II GERA - Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na ...· Emissão de poluentes e tecnologias

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II GERA - Workshop de Gesto de Energia e Resduos na Agroindstria Sucroalcooleira

Emisso de poluentes e tecnologias de controle em caldeiras para bagao

Prof. Dr. Flvio Neves TeixeiraDepartamento de Cincias Trmicas e Fludos - DCTEFUniversidade Federal de So Joo del Rei - UFSJ

Motivao

a)- A recente legislao ambiental brasileira, com a tendncia de incorporar padres de emisso para a poluio atmosfrica somente alcanados com a implantao de tecnologias de preveno e controle de poluentes;

b)- A escassa literatura tcnico-cientfica no que se refere aos dados de concentrao de xidos de nitrognio (NOx) e material particulado (MP) emitidos nas chamins das caldeiras que queimam bagao;

Motivao

c)- A necessidade de avaliao dos principais parmetros operacionais da caldeira, a fim de se conhecer as variveis que mais influenciam na formao de poluentes gasosos;

d)- A necessidade de avaliao tcnico-econmica dos sistemas de remoo de poluentes, procurando levantar os principais parmetros de operao que influenciam na anlise de custo&benefcio.

Objetivos

a)- Fazer um levantamento bibliogrfico sobre a caracterizao e controle das emisses de NOx e MP em caldeiras que queimam bagao (biomassa);

b)- Medio e avaliao dos dados de emisso de particulados e poluentes gasosos em caldeiras a bagao, visando determinar os fatores que maior influncia tm sobre a formao dos mesmos;

c)- Modelagem e definio de critrios de seleo de tecnologias para o controle de NOx e MP em caldeiras para bagao, baseado em modelagens da literatura tcnica;

d)- Desenvolvimento de um software para a seleo e avaliao tcnico-econmica de sistemas de controle da emisso de NOx e MP em caldeiras para bagao;

e)- Estudos de casos.

Principais poluentes atmosfricos

PADRES DE EMISSO

Proposta de emisso particulados para caldeiras a bagao: 120 mg/Nm3 (CETESB)

At 70 MW Acima de 70 MW PT [g/GJ] SO2 [g/GJ] PT [g/GJ] SO2 [g/GJ] Classe I 28,7 477,7 (1) (1)

83,6 (2) 1.194,2 28,7 (2) 477,7 Classes II e III 358,3 (3) 1.194,2 191,1 (3) 477,7 (1) - No sero permitidas instalaes de novas fontes fixas deste porte, nesta rea; (2) - refere-se a leo combustvel; (3) - refere-se a carvo mineral; PT - Partculas Totais.

BRASIL (CONAMA 008/90)

PADRES DE EMISSO DO ESTADO DO PARAN (SEMA/2002)

Caldeira: 150 t/h; 64 bar/ 520 C; 85% efic: ~ 130 MW

Tabela 3- Padres nacionais de qualidade do ar(Resoluo CONAMA 003/90).

100100MAA (3)Quimioluminescncia

1903201 hora (1)Dixido de nitrognio

5050MAA (3)Separao inercial/filtrao

15015024 horas (1)Partculas inalveis

4060MAA (3)Refletncia

10015024 horas (1)Fumaa

Quimioluminescncia1601601 hora (1)Oznio

10.00010.0008 horas (1)Infravermelho no dispersivo

40.00040.0001 hora (1)Monxido de carbono

4080MAA (3)Pararosanilina

10036524 horas (1)Dixido de enxofre

6080MGA (2)Amostrador de grandes volumes

15024024 horas (1)Partculas totais em suspenso

Mtodo de medio (4)Padro

secundrio (g/m3)

Padro primrio (g/m3)

Tempo de amostragemPoluentes

(1) No deve ser excedido mais que urna vez ao ano, (2) Mdia geomtrica anual, (3) Mdia aritmtica anual; (4) Os Mtodos de Referncia de amostragem e anlise de poluentes descritos so aqueles aprovados pelo INMETRO. Pode-se adotar Mtodos Equivalentes a estes, desde que aprovados pelo IBAMA.

xidos de nitrognio - Formao

Os NOx podem se formar a partir do N2 do ar e a partir do N2 do combustvel, em dependncia dos seguintes fatores: temperatura do ncleo da chama; tempo de permanncia; contedo de N2 no combustvel e parmetros de operao (excesso de ar).

A partir do N 2 do ar

NO X A partir do N 2 do com bustvel

NO X trm icos NO X rpidos

NO X com bustvel

Classificao dos xidos de nitrognio de acordo com o mecanismo de formao e a temperatura de queima (Nussbaumer, 1998)

H diferentes opinies na literatura com relao ao mecanismo predominante de formao de NOX durante a combusto de biomassa. A maioria destas referncias consideram o mecanismo combustvel como o principal.

Sigal (1988) considera uma faixa de baixas temperaturas de chama (900 - 1300 C) para eliminar a formao de NOX trmico.

Nussbaumer (1993) estudou a emisso de NOx durante a combusto de lenha e concluiu que a temperatura de combusto no tem uma influncia principal nas emisses de NOx, e que a influncia do %N2 no combustvel significante.

Grass e Jenkins (1994), sugere que a contribuio do mecanismo trmico provavelmente sobreestimada, e que o mecanismo rpido pode tambm constituir uma frao significante das emisses de xido de nitrognio.

NOX - Mtodos de Controlea)- Substituio do combustvel;b)- Controle da combusto (modificaes processo/condies de

operao): reduo da temperatura mxima na zona de combusto; reduo do tempo de residncia do gs na zona de alta temperatura; reduo da concentrao de O2 na zona de combusto;

c)- Tratamento do gs efluente: SCR e SNCR.

Custos relacionados ao controle de NOX

Medies: Usina Monte Alegre

Influncia dos parmetros de operao da caldeira na formao de NOX para as faixas avaliadas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5

Air e

xces

s co

effic

ient

[%],

Stea

m fl

ow [t

/h]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

NO

x [m

g/N

m3]

Air excess Steam flow Measured NOx

'

Medies: Usina Monte Alegre

Influncia da concentrao de O2 na formao de NOX

Medies: Usina Barra Grande

Valores de concentrao de NOx medidos e corrigidos para as condies padres - caldeira 1 (27/10/2004)

3

23

43

63

83

103

123

143

163

183

203

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

NO

x [m

g/N

m3]

, NO

x [p

pm]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

O2[

%],

Exc

Ar [

-]

NOx [ppm] NOx [mg/Nm3] Exc Ar O2

Medies: Usina Barra Grande

Valores de concentrao de NOx medidos e corrigidos para as condies padres - caldeira 2 (24/11/2004)

60

80

100

120

140

160

180

200

220

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101

NO

x [m

g/N

m3]

, NO

x [p

pm]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

O2

[%],

Exc

ar [-

]

NOx [ppm] NOx [mg/Nm3] Exc Ar O2

Medies: Usina Barra Grande

Valores de concentrao de NOx medidos e corrigidos para as condies padres - caldeira 3 (29/10/2004)

60

80

100

120

140

160

180

200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Car

ga [t

/h],

NO

x [m

g/N

m3]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Exc

ar [%

]

NOx [ppm] NOx [mg/Nm3] Exc Ar O2

Relao entre a formao de NOx e a de CO para valores decrescentes de excesso de ar.

Usina Barra Grande Anlise da disperso

Disperso NOx [g/Nm3]

0

50

100

150

200

250

300

350

100 200 300 400 500 600 700 800

distncia [m]A B C D E F

Disperso NOx [g/Nm3]

0

100

200

300

400

500

600

100 200 300 400 500 600 700 800

distncia [m]A B C D E F

10% Excesso de ar 30% Excesso de ar

Material ParticuladoConsidera-se como material particulado qualquer

substncia, exceo da gua pura, que existe como lquido ou slido na atmosfera e tem dimenses microscpicas ou submicroscpicas, porm maiores que as dimenses moleculares.

Os equipamentos mais utilizados para o seu controle so:

coletores mecnicos (ciclones e multiciclones); separadores midos (lavadores de gs - scrubbers); filtros de mangas; precipitadores eletrostticos.

Eficincia / Consumo de energia / Custo de investimento e tratamento / Natureza fsica e qumica dos particulados / Periculosidade (incndios e exploses)

Medies MP - Usina Colombo (28 e 29/10/2002)

Impactador em cascata

100,0100,015,595,084,52,085,082,52,075,080,55,065,075,52,055,073,53,045,070,57,035,063,58,025,055,512,015,043,516,07,527,513,04,014,57,53,07,07,0

dpi [m]AcumuladoWi [per m]

Ciclone & Multiciclones

( ) 3c3cc3

23cc

2b

2aelet

.

2c

3totgasgasH2

c

3ccba1

tot,an DDNK

DNKKW2

DmNtKD

DNKKKC

+

+

=

=2M

3cc

i,totgas.

i DNMmK2exp1

0K2K3

DK2

KD

*2

*32

c*2

*15

c =

Lavador tipo ventury

Lavadores de gs tipo venturi

Os principais parmetros de medida do desempenho de lavadores de gs so o valor de sua perda de carga (que define os requerimentos de potncia eltrica, sendo uma funo da velocidade do gs) e a relao lquido/gs (utilizada para se determinar a eficincia de c