Estudo do processo de difusão de gases em carvões com base em isotérmicas de Langmuir

Tese de Doutoramento apresentada à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Doutror em Ciências da Terra.O abatimento dos Gases com Efeito de Estufa (GEE), designadamente o CO2, é uma necessidade inquestionável do ponto de vista ambiental e, mesmo, económico e social. Considera-se que o armazenamento/sequestração geológica do CO2 é um dos mecanismos que pode contribuir significativamente para o desiderato apontado. Dentre as possibilidades actualmente existentes para promover o armazenamento/sequestração geológica de CO2 o carvão corresponde a um reservatório não-convencional onde é possível promover um depósito seguro e duradouro de CO2. Neste sentido, torna-se fundamental calcular, com exactidão a capacidade de armazenamento neste tipo de reservatórios, assumindo a este respeito importância capital o estudo da difusão de gases no carvão, objectivo central da presente dissertação. A este respeito, foi possível com base em isotérmicas de Langmuir, executadas em condições de simulação de reservatório, o seguinte: 1. Optimizar o cálculo do parâmetro b da equação de difusão, permitindo determinar com elevada exactidão os coeficientes de difusão para os diferentes intervalos de pressão, parâmetro este na base do cálculo da capacidade de armazenamento de um reservatório. Para o efeito, foram calculadas as primeiras e segundas derivadas dos dados relativos aos volumes de gás e efectuou-se a determinação dos pontos de inflexão da curva volume de gás vs tempo. Modelar os dados experimentais em bruto das isotérmicas (CH4, mistura de gases e CO2) utilizando os modelos Weibull modificado e de regressão linear, verificando-se que os dados experimentais dos ensaios com CH4 apresentam na adsorção melhores ajustes que os seus homólogos quer com mistura de gases, quer com CO2, verificando-se o contrário na desorção. 3. Concluir, ao comparar carvões de tipo Gonduana e de tipo Norte-Atlântico que as amostras estudadas revelam um aumento da capacidade de armazenamento e diminuição do coeficiente de difusão com o aumento da pressão, independentemente da sua composição petrográfica e condições genéticas. Contudo, os carvões do tipo Norte-atlânticos patenteiam maior capacidade de armazenamento, independentemente da temperatura de reservatório e do grau de incarbonização e da composição petrográfica do carvão. A folha de cálculo MS Excel combinada com o programa OriginPro Professional Data Analysis and Graphing foram as ferramentas de base utilizadas na aferição da metodologia matemática desenvolvida ao longo do trabalho. Os resultados obtidos têm incidência directa no armazenamento/sequestração geológica de CO2 e, por outro lado, aplicação na exploração de “Metano do Carvão em Camada” (MCC), com ou sem aplicação de tecnologias de recuperação avançada (ECBM). The abatement of Greenhouse gases (GHG), mainly the CO2, represents a crucial need in terms of environment, economics and social aspects. CO2 geological storage/sequestration is considered to be one of the strategies which can significantly contribute to reduce GHG in the atmosphere. Among the current effective possibilities to practice CO2 geological storage/sequestration, coal corresponds to a non-conventional reservoir in which it is possible to establish secure and durable CO2 deposits. In this context, it is mandatory to calculate with accuracy the storage capacity of this type of reservoirs. In this way, it is also obviously crucial to study the gas diffusion process in coals which is the main goal of the present thesis. Based in Langmuir Isotherms simulating the reservoir conditions, the author reached the following achievements: 1. To optimize the calculation of parameter b of the diffusion equation, which enables one to determine with great accuracy the diffusion coefficients in the different pressure intervals. For that purpose, the author calculated the first and second derivatives of data referred to of gas content data and determined the inflection points of the gas volume vs time curve. 2. To model isotherms raw experimental data (pure CH4, mixture of gases, and pure CO2) through Weibull modified model and linear regression approaches. Results enable one to state that CH4 experimental adsorption data shows a best fit adjustment with the model that the ones obtained with gas mixtures and CO2. An inverse phenomenon was verified during desorption. 3. On comparing results obtained from Gondwana and North-Atlantic type coal samples, to conclude that, in all cases, when the pressure increase there exists an increase in the storage capacity and a decrease in the diffusion coefficient, independently of the petrographic composition and genetic conditions.However, North-Atlantic type coals always show greater storage capacity, independently of reservoir temperature and coal rank and petrographic composition. All data treatment has been conducted using MS Excel spreadsheet combined with with OriginPro Professional Data Analysis and Graphing software. In practical terms, all results have a direct application to CO2 storage/sequestration, as well as, to Coalbed methane (CBM) production/exploitation, in this case with or without the use of enhanced production technologies (ECBM)