O caminho do desenvolvimento tecnológico da gaseificação de carvão na Tsinghua University

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Este tópico foi editado pela última vez por Qinghua Lu em 08/08/2016, às 09:57. A evolução tecnológica da gaseificação do carvão – Fonte: Beijing Yingde Qingda Technology Co., Ltd. I. Visão geral Atualmente, o carvão representa cerca de 66% do consumo total de energia primária no nosso país; o consumo total de carvão é de aproximadamente 3,7 bilhões de toneladas. As características energéticas do nosso país são: grande quantidade de carvão, escassez de petróleo e pouca gás. A estrutura de consumo de energia, baseada no carvão, não sofrerá grandes mudanças a curto prazo. Com o avanço da industrialização e da urbanização, as exigências relativas ao controle do consumo total de energia e às restrições ambientais tornam-se cada vez mais rigorosas. Portanto, acelerar a utilização limpa e eficiente do carvão, bem como desenvolver tecnologias para uma utilização mais eficaz desse recurso, tornou-se uma tarefa importante para o nosso país atualmente. Entre as diversas tecnologias de utilização integrada do carvão, a gaseificação é a técnica fundamental e chave para a conversão limpa do carvão. Nosso país é o maior utilizador da tecnologia de gaseificação do carvão no mundo. A gaseificação é a base para o desenvolvimento de produtos químicos à base de carvão, combustíveis líquidos à base de carvão, gás natural sintético, geração de energia por meio de IGCC, produção de hidrogênio e redução direta do ferro, entre outras indústrias relacionadas a processos industriais. Como um país que depende muito do carvão, a gaseificação do carvão é a tecnologia fundamental para permitir seu uso eficiente e limpo em nosso país. É também uma tecnologia importante para resolver os problemas ambientais causados pelo uso do carvão. A tecnologia de gaseificação do carvão também é um dos processos mais importantes e cruciais no desenvolvimento da indústria química baseada em carvão nos tempos modernos. Sua seleção, bem como seu funcionamento estável, eficiente e econômico, são cruciais para o sucesso ou fracasso do projeto. Atualmente, as principais tecnologias de gaseificação utilizadas na indústria petroquímica são divididas em duas categorias: a tecnologia de tijolos refratários para slurry de carvão e a tecnologia de paredes resfriadas a água com pó seco. No entanto, ambas as tecnologias possuem suas próprias desvantagens. Em comparação com essas duas tecnologias, o forno de segunda geração da Tsinghua, que utiliza a tecnologia de gaseificação com parede de resfriamento a água para slurry de carvão e água, aproveita ao máximo todas as vantagens dos tijolos refratários feitos de slurry de carvão e da tecnologia de parede de resfriamento a pó seco. Ao mesmo tempo, evita efetivamente suas desvantagens. Isso representa um avanço na tecnologia de gaseificação desenvolvida pela China, que supera os padrões internacionais. Com a ampla utilização desses fornos na indústria petroquímica, haverá um maior desenvolvimento na indústria química baseada em carvão na China, permitindo que o país ocupe uma posição de destaque na área de tecnologia de gaseificação. II. Histórico de desenvolvimento do forno da Tsinghua Desde 2001, a Universidade de Tsinghua e a empresa Beijing Dali Ke Technology Co., Ltd. iniciaram os trabalhos preliminares de pesquisa e desenvolvimento em tecnologia de gaseificação de carvão. Em 2011, o maior fornecedor independente de gases industriais do país, o grupo Yingde Gas, assumiu as funções que antes eram desempenhadas pela empresa Beijing Dali Ke Technology Co., Ltd. Foi criada então uma nova parceria entre a universidade Tsinghua e o setor industrial, e foi fundada a empresa Beijing Yingde Qingda Technology Co., Ltd. Esta empresa é a responsável pelo desenvolvimento e uso da tecnologia de gaseificação dos fornos Tsinghua. Além disso, ela trabalha em conjunto com a Universidade Tsinghua no desenvolvimento e disseminação das tecnologias relacionadas a esses fornos. O Departamento de Engenharia de Energia Térmica da Universidade Tsinghua tem se dedicado há muito tempo à pesquisa e ao desenvolvimento em áreas como queima de carvão, gaseificação de carvão e tecnologias relacionadas ao uso de carvão limpo. O departamento já realizou vários projetos importantes de pesquisa científica, além de projetos financiados pelo Fundo de Ciências Naturais, programas 863 e 973. Foram alcançados muitos resultados significativos, que estão entre os melhores do país e que também correspondem aos padrões internacionais mais avançados. Com o apoio do **Plano 863 (2002AA529050)**, em 2002 foram concluídos os estudos de modelagem do primeiro modelo do forno Tsinghua, bem como experimentos relacionados ao campo de fluxo em estado frio, simulações numéricas e experimentos de simulação em estado quente. Além disso, foram resolvidos alguns dos desafios técnicos durante o processo de industrialização. De maneira inovadora, foi introduzido no processo de gaseificação o conceito de fornecimento seletivo de ar, amplamente utilizado no campo da queima, bem como a estrutura de fornos ciclônicos verticais. Isso permitiu superar os desafios técnicos relacionados à gaseificação, quebrando assim o monopólio estrangeiro sobre essa tecnologia. Assim, foram criados patentes relacionadas à gaseificação, com direitos de propriedade intelectual próprios. Foi desenvolvido um conjunto completo de métodos experimentais para pesquisa e desenvolvimento em tecnologia de gaseificação de carvão, resolvendo assim a questão da técnica de troca de oxigênio em etapas ； Foram realizados estudos teóricos e experimentais sobre a combustão de jatos de oxigênio em gases inflamáveis em atmosferas altamente redutoras, resolvendo os problemas técnicos fundamentais relacionados à combustão por chama reversa dos jatos de oxigênio ； Foram corrigidos os parâmetros que descrevem o efeito da pressão, em condições de pressão elevada, sobre a dinâmica da reação de vaporização de coque e vapor d’água. Assim, foi possível criar um modelo mais completo e confiável para a dinâmica do forno de vaporização ； Ampliou ainda mais a capacidade de adaptação do forno de gaseificação de coque de carvão a diferentes tipos de carvão ； Foram criadas diretrizes de projeto e pacotes de projeto para o processo de gaseificação seletiva do oxigênio. O Grupo Yingde Gas possui uma equipe de engenheiros experientes, com ampla experiência em projetos químicos e operacionais. Eles atuam há muito tempo no desenvolvimento de tecnologias e processos químicos, além da gestão da produção. Possuem grande experiência em projetos e operações relacionadas à indústria química e à gaseificação de carvão. A Beijing Yingde Qingda Technology Co., Ltd., criada pela Yingde Gas Group em parceria com a Universidade de Tsinghua, recebeu autorização da universidade para operar exclusivamente a tecnologia de gaseificação de carvão desenvolvida por ela. A empresa é responsável pelo projeto técnico relacionado ao processo de gaseificação e pelo suporte técnico necessário para a implementação desse processo, além de resolver os problemas técnicos que surgem durante a industrialização da tecnologia. Os grandes equipamentos industriais que utilizam a tecnologia de gaseificação com tijolos refratários da primeira geração desenvolvida pela Tsinghua (tecnologia de gaseificação por separação entre escória não fundida e escória fundida) já foram colocados em operação em várias localidades: em Datang Hulunbuir (projetos 18/30), na empresa Jinchengtai Chemical Co., Ltd. em Ordos (instalação para produção de 600 mil toneladas de metanol por ano), e na filial de Linyi da empresa Shanxi Yangmei Fengxi Fertilizer Group. Até o momento, todos esses três equipamentos operam de forma estável. A tecnologia da primeira geração desenvolvida pela Tsinghua foi avaliada em dezembro de 2007 pela Associação Chinesa da Indústria Petrolífera e Química, que considerou que essa tecnologia atinge um nível internacionalmente avançado. Em 2009, essa tecnologia foi reconhecida pela “Associação Chinesa da Indústria de Fertilizantes Nitrogenados” como uma tecnologia que contribui para o desenvolvimento do setor. Além disso, ela recebeu o primeiro prêmio de progresso científico e tecnológico concedido pela associação em 2009. 　 O projeto da Datang Hulunbuir Fertilizer Co., Ltd., que prevê a produção de 180 mil toneladas por ano de amônia sintética e 300 mil toneladas por ano de ureia, utiliza a tecnologia de gaseificação de carvão da primeira geração desenvolvida pela Tsinghua University. Foram construídos dois sistemas de gaseificação com pressão de 4,0 MPa e diâmetro de 2800 mm, além de sistemas complementares para a preparação do slurry de carvão e o tratamento dos resíduos gerados. O projeto Datang Hulunbuir (projeto 18/30) utiliza o carvão marrom produzido localmente em Hulunbuir como matéria-prima para a gaseificação. Em comparação com o carvão vegetal e o antracito, o carvão marrom tem um preço mais baixo e maior reatividade. No entanto, seu valor calórico é relativamente baixo, e sua umidade é alta, geralmente entre 25% e 60%. 　　Para aproveitar melhor os recursos de lignito do nosso país, nos últimos anos, diversas técnicas de gaseificação, como a gaseificação em leito fixo, a gaseificação em leito fluidizado e a gaseificação de carvão em pó, têm sido utilizadas em larga escala para o processamento do lignito. No entanto, todas essas técnicas exigem um certo grau de pré-tratamento do lignito antes de ser utilizado no processo de gaseificação. Além disso, o investimento necessário para essas tecnologias é muito alto. Em alguns casos, essas técnicas consomem grandes quantidades de água e geram grandes volumes de efluentes, o que representa um grande desafio ambiental para os projetos relacionados ao processamento do carvão. 　 Há muitos anos, a indústria petroquímica procura por uma tecnologia que permita utilizar o carvão marrom na indústria química baseada em carvão, de maneira econômica, eficiente e ambientalmente sustentável. Até 2012, uma aplicação bem-sucedida da primeira geração de tecnologia de gaseificação de carvão da Tsinghua trouxe esperança às pessoas. Em junho de 2012, na empresa Datang Hulunbuir Fertilizer Co., Ltd., o primeiro sistema do mundo para a gaseificação de carvão marrom por meio de slurry de carvão foi colocado em operação com sucesso, desde a primeira tentativa. E, em janeiro de 2013, foi possível realizar com sucesso o funcionamento simultâneo dos dois geradores a gás marrom por 240 horas. No final de 2015, a empresa Dinastia Tang Hulunbuir Fertilizer Company teve mais uma notícia positiva: o primeiro sistema do mundo para a gaseificação de carvão marrom, o projeto 18.30, entrou em operação antes do previsto! 　 Antes da tecnologia de gaseificação com leito fluidizado de slurry de carvão desenvolvida pela Tsinghua, utilizava-se a tecnologia de gaseificação em leito fluidizado para slurry de carvão e água. Quando o carvão marrom era usado como matéria-prima, sua alta umidade dificultava a formação do slurry. A concentração do slurry resultante era baixa, geralmente em torno de 53%. Naquela época, a crença tradicional era de que um slurry com concentração inferior a 58% não podia ser utilizado na tecnologia de gaseificação em leito fluidizado. Mas, na Datang Hulunbuir Fertilizer Co., Ltd., o dispositivo de gaseificação a base de fornos da Tsinghua utiliza os recursos de carvão marrom da cidade de Hulunbuir como matéria-prima para a gaseificação. A concentração da pasta de carvão é de 46% a 51%, e o dispositivo opera de maneira estável. Desde que começou a operar com sucesso em junho de 2012, o sistema tem funcionado bem. Isso demonstra que a tecnologia de gaseificação de carvão desenvolvida pela Tsinghua representa um avanço significativo no uso de xaropes de carvão de baixa concentração, como o carvão marrom. Trata-se de uma solução técnica importante, que abre caminho para que nosso país utilize tecnologias avançadas e ambientalmente sustentáveis na transformação de recursos de carvão marrom, que são difíceis de processar. 　 Os resultados obtidos com a tecnologia de fornos da Tsinghua na aplicação ao carvão marrom chamaram a atenção de mais empresas do setor. Em julho de 2013, a empresa Inner Mongolia Ulan Tai’an Energy Chemical Co., Ltd. iniciou a construção de um complexo industrial capaz de produzir 1,35 milhão de toneladas por ano de amônia sintética. Para isso, foi utilizada a tecnologia de gaseificação da segunda geração desenvolvida pela Tsinghua University – uma tecnologia que utiliza paredes de resfriamento a água para processar carvão. O material utilizado como matéria-prima foi o carvão marrom produzido na região de Xing’an League, com concentração de 53% em suspensão aquosa. Antes de iniciar o projeto de construção, a Ulan Tai’an Energy Chemical Co., Ltd. levou quase quatro anos para fazer uma avaliação técnica e econômica de mais de dez técnicas de gaseificação disponíveis, tanto no país quanto no exterior. Por fim, concluiu-se que o forno da Tsinghua era a técnica mais adequada para a gaseificação do carvão marrom em Xing’an League. Também em 2013, o projeto da empresa Xinjiang Tianye, que tem capacidade de produção anual de 200 mil toneladas de etileno glicol, e o projeto da empresa Xinjiang Guotai Xinhua Mining Co., Ltd., relacionado à produção de 1,4-butanodiol, escolheram o forno da Tsinghua como tecnologia de gasificação para sua produção. Eles utilizaram carvão marrom de Xinjiang, com uma concentração de pasta de carvão de 53%. A tecnologia de aplicação de slurry de carvão em baixas concentrações tornou-se, atualmente, um trunfo importante para que os fornos da segunda geração da Tsinghua conquistem o mercado. Em 2005, a Universidade de Tsinghua iniciou os trabalhos de desenvolvimento da segunda geração do forno Tsinghua. A tecnologia de parede de resfriamento a água para essa segunda geração de fornos consiste no uso de paredes de resfriamento a água na câmara de combustão do forno de gasificação. Os componentes internos do forno de gasificação são, na verdade, paredes de resfriamento a água do tipo membrana, instaladas dentro da estrutura resistente à pressão do forno inteiro. Quando o forno de gasificação está em funcionamento, a camada de cinzas solidificada na parede membranosa da seção de reação de gasificação consegue proteger a parede resfriada a água, impedindo que os tubos dessa parede sejam corroídos pelas escórias. Dessa forma, é possível obter um efeito de “proteção contra as escórias por meio das próprias escórias”. Em 22 de agosto de 2011, o primeiro forno de gaseificação de carvão em pasta com paredes refrigeradas a água do mundo funcionou com sucesso na fábrica de fertilizantes Yangmei Fengxi, em Shanxi. Desde a primeira operação, o forno entrou em estado de funcionamento estável, cumprindo assim plenamente os objetivos de pesquisa e desenvolvimento pretendidos. Até 9 de janeiro de 2012, foram realizadas manutenções planejadas, o que permitiu que a indústria de química a base de carvão funcionasse pela primeira vez de maneira segura, estável e contínua por 140 dias. Em 3 de setembro de 2012, a Federação da Indústria Petrolífera e Química da China organizou, em Pequim, uma reunião com especialistas para avaliar os resultados científicos e tecnológicos relacionados à tecnologia de gaseificação de carvão utilizando paredes de resfriamento a água, no contexto dos fornos Tsinghua. Após 72 horas de funcionamento contínuo, verificou-se que o dispositivo opera de maneira estável, possui alto nível de automação, é seguro e confiável, além de ter um bom desempenho em termos de controle ； Os custos de investimento e operação são baixos, e há boa adaptabilidade a diferentes tipos de carvão ； Todo o equipamento utiliza tecnologia desenvolvida no nosso país e dispositivos produzidos localmente, com um grau de nacionalização de 100%. Os dados de avaliação atingiram os indicadores projetados: consumo relativo de oxigênio de 404,3 Nm³/1000 Nm³ (CO+H2); consumo relativo de carvão de 605,0 kg de carvão/1000 Nm³ (CO+H2). A concentração efetiva do gás sintético (CO+H2) foi de 78,46%, enquanto a taxa de conversão de carbono foi de 97,6%. O comitê de avaliação considerou que a tecnologia do forno de gaseificação possui um alto grau de inovação, além de contar com direitos de propriedade intelectual próprios. Além disso, ela combina as vantagens dos tijolos refratários utilizados em processos de gaseificação com pó de carvão, bem como das paredes de resfriamento a água utilizadas nesse tipo de forno. Seus desempenhos gerais são excelentes, trazendo benefícios econômicos e sociais significativos. Em geral, essa tecnologia está em nível internacionalmente avançado. Por isso, o comitê concordou unanimemente em aprovar essa tecnologia. A tecnologia de gaseificação em leito de fluxo de alta pressão pode ser dividida, em termos de método de alimentação, em dois tipos: alimentação com slurry de carvão (método úmido) e alimentação com pó seco (método seco). O método de alimentação por pasta de carvão aquosa a frio possui a vantagem de um transporte de fluxo estável e confiável, o que garante que a relação entre oxigênio e carvão no forno de gaseificação fique dentro de limites controláveis, assegurando assim o funcionamento estável do forno. O alimentação a seco utiliza transporte em fase concentrada a alta pressão; o fluxo do carvão em pó é instável, o que pode causar um desequilíbrio entre oxigênio e carvão dentro do forno de gaseificação, afetando assim a segurança de seu funcionamento. Ao mesmo tempo, o alimentação por método úmido permite a operação em alta pressão; existem dispositivos comerciais desenvolvidos para sistemas de gaseificação que funcionam a pressões de 4,0 MPa, 6,5 MPa e 8,7 MPa. Atualmente, a pressão máxima nos fornos de gasificação com alimentação em pó seco é de apenas 4,0 MPa. Aumentar a pressão do sistema de gasificação pode reduzir o tamanho dos equipamentos, diminuir o consumo energético do sistema e permitir a síntese isobárica em sistemas químicos. Do ponto de vista da estrutura de proteção, os fornos de vapor podem ser divididos em tijolos refratários e paredes resfriadas a água. Graças à estrutura de parede refrigerada a água, a temperatura de operação do forno de gaseificação pode atingir 1500°C ou mais, o que **amplia a capacidade de adaptação do forno a diferentes tipos de carvão e reduz os custos dos materiais utilizados na operação. Além disso, a temperatura de operação do forno de gasificação com tijolos refratários não pode exceder 1400°C. O desenvolvimento bem-sucedido e a entrada em operação do segundo modelo de forno Tsinghua – o forno com parede de resfriamento a água para suspensão de carvão em água – resolveram de forma definitiva os problemas de estabilidade dos fornos de gaseificação com parede de resfriamento a água e alimentação seca, bem como os problemas relacionados à adaptação dos diferentes tipos de carvão nos fornos de gaseificação com tijolos refratários e alimentação úmida ； Foi alcançada a gaseificação do carvão de “três altos”, permitindo que o carvão utilizado para a gaseificação seja obtido localmente, o que reduz os custos do carvão utilizado nos fornos ； Ao mesmo tempo, as características da tecnologia de gasificação com paredes de resfriamento a água para slurry de carvão e água estão em conformidade com a tendência atual de uso limpo e eficiente do carvão. Em 2012, a tecnologia de gaseificação de carvão com uso de paredes de resfriamento a água, desenvolvida pelo laboratório Tsinghua, foi incluída no “Plano de Implementação para a Promoção de Tecnologias Avançadas de Gaseificação com Economia de Energia”, elaborado pelo Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação. Em 2015, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação e o Ministério das Finanças emitiram conjuntamente o “Plano de Ação para o Uso Limpo e Eficiente do Carvão no Setor Industrial (2015-2020)”. O forno Qinghua com parede de resfriamento a água foi incluído entre as 21 tecnologias referenciais para o uso eficiente do carvão no setor industrial. III. Princípios da tecnologia de gaseificação com fornos da Tsinghua
A tecnologia de gaseificação com fornos da Tsinghua utiliza carvão como matéria-prima, e oxigênio puro como agente de gaseificação. Nesse processo, ocorre uma reação de oxidação parcial em altas temperaturas dentro do forno de gaseificação, resultando em um gás processual cujos componentes principais são CO e H2. Após ser resfriado em uma câmara de resfriamento por meio de banho de água e lavado em uma torre de lavagem, o gás processual limpo é enviado para as etapas seguintes do processo, onde será utilizado como gás de matéria-prima. O processo de gaseificação de slurry de carvão é um processo de oxidação parcial não catalítica. O oxigênio de alta pureza e a pasta de carvão são misturados por meio de bicos especiais e, em seguida, injetados no forno de gaseificação. Lá, sob altas temperaturas e pressões, ocorre uma reação de oxidação parcial, gerando gás bruto que contém CO e H2 como componentes principais. Dentro do forno de gaseificação, as principais reações entre a pasta de carvão e o oxigênio são as seguintes:
CmHnOsr + m/2 O2 → m CO + (n/2 – r) H2 + r H2S
CmHnOsr → (m/4 – r/2) CH4 + (m – n/4 + r/2) C + H2S
C + O2 → CO2 + Q
C + O2 → CO + Q
C + CO2 → 2 CO – Q
C + H2O → CO + H2 – Q
C + H2O → H2 + CO2 – Q
C + H2O → CO2 + H2 + Q
C + H2 → CH4 + H2O + Q
C + H2 → CH4 + CO2 + Q
CO2 + H2 → CH4 + H2O + Q
C + H2 → CH4 + Q
H2 + O2 → H2O + Q
CH4 + O2 → CO2 + H2O + Q
No forno de gaseificação, ocorrem três tipos principais de reações: a oxidação do carbono, a decomposição do vapor d’água e a redução do dióxido de carbono. A oxidação do carbono libera grande quantidade de calor, o que é necessário para manter as outras duas reações endotérmicas e as altas temperaturas dentro do forno. Os produtos da reação de gasificação são, principalmente, CO + H2, além de pequenas quantidades de H2O(g), CO2, H2S, CH4 e N2. O leito de fluxo de gás é um reator de gasificação em fluxo paralelo de duas fases. A pasta de carvão é misturada uniformemente com o agente de gasificação, e, por meio de bocais especiais, é atomizada e introduzida na câmara de reação. Ocorre uma ignição instantânea, gerando uma reação de chama, com temperaturas que chegam a 1300–1700°C. O oxigênio e a slurry de carvão são misturados por meio de bocais e, em seguida, entram no forno de gasificação, onde ocorre a gasificação em poucos segundos. Para alcançar uma maior taxa de conversão, utiliza-se a oxidação parcial para liberar energia, mantendo o forno de gaseificação em uma temperatura acima do ponto de fusão da cinza do carvão, de modo que as reações possam ocorrer. A temperatura de reação é determinada de acordo com as exigências do tipo de carvão escolhido. A pressão de gaseificação é definida com base nas necessidades do processo. A velocidade da reação de gaseificação é muito alta; o tempo que os sólidos permanecem no forno é, em geral, de apenas alguns segundos. O teor de metano no gás sintético produzido pela reação é baixo, sendo geralmente inferior a 0,1%. Já a taxa de conversão do carbono é bastante alta, atingindo até 98%. Devido à alta temperatura da reação, não são produzidos subprodutos condensáveis como alcatrão, fenol e hidrocarbonetos de alto peso molecular. Portanto, a poluição ambiental é menor, e a quantidade de efluentes lançados também é menor. O processo de gaseificação é dividido em três partes: o processo de fabricação da pasta, o processo de gaseificação e o processo de tratamento das cinzas. O carvão bruto, a água e uma pequena quantidade de aditivos são moídos em um moinho de carvão, gerando um slurry de carvão com concentração entre 58% e 65%. Esse slurry é então levado, sob a ação de uma bomba de alta pressão, até o forno de gaseificação, onde entra através dos bocais de combustão ； O oxigênio proveniente da separação do ar entra no forno de gaseificação por meio de bocais de combustão. O xarope de carvão e o oxigênio realizam a reação de gaseificação dentro do forno. O gás sintético e o escória produzidos passam pelo compartimento de resfriamento localizado na parte inferior do forno, onde são resfriados e lavados. O gás sintético, após ser resfriado, é levado pelos tubulações até o sistema de purificação ； O escória resfriada é descarregada periodicamente no tanque de escória por meio de funis e tubulações de drenagem. A água contendo escórias finas é direcionada ao sistema de tratamento de escória, onde é processada antes de ser devolvida ao sistema para reutilização. Figura 1 – Diagrama simplificado do processo de produção de pasta de carvão. Figura 2 – Diagrama simplificado do processo de tratamento gasoso. http://ydqd.yingdegas.com/chinese/DataBase/UploadFile/20160808091722822.jpg Figura 3 – Diagrama simplificado do processo de tratamento das águas residuais. IV. Características técnicas do forno Qinghua com paredes de resfriamento a água para pasta de carvão e água. 4.1 Alta segurança: Utiliza-se pasta de carvão como matéria-prima, o que garante um funcionamento seguro e confiável. Isso evita problemas como instabilidade na alimentação com carvão em pó, além de riscos de inflamação, explosão e vazamentos devido ao desgaste. A parede de resfriamento a água utiliza uma estrutura de tubos verticais suspensos, amplamente utilizada no campo da engenharia térmica. Essa estrutura garante a segurança do ciclo da água, ao mesmo tempo em que evita problemas complexos relacionados à expansão térmica. O ciclo da água é projetado para funcionar de forma natural, mas também pode operar em modo forçado. Em situações de emergência, é possível que o ciclo volte a ser natural, garantindo assim o funcionamento seguro das paredes de resfriamento por água. 4.2 Alta adaptabilidade aos diferentes tipos de carvão: A temperatura de gaseificação não é limitada pelos materiais resistentes ao calor. Nas condições reais de operação industrial, a temperatura atinge 1520°C (ou mais). A velocidade da reação de gaseificação é alta, e a taxa de conversão do carbono também é elevada. Além disso, o processo é capaz de lidar com carvões com alto teor de cinzas, alto ponto de fusão das cinzas e alto teor de enxofre. Isso facilita a gaseificação local do carvão. 4.3 Alta taxa de operação do sistema: O dispositivo funciona de maneira contínua e estável. A parte superior do queimador é submetida a um tratamento especial, o que permite que ele funcione sem interrupções por mais de 120 dias. Não há necessidade de parar a operação do equipamento para substituir os tijolos refratários, sendo possível atingir um tempo de operação anual de 8000 horas. 4.4 Amigável ao meio ambiente e eficiente em termos ecológicos: A temperatura de reação é alta, o teor de carbono residual é baixo, e não são produzidos subprodutos condensáveis como alcatrão, fenóis e hidrocarbonetos de alto grau. Portanto, há menos poluição ambiental, além disso, a quantidade de águas residuais geradas também é menor, facilitando sua coleta e tratamento ； Ao mesmo tempo, a unidade de fabricação de pasta pode utilizar diversos efluentes orgânicos difíceis de tratar. 4.5 Sistema de inicialização rápida: o processo combinado de ignição e aquecimento é simplificado, com a ignição e o processo de adição de materiais sendo realizados de forma integrada. A ignição do coque de carvão aquoso utiliza uma tecnologia única de “ignição por fogo”; o forno de gasificação leva apenas cinco horas para passar de estado frio a carga total. 4.6 Economia de energia: A pressão de gaseificação é alta, e ela não é afetada pelo sistema de transporte das matérias-primas. Assim, é possível fazer escolhas mais adequadas de acordo com as exigências das etapas seguintes do processo. Isso permite que a pressão seja mantida igual à da síntese de metanol, reduzindo assim o consumo de energia. É capaz de digerir carvão com alto teor de cinzas, alto ponto de fusão das cinzas e alto teor de enxofre. Isso facilita a gaseificação do carvão no local, reduzindo os custos de transporte e aumentando significativamente o valor do carvão ； Reduziu a necessidade de substituição dos tijolos refratários, economizando mais de 3 milhões de yuans por ano nos custos de substituição ； 4.7 Economia de investimentos: com a utilização de equipamentos de gaseificação 100% produzidos no país, há uma economia de 30 a 50% em relação a outras tecnologias de gaseificação a pressão utilizadas no mercado nacional. 4.8 Os detalhes técnicos foram bem tratados: a tecnologia de gaseificação da Tsinghua apresenta muitas inovações no design dos detalhes durante o processo industrial. Por exemplo, o distribuidor de gás localizado na parte inferior da torre de lavagem permite uma mistura eficaz entre a água cinzenta e o gás de carvão, garantindo assim um bom resultado na lavagem do gás de carvão ； O design do distribuidor em formato de anel no tanque de flash evita que as manutenções no sistema de flash sejam mais difíceis ； O design de vedação líquida para a destilação a vácuo evita que o tanque de destilação fique obstruído, e as melhorias nos detalhes permitem que o sistema de vaporização opere de forma estável por longos períodos. V. A disseminação bem-sucedida do forno Tsinghua com parede de resfriamento a água para slurry de carvão. A tecnologia de gaseificação do forno Tsinghua é um novo resultado da integração entre engenharia térmica e tecnologias químicas. Esse tipo de forno possui boa adaptabilidade a diferentes tipos de carvão, permitindo o uso local de matérias-primas e reduzindo seus custos. Assim, foi encontrado um caminho inovador para o desenvolvimento sustentável do carvão, aproveitando as ricas reservas de carvão de alta qualidade. Considerando um gerador de gaseificação que consome 1.000 toneladas de carvão por dia, se o preço do carvão de partida diminuir em 100 yuan por tonelada, isso resultará em uma economia de mais de 30 milhões de yuan ao ano em custos com carvão de partida para cada gerador. Com a substituição dos tijolos refratários por paredes de resfriamento a água, os custos de manutenção dos tijolos refratários diminuem. O ciclo de vida das telhas refratárias é normalmente de cerca de 1,5 ano, e o custo de substituição de cada conjunto de telhas refratárias é de aproximadamente 2 milhões de yuans. Considerando a vida útil da parede de resfriamento por água em 10 anos, o cálculo geral indica que é possível economizar mais de 1 milhão de yuans por ano em custos de manutenção. Em comparação com os fornos de gaseificação com parede de resfriamento a água para pasta de carvão e água, e outros fornos de gaseificação que utilizam tijolos refratários, esse tipo de equipamento oferece benefícios econômicos e sociais muito significativos após entrar em operação. A gaseificação do carvão é uma das tecnologias importantes para a conversão limpa do mesmo. O forno Qinghua, que utiliza paredes de resfriamento a água para o processo de gaseificação, possui vantagens como grande adaptabilidade a diferentes tipos de carvão, alta eficiência na gaseificação, baixos níveis de poluição, operação estável e eficiente. Além disso, em comparação com outras tecnologias semelhantes, oferece vantagens como menor investimento e maior taxa de disponibilidade. Isso proporciona às empresas do setor de químicos à base de carvão uma tecnologia de gaseificação de baixo custo de investimento e operacional, o que aumenta sua competitividade no mercado. Além disso, contribui para o desenvolvimento econômico local, protege o meio ambiente e ajuda a aumentar as receitas fiscais locais, trazendo assim benefícios sociais significativos. Aproveitando as vantagens estruturais do forno Qinghua com parede de resfriamento a água para slurry de carvão e água, é possível reformar facilmente os fornos de gaseificação existentes que utilizam tijolos refratários para esse tipo de slurry. Isso abre perspectivas ainda maiores para a disseminação e aplicação dos fornos Qinghua com parede de resfriamento a água. A tecnologia de gaseificação de carvão da Tsinghua representa uma solução inovadora para a purificação do carvão. Utilizando os abundantes recursos de carvão de alta qualidade, essa tecnologia abriu novos caminhos para o seu desenvolvimento. A segunda geração dessa tecnologia já está em operação nas empresas Yangmei Fengxi, em Shanxi; Tianye, no Xinjiang; e Yangmei Jishan. Além disso, foram firmados acordos com mais de uma dúzia de empresas, como Shijiazhuang Yingding, Weifang Yingde, Karamay Yingde, CNOOC Tianye Chemical Co., Ltd., Jiangsu Debang Xinghua Chemical Technology Co., Ltd., Shandong Jincheng Chemical Technology Co., Ltd., Hebei Zhengyuan Chemical Group Company, Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., e Xing’an League Wulantai’an Energy Chemical Co., Ltd. Atualmente, está em andamento a reforma tecnológica dos revestimentos de resfriamento por água nos fornos feitos de tijolos refratários utilizados pela Xinsheng Coal Chemical Co., Ltd., da Guizhou Shuicheng Mining Group; pela filial de Haolianghe da Heilongjiang Beidahuang Agricultural Co., Ltd.; e pela Anhui Huaihua Northwest Energy Chemical Company. Isso oferecerá perspectivas de desenvolvimento ainda maiores para a promoção e aplicação da tecnologia de fornos Qinghua com paredes de resfriamento a água para slurry de carvão e água. O projeto da Xinjiang Tianye, que tem capacidade de produzir 200 mil toneladas por ano de etileno glicol, foi desenvolvido com uma capacidade de produção de gás sintético efetivo (CO+H2) de 120.000 Nm3/h na área de operação. O dispositivo de gaseificação utiliza a tecnologia de gaseificação com parede refrigerada a água para pasta de carvão e água, desenvolvida pela Tsinghua University. O forno de gaseificação opera a uma pressão de 6,5 MPa e tem um diâmetro de 2800 mm. Cada forno de gaseificação é projetado para processar 1500 t de carvão por dia. Utilizando o carvão marrom produzido localmente em Xinjiang, a concentração do slurry obtido com o uso exclusivo desse carvão é de 53%. Ao adicionar cinzas de coque, é possível aumentar essa concentração para mais de 58%. Figura 4 – Dois dispositivos de gaseificação da marca Qinghua, utilizados pela Xinjiang Tianye. Tipo de carvão utilizado: Shenhua. Análise industrial: Umidade: 24,4%; Cinzas: 6,56%; Volatilidade: 30,99%; Carbono fixo: 62,45%. Análise elementar: Carbono: 75,71%; Hidrogênio: 3,7%; Nitrogênio: 0,54%; Enxofre: 0,58%; Oxigênio: 12,91%; Cloro: 0,014%. Teor de arsênio: 0,35 mg/g. Energia calorífica específica: 20,01 MJ/kg. Índice de moagem: HGI/100. Temperatura de fusão das cinzas: 1250°C. Temperatura de amolecimento: 1280°C. Temperatura de fluxo: 1300°C. Concentração do slurry obtido pelo processo convencional: 53,04%. Viscosidade aparente do slurry de carvão (100 s^-1, 25°C): 954 mPa·s. Tabela 1: Parâmetros do carvão marrom utilizado pela Xinjiang Tianye. Em agosto de 2015, o primeiro dispositivo de gaseificação da marca Qinghua, operado pela Xinjiang Tianye, foi colocado em funcionamento com sucesso. Em menos de uma semana, todo o processo foi ativado. Em outubro de 2015, os dois dispositivos de gaseificação operaram em paralelo, produzindo mais de 120.000 Nm³/h de gás. Até março de 2016, o ciclo contínuo de operação do forno de gasificação ultrapassou 100 dias, cumprindo assim o objetivo de um funcionamento estável, contínuo e de alta eficiência. Principais indicadores técnicos: Concentração da pasta de carvão: 58% (com 40% de cinzas de carvão); Composição gasosa efetiva: CO+H2 ≥ 78%; Consumo específico de oxigênio: ≤ 420 Nm3/1000 Nm3 (CO+H2); Consumo específico de carvão: ≤ 620 kg/1000 Nm3 (CO+H2); Taxa de conversão de carbono: ≥ 98%; Teor de materiais combustíveis no resíduo: ≤ 5%. Até o momento, o forno Qinghua com parede de resfriamento a água para pasta de carvão e água já conseguiu operar em escala industrial por longos períodos de tempo na empresa Tianye, em Xinjiang. Graças ao seu funcionamento bem-sucedido na Tianye, em Xinjiang, o forno da Tsinghua alcançou um nível avançado em termos de consumo energético geral na gaseificação de carvão marrom na região, ficando assim à altura dos padrões nacionais. VI. Perspectivas de desenvolvimento da gaseificação de carvão na Tsinghua University 1. Reforma da capacidade produtiva obsoleta das pequenas e médias empresas de fertilizantes nitrogenados. A indústria química baseada no carvão utiliza, em sua maioria, tecnologias de gaseificação em leito fixo a pressão atmosférica. Essas tecnologias se caracterizam por alto consumo de energia, altas emissões, alto nível de poluição e baixa eficiência – ou seja, o que se costuma chamar de “três altos e um baixo”. Diante das múltiplas pressões de “três altos e um baixo”, é imperativo realizar a reestruturação da indústria química baseada no carvão e sua modernização. Atualmente, mais de 500 empresas no país que utilizam métodos de geração de gás em leitos fixos enfrentam a necessidade de se modernizarem. Além disso, os fornos de gaseificação a pressão de carvão pulverizado são difíceis de serem adotados pelas pequenas e médias empresas produtoras de fertilizantes nitrogenados, que já enfrentam dificuldades financeiras. Portanto, a tecnologia de gaseificação com paredes resfriadas a água, que exige investimentos menores, tornar-se-á a técnica preferida por muitas dessas empresas, bem como pelos fabricantes de gás. Em comparação com a produção de gás em leitos fixos, ao se alterar o tipo de carvão utilizado como matéria-prima e reduzir o consumo, o custo por tonelada de amônia pode ser reduzido em mais de 500 yuan. Para uma empresa que produz 200 mil toneladas de amônia por ano, isso representa uma economia anual de 100 milhões de yuan. A gaseificação no forno Tsinghua, com uso de paredes de resfriamento a água para a pasta de carvão e água, não só é segura e ambientalmente sustentável, como também possui um longo ciclo de operação, além de reduzir os custos de investimento e operação. Isso aumentará significativamente a eficiência produtiva das empresas, contribuindo para a proteção do meio ambiente. Além disso, ajudará no desenvolvimento da economia local e no aumento das receitas fiscais, trazendo assim benefícios sociais e econômicos significativos. 2. A tecnologia de gaseificação total na indústria química a base de carvão moderna: Os projetos relacionados à indústria química a base de carvão costumam ter um alto consumo de carvão, grande uso de água, além de gerar grandes quantidades de efluentes líquidos, gases e resíduos sólidos. Entre os “três resíduos” gerados pela indústria química do carvão, há muitos componentes nocivos, o que torna seu tratamento difícil. Por exemplo, no caso do gás natural produzido a partir de carvão, além da gasificação por slurry de carvão, se forem utilizadas métodos de gasificação em leito fixo ou em leito fluidizado, o tratamento das águas residuais torna-se um grande desafio. Esse problema até foi incluído no projeto tecnológico “863”. Embora existam atualmente muitos processos de tratamento de águas residuais provenientes da indústria do carvão no país, seu desempenho geralmente é instável, sem falar na possibilidade de se alcançar uma “emissão zero”. Devido às dificuldades em resolver os problemas de tratamento de águas residuais, vários projetos de química do carvão no país tiveram seu início ou operação adiada repetidamente. 　　Atualmente, nas tecnologias de gasificação utilizadas no país, com exceção da gasificação por meio de slurry de carvão e água, como os fornos Lurgi, BGL, Space, GSP, SHELL e End, é necessário adicionar vapor durante o processo de gasificação. A água necessária para gerar esse vapor precisa ser submetida a um processo de dessalinização. A água resultante desse processo não tem uma taxa de utilização superior a 80%. Nas regiões de Inner Mongolia e Xinjiang, onde há escassez de água, a taxa de utilização da água é ainda menor, devido ao alto teor de sal presente nela. Num contexto em que as exigências ambientais se tornam cada vez mais rigorosas e os recursos hídricos ficam cada vez mais escassos, o tratamento de águas residuais e a economia de água provavelmente serão um dos fatores decisivos para o sucesso ou fracasso de um projeto de química a base de carvão. 　　No que diz respeito à tecnologia de gasificação de pó seco, no processo de preparação do pó de carvão, utiliza-se gás combustível ou outro meio para remover a umidade excessiva presente no carvão. Geralmente, espera-se que a umidade seja reduzida a cerca de 2%. Essa quantidade de água é ainda mais valiosa em regiões como Inner Mongolia e Xinjiang, onde há escassez de recursos hídricos. No entanto, até hoje não existe maneira de recuperá-la. Para manter as tubulações de pó de carvão secas, é necessário utilizar aquecimento a vapor nessas tubulações. Parte do líquido condensado não pode ser recuperado, o que gera desperdício. 　 A gasificação no processo de Tsinghua envolve a adição da maior parte da água na forma de slurry de carvão e água. Não há requisitos específicos quanto ao teor de umidade do carvão, e as exigências quanto à qualidade da água utilizada também são baixas. Geralmente, são utilizadas águas residuais orgânicas difíceis de tratar para a preparação do slurry, o que traz benefícios ambientais. A gasificação em pó seco consiste na remoção da umidade excessiva do carvão, para depois adicionar gradualmente a quantidade necessária de umidade. A umidade necessária para o processo de gasificação deve ser adicionada na forma de vapor superaquecido a alta pressão. Já a água necessária para as etapas seguintes do processo deve ser adicionada na forma de vapor superaquecido ou água proveniente de caldeiras. Portanto, em comparação com a gasificação no forno Tsinghua, a gasificação de pó seco exige uma qualidade da água maior e uma quantidade maior de água do que a gasificação de slurry de carvão. Quanto aos projetos atuais de produção de gás natural a partir do carvão, considera-se que os fornos de type Ruhry contêm de 8% a 12% de metano. Por isso, a produção de gás natural a partir do carvão é considerada econômica. No entanto, os fornos de type Ruhry só conseguem processar carvão em pedaços com tamanho entre 8 mm e 50 mm. Grande parte do carvão resultante da extração não pode ser utilizada. Além disso, esses fornos geram grandes quantidades de águas residuais contendo fenol, o que dificulta seu tratamento. O forno de gaseificação de slurry de carvão utiliza um sistema de alimentação de carvão semicerrado, moagem do carvão por método úmido e gaseificação em leito de fluxo de ar. Todo o processo gera pouca poluição. Nem a gaseificação nem as reações de conversão exigem uso de vapor. Para a moagem do carvão, pode-se utilizar águas residuais contendo álcool. Além disso, a quantidade de águas residuais geradas é pequena. Os poluentes presentes nessas águas são poucos; o valor de COD delas fica entre 200 e 760 mg/l, o que facilita seu tratamento biológico. Com a tecnologia de gaseificação do forno Tsinghua, que utiliza paredes de resfriamento a água com slurry de carvão e água, em primeiro lugar, é possível utilizar o carvão em pó obtido durante o processo de extração do carvão ； Em segundo lugar, é possível tratar as águas residuais difíceis de serem processadas, geradas pelos fornos tipo Luzzi ； Terceiro, é possível economizar parte do investimento necessário para o tratamento de águas residuais ； Quarto, é possível economizar parte dos custos de operação dos equipamentos de tratamento de águas residuais. 　　Portanto, para projetos específicos de gás natural a partir do carvão, os especialistas sugerem que, primeiro, seja feito um equilíbrio entre o carvão em blocos e o carvão em pó, com base na proporção de cada um e na quantidade necessária. Se ainda houver carvão em pó após esse equilíbrio, e não houver outras maneiras de utilizá-lo, então o dispositivo de gaseificação deve utilizar a tecnologia de gaseificação em leito fixo como principal método, complementada pela tecnologia de gaseificação do tipo “Tsinghua”. Além disso, é necessário equilibrar a quantidade de água limpa e de águas residuais, a fim de permitir seu uso reciclado. 　 VII. Conclusão A competição no mundo atual se resume, em última análise, à luta pelo acesso à energia. A experiência é o melhor guia para o sucesso. Atualmente, a China possui mais de 1.000 unidades de diferentes tipos de fornos. Com isso, ela possui grande experiência e aprendizados valiosos. A gaseificação do carvão é a técnica chave para a conversão limpa do carvão em outros produtos. A escolha de métodos eficazes, estáveis e econômicos para essa transformação é fundamental para o sucesso dos projetos. O sucesso na aplicação da tecnologia de gaseificação com paredes de resfriamento a água para a mistura água-carvão abriu um caminho inovador para o uso sustentável dos ricos recursos de carvão de alta qualidade. Isso fortaleceu significativamente a posição e a influência do nosso país no campo da gaseificação de carvão em nível mundial, além de fornecer um suporte técnico eficaz para o uso eficiente e sustentável do próprio carvão.