiente quanto a captura pré-combustão.

O tratamento de gás com aminas é o método de captura de carbono mais amplamente utilizado em ambientes industriais. Essa técnica de pós-combustão aproveita as propriedades químicas das soluções de amina, como a monoetanolamina, que possuem uma forte afinidade para se ligar ao dióxido de carbono. O processo consiste em:

Os gases de exaustão passam por um processo de limpeza para remover poeira, matéria particulada, compostos sulfurados e outros contaminantes. Esse pré-tratamento protege a solução de amina e os equipamentos contra sujidade e corrosão. Em seguida, os gases de exaustão quentes são resfriados para uma temperatura ideal (cerca de 40-60 °C/104-140 °F) para uma absorção eficiente de dióxido de carbono pela solução de amina.

O gás de exaustão resfriado entra na parte inferior de uma torre de absorção, geralmente um recipiente cilíndrico preenchido com material de enchimento para melhorar o contato gás-líquido. Uma corrente de solução de amina fluindo em sentido contrário é introduzida na parte superior da torre. À medida que o gás de exaustão sobe pela torre, ele entra em contato com a solução de amina que desce. Então, o CO₂ no gás de exaustão forma uma ligação reversível com as moléculas de amina, removendo-o da corrente de gás.

Transferência da solução de amina rica em dióxido de carbono: a solução de amina rica em dióxido de carbono é bombeada para outra torre chamada desorvedor ou regenerador. Essa corrente é cuidadosamente medida usando instrumentos espectroscópicos Raman para garantir a eficiência na etapa subsequente de regeneração.

No desorvedor, a solução de amina rica em dióxido de carbono é aquecida, geralmente por injeção de vapor, até cerca de 110°C/230°F. Esse calor rompe a ligação entre a amina e o dióxido de carbono. A solução de amina regenerada, agora desprovida de dióxido de carbono, flui para a parte inferior do regenerador.

Resfriamento e recirculação da solução de amina: a solução de amina regenerada e quente passa por um trocador de calor, transferindo parte de seu calor para a solução rica em dióxido de carbono que está chegando, melhorando a eficiência energética. O resfriamento adicional leva a solução de amina de volta à temperatura ideal para a absorção de dióxido de carbono, e a solução de amina resfriada é então bombeada de volta para o topo da torre de absorção para repetir o ciclo.

O dióxido de carbono liberado do topo do regenerador é comprimido para aumentar sua densidade, facilitando o transporte ou armazenamento. Essa corrente de saída é frequentemente analisada quanto à pureza utilizando instrumentação TDLAS. Dependendo da aplicação pretendida, o dióxido de carbono pode passar por etapas adicionais de purificação para remover contaminantes.

O tratamento de gás com aminas apresenta taxas de eficiência na captura de CO₂ regularmente superiores a 90%. No entanto, a regeneração é especialmente intensiva em energia, e a solução de amina utilizada ao longo do processo se degrada com o tempo, exigindo reposição. Pesquisadores estão trabalhando para enfrentar esses desafios, explorando métodos de regeneração mais eficientes em termos de energia, como o uso de calor residual de processos industriais. Eles também estão desenvolvendo soluções de amina mais robustas, com maior estabilidade térmica e resistência à degradação.

A captura de carbono baseada em membranas é um método menos utilizado que aproveita a permeabilidade seletiva de membranas especializadas para remover o dióxido de carbono das correntes de gás de exaustão. Essas membranas, frequentemente compostas por materiais poliméricos ou cerâmicos, atuam como portadores moleculares. Elas permitem que o CO₂ passe enquanto bloqueiam outros gases. A principal vantagem dessa abordagem é o seu menor requisito de energia em comparação com a regeneração de gás com aminas a alta temperatura.

Os principais passos são:

1. Pré-tratamento dos gases de exaustão: antes de entrar no sistema de membranas, os gases de exaustão passam por um processo de limpeza, geralmente filtragem e lavagem. Essa etapa remove poeira, matéria particulada e outras impurezas que podem entupir ou danificar os poros delicados das membranas. O gás de exaustão é frequentemente resfriado e a umidade é ajustada para níveis ótimos de acordo com o material da membrana em uso. Isso garante uma separação eficiente do dióxido de carbono e evita o acúmulo de condensação dentro do sistema de membranas.
2. Separação por membrana: o gás de exaustão pré-tratado é direcionado através da membrana, que atua como uma barreira seletiva. Diferenças no tamanho molecular, estrutura e afinidade com o material da membrana fazem com que as moléculas de dióxido de carbono atravessem a membrana mais rapidamente do que outros gases na corrente, como o nitrogênio. Isso resulta em duas correntes de gás produto: permeado e retido. O permeado, que é rico em dióxido de carbono, passa pela membrana e é coletado para processamento posterior. O retido, empobrecido em CO₂, contém os gases restantes. Ele é liberado na atmosfera ou redirecionado de volta para o processo industrial primário.
3. Compressão e condicionamento do dióxido de carbono: a corrente de permeado rica em dióxido de carbono é comprimida para aumentar sua densidade, facilitando o transporte ou armazenamento. Dependendo da aplicação pretendida, o dióxido de carbono pode passar por etapas adicionais de purificação para remover contaminantes.

Além dos baixos requisitos de energia, os sistemas de membranas têm uma pegada pequena, o que os torna ideais para implantação em locais com espaço limitado. No entanto, a captura baseada em membranas é menos eficiente do que o tratamento com aminas, e variações ligeiras na composição da corrente de gás, pressão e temperatura podem afetar negativamente o desempenho.

O tratamento com aminas e as técnicas baseadas em membranas são os únicos métodos de captura de carbono pós-combustão atualmente em uso em larga escala, mas pesquisadores também estão explorando outras abordagens.

A primeira dessas abordagens é a captura direta do ar (DAC), que remove o dióxido de carbono diretamente do ar ambiente. Isso é feito utilizando ventiladores de alta potência que puxam o ar através de materiais de adsorção especializados, como aminas sólidas ou soluções de hidróxido, que se ligam quimicamente ao dióxido de carbono. Uma vez que o material de adsorção esteja saturado, ele é aquecido para liberar o dióxido de carbono capturado, que é então coletado para utilização ou armazenamento.

A captura direta do ar (DAC) oferece um caminho potencial para capturar emissões de automóveis e outras fontes. No entanto, enfrenta barreiras significativas para sua adoção devido aos materiais de adsorção frágeis, altos requisitos de energia e custos, em comparação com as tecnologias de captura de fontes pontuais, além da necessidade de implantação em larga escala para alcançar uma captura de carbono significativa.

A pesquisa está explorando o uso de biomassa como fonte de combustível. A biomassa, como árvores, absorve dióxido de carbono da atmosfera à medida que cresce. Ao capturar posteriormente o dióxido de carbono liberado durante a combustão, os usuários podem alcançar efetivamente emissões negativas. No entanto, o crescimento da biomassa requer uma extensa área de terra, recursos hídricos e uma consideração cuidadosa das práticas de abastecimento sustentável.

A adoção generalizada da captura de carbono pós-combustão depende de superar obstáculos tecnológicos e econômicos, não apenas em relação à captura, mas também à utilização e armazenamento. Embora o tratamento de gás com aminas seja altamente eficiente, ele exige entradas significativas de energia e manutenção regular dos solventes utilizados. Em contraste, a captura baseada em membranas tem requisitos de energia menores, mas é menos eficiente. Ambos os processos também são onerosos.

À medida que a indústria busca alcançar os objetivos de emissões zero, a diversificação estratégica será essencial. Alcançar esses objetivos exigirá uma combinação de otimização de processos, melhorias na eficiência energética geral, adoção de recursos renováveis e um compromisso com a captura de carbono. Navegar pelos trade-offs ambientais, tecnológicos e econômicos de cada estratégia é crucial para melhorar a sustentabilidade industrial geral no futuro.