Technical analysis of Calcium Looping process applied to natural gas power plant

Abstract

The global effort to mitigate greenhouse gas emissions has intensified the development of carbon capture technologies compatible with low-carbon energy systems. In this context, the growing role of natural gas–fired (NG) power plants in the Brazilian energy matrix poses specific challenges for carbon capture due to the low concentration of carbon dioxide (CO2) in their flue gases. Calcium looping (CaL) emerges as a promising alternative; however, no experimental studies addressing Brazilian limestone under NG combustion conditions have been reported to date. This thesis aims to develop a technical assessment of the CaL process applied to natural gas power plants using a Brazilian dolomite as a CaO-based sorbent. The study investigates whether laboratory-scale experimental approaches can establish operational criteria and demonstrate the technical feasibility of CaL under low CO2 concentration conditions. N2 adsorption porosimetry was employed to correlate sorbent pore structure with process performance. An integrated methodology combining thermogravimetric analysis (TGA) and a bench-scale Dual Interconnected Fluidized Bed (DIFB) reactor was adopted. A Rotatable Central Composite Design (RCCD) method was used to optimize and evaluate key experimental parameters in both TGA and DIFB systems. The results demonstrate that Brazilian dolomite exhibits promising carbon capture performance under low CO2 partial pressures, provided that appropriate operational windows are applied. Pore structure analysis revealed a critical pore size range between 30 and 100 Å, governing both initial capture efficiency and cyclic degradation. TGA experiments showed that most of the fast carbonation occurs within the first 2.5 min, whereas longer carbonation times are dominated by diffusion-controlled regimes. Carbonation temperature was identified as the dominant operational parameter, with optimal conditions at 580 °C for 7.5 min and 550 °C for 10 min, yielding IEC10, c values of 1.34 and 1.20, respectively. In the DIFB system, increased elutriation and thermal degradation resulted in lower capture efficiencies, with maximum values on the order of 0.0177 kg CO2/kg CaCO3, indicating that scale-up introduces additional degradation mechanisms not observed in fixed-bed systems. The originality of this thesis lies in the integrated experimental evaluation of CaL under conditions representative of NG combustion using a Brazilian dolomite, a context that remains scarcely addressed in the literature. The combined use of pore structure analysis, TGA, and DIFB provides novel insights into the relationship between sorbent microstructure, operational conditions, and performance degradation, demonstrating that the limitations observed in fluidized bed systems are primarily associated with intrinsic sorbent properties rather than low CO2 concentration. These findings constitute a key contribution of this thesis, as they demonstrate that performance limitations in fluidized bed systems are mainly related to intrinsic sorbent properties rather than low CO2 concentration, while providing a comprehensive analysis of parameter impacts on carbon capture performance and a realistic basis for future studies in pilot-scale reactors and sorbent development.

O esforço global para a mitigação das emissões de gases de efeito estufa tem impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de captura de carbono compatíveis com sistemas energéticos de baixo carbono. Nesse contexto, a crescente participação das usinas termelétricas a GN na matriz energética brasileira impõe desafios específicos à captura de carbono, em razão da baixa concentração de dióxido de carbono (CO2) nos gases de exaustão. O CaL surge como uma alternativa promissora; entretanto, ainda não há estudos experimentais que abordem o uso de calcários brasileiros sob condições de combustão de GN. Esta tese tem como objetivo desenvolver uma análise técnica do processo CaL aplicado a usinas a gás natural, utilizando uma dolomita brasileira como sorvente à base de CaO. O estudo investiga se abordagens experimentais em escala de laboratório são capazes de estabelecer critérios operacionais e demonstrar a viabilidade técnica do CaL sob condições de baixa concentração de CO2. A porosimetria por adsorção de N2 foi empregada para correlacionar a estrutura dos poros do sorvente com o desempenho do processo. Adotou-se uma metodologia integrada combinando análises de TGA e um DIFB em escala de bancada. O método de RCCD foi utilizado para otimizar e avaliar os principais parâmetros experimentais tanto nos ensaios de TGA quanto no sistema DIFB. Os resultados demonstram que a dolomita brasileira apresenta desempenho promissor na captura de carbono sob baixas pressões parciais de CO2, desde que adotadas condições operacionais adequadas. A análise da estrutura dos pores revelou uma faixa crítica de tamanho de poros entre 30,0 e 100,0 Å, a qual governa tanto a eficiência inicial de captura quanto a degradação cíclica do sorvente. Os experimentos em TGA indicaram que a maior parte da carbonatação rápida ocorre nos primeiros 2,5 min, enquanto tempos de carbonatação mais longos são dominados por regimes controlados por difusão. A temperatura de carbonatação foi identificada como o principal parâmetro operacional, com condições ótimas em 580 °C por 7,5 min e 550 °C por 10,0 min, resultando em valores de IEC10, c de 1,34 e 1,20, respectivamente. No sistema DIFB, o aumento da elutriação e da degradação térmica resultou em menores eficiências de captura, com valores máximos da ordem de 0,0177 kg CO2/kg CaCO3, indicando que a ampliação de escala introduz mecanismos adicionais de degradação não observados em sistemas de leito fixo. A originalidade desta tese reside na avaliação experimental integrada do CaL sob condições representativas da combustão de GN, utilizando uma dolomita brasileira, um contexto ainda pouco explorado na literatura. O uso combinado da análise da estrutura porosa, TGA e DIFB fornece novos insights sobre a relação entre a microestrutura do sorvente, as condições operacionais e a degradação de desempenho, demonstrando que as limitações observadas em sistemas de leito fluidizado estão principalmente associadas às propriedades intrínsecas do sorvente, e não à baixa concentração de CO2. Esses resultados constituem uma contribuição relevante desta tese, ao evidenciar que as limitações de desempenho em sistemas de leito fluidizado estão majoritariamente relacionadas às propriedades intrínsecas do sorvente, além de fornecer uma análise abrangente do impacto dos parâmetros operacionais na captura de carbono e uma base realista para estudos futuros em reatores em escala piloto e no desenvolvimento de novos sorventes.