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II GERA - Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira Emissão de poluentes e tecnologias de controle em caldeiras para bagaço Prof. Dr. Flávio Neves Teixeira Departamento de Ciências Térmicas e Fluídos - DCTEF Universidade Federal de São João del Rei - UFSJ

II GERA - Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na ... · Emissão de poluentes e tecnologias de controle em caldeiras para bagaço Prof. Dr. Flávio Neves Teixeira Departamento

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II GERA - Workshop de Gestão de Energia e Resíduos na Agroindústria Sucroalcooleira

Emissão de poluentes e tecnologias de controle em caldeiras para bagaço

Prof. Dr. Flávio Neves TeixeiraDepartamento de Ciências Térmicas e Fluídos - DCTEFUniversidade Federal de São João del Rei - UFSJ

Motivação

a)- A recente legislação ambiental brasileira, com a tendência de incorporar padrões de emissão para a poluição atmosférica somente alcançados com a implantação de tecnologias de prevenção e controle de poluentes;

b)- A escassa literatura técnico-científica no que se refere aos dados de concentração de óxidos de nitrogênio (NOx) e material particulado (MP) emitidos nas chaminés das caldeiras que queimam bagaço;

Motivação

c)- A necessidade de avaliação dos principais parâmetros operacionais da caldeira, a fim de se conhecer as variáveis que mais influenciam na formação de poluentes gasosos;

d)- A necessidade de avaliação técnico-econômica dos sistemas de remoção de poluentes, procurando levantar os principais parâmetros de operação que influenciam na análise de custo&benefício.

Objetivos

a)- Fazer um levantamento bibliográfico sobre a caracterização e controle das emissões de NOx e MP em caldeiras que queimam bagaço (biomassa);

b)- Medição e avaliação dos dados de emissão de particulados e poluentes gasosos em caldeiras a bagaço, visando determinar os fatores que maior influência têm sobre a formação dos mesmos;

c)- Modelagem e definição de critérios de seleção de tecnologias para o controle de NOx e MP em caldeiras para bagaço, baseado em modelagens da literatura técnica;

d)- Desenvolvimento de um software para a seleção e avaliação técnico-econômica de sistemas de controle da emissão de NOx e MP em caldeiras para bagaço;

e)- Estudos de casos.

Principais poluentes atmosféricos

PADRÕES DE EMISSÃO

Proposta de emissão particulados para caldeiras a bagaço: 120 mg/Nm3 (CETESB)

Até 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) - Não serão permitidas instalações de novas fontes fixas deste porte, nesta área; (2) - refere-se a óleo combustível; (3) - refere-se a carvão mineral; PT - Partículas Totais.

BRASIL (CONAMA 008/90)

PADRÕES DE EMISSÃO DO ESTADO DO PARANÁ (SEMA/2002)

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

Tabela 3- Padrões nacionais de qualidade do ar(Resolução CONAMA 003/90).

100100MAA (3)Quimioluminescência

1903201 hora (1)Dióxido de nitrogênio

5050MAA (3)

Separação inercial/filtração

15015024 horas (1)

Partículas inaláveis

4060MAA (3)Refletância

10015024 horas (1)

Fumaça

Quimioluminescência1601601 hora (1)Ozônio

10.00010.0008 horas (1)

Infravermelho não dispersivo

40.00040.0001 hora (1)Monóxido de carbono

4080MAA (3)Pararosanilina

10036524 horas (1)

Dióxido de enxofre

6080MGA (2)

Amostrador de grandes volumes

15024024 horas (1)Partículas totais em suspensão

Método de medição (4)Padrão

secundário (µg/m3)

Padrão primário (µg/m3)

Tempo de amostragemPoluentes

(1) Não deve ser excedido mais que urna vez ao ano, (2) Média geométrica anual, (3) Média aritmética anual; (4) Os Métodos de Referência de amostragem e análise de poluentes descritos são aqueles aprovados pelo INMETRO. Pode-se adotar Métodos Equivalentes a estes, desde que aprovados pelo IBAMA.

Óxidos de nitrogênio - Formação

Os NOx podem se formar a partir do N2 do ar e a partir do N2 do combustível, em dependência dos seguintes fatores: temperatura do núcleo da chama; tempo de permanência; conteúdo de N2 no combustível e parâmetros de operação (excesso de ar).

A partir do N 2 do ar

NO X A partir do N 2 do com bustível

NO X “térm icos” NO X “rápidos”

NO X “com bustível”

Classificação dos óxidos de nitrogênio de acordo com o mecanismo de formação e a temperatura de queima (Nussbaumer, 1998)

Há diferentes opiniões na literatura com relação ao mecanismo predominante de formação de NOX durante a combustão de biomassa. A maioria destas referências consideram o mecanismo “combustível” como o principal.

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

Nussbaumer (1993) estudou a emissão de NOx durante a combustão de lenha e concluiu que a temperatura de combustão não tem uma influência principal nas emissões de NOx, e que a influência do %N2 no combustível é significante.

Grass e Jenkins (1994), sugere que a contribuição do mecanismo térmico provavelmente é sobreestimada, e que o mecanismo rápido pode também constituir uma fração significante das emissões de óxido de nitrogênio.

NOX - Métodos de Controlea)- Substituição do combustível;b)- Controle da combustão (modificações processo/condições de

operação): redução da temperatura máxima na zona de combustão; redução do tempo de residência do gás na zona de alta temperatura; redução da concentração de O2 na zona de combustão;

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

Custos relacionados ao controle de NOX

Medições: Usina Monte Alegre

Influência dos parâmetros de operação da caldeira na formação 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

'

Medições: Usina Monte Alegre

Influência da concentração de O2 na formação de NOX

Medições: Usina Barra Grande

Valores de concentração de NOx medidos e corrigidos para as condições padrões - 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

Medições: Usina Barra Grande

Valores de concentração de NOx medidos e corrigidos para as condições padrões - 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

Medições: Usina Barra Grande

Valores de concentração de NOx medidos e corrigidos para as condições padrões - 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

Relação entre a formação de NOx e a de CO para valores decrescentes de excesso de ar.

Usina Barra Grande – Análise da dispersão

Dispersão NOx [µg/Nm3]

0

50

100

150

200

250

300

350

100 200 300 400 500 600 700 800

distância [m]A B C D E F

Dispersão NOx [µg/Nm3]

0

100

200

300

400

500

600

100 200 300 400 500 600 700 800

distância [m]A B C D E F

10% Excesso de ar 30% Excesso de ar

Material ParticuladoConsidera-se como material particulado qualquer

substância, à exceção da água pura, que existe como líquido ou sólido na atmosfera e tem dimensões microscópicas ou submicroscópicas, porém maiores que as dimensões moleculares.

Os equipamentos mais utilizados para o seu controle são:

• coletores mecânicos (ciclones e multiciclones);• separadores úmidos (lavadores de gás - scrubbers);• filtros de mangas;• precipitadores eletrostáticos.

Eficiência / Consumo de energia / Custo de investimento e tratamento / Natureza física e química dos particulados / Periculosidade (incêndios e explosões)

Medições 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 [µm]AcumuladoWi [per m]

Ciclone & Multiciclones

( ) 3c

3cc3

23cc

2b

2aelet

.

2c

3totgasgasH2

c

3ccba1

tot,an DDNK

DNKKW2

DmNtKD

DNKKKC

⋅⋅+

⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅ρ⋅⋅⋅+

⋅⋅⋅⋅=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎥⎥

⎢⎢

⋅⋅τ⋅⋅

⋅−−=η2M

3cc

i,totgas.

i DNMmK2exp1

0K2K3

DK2

KD

*2

*32

c*2

*15

c =⋅

⋅−

⋅−

Lavador tipo ventury

Lavadores de gás tipo venturi

Os principais parâmetros de medida do desempenho de lavadores de gás são o valor de sua perda de carga (que define os requerimentos de potência elétrica, sendo uma função da velocidade do gás) e a relação líquido/gás (utilizada para se determinar a eficiência de coleção e perda de carga).

As restrições para estes valores adotadas forma tomadas de recentes trabalhos, cujos valores são:

- Relação líquido/gás: 0,5 a 5 [l/m3] = 2,04- Velocidade na garganta do venturi: [40 a 150 m/s] = 40- Concentração de partículas na saída: 120 mg/Nm3

Estudo de caso - Particulado

Este trabalho apresenta a aplicação de uma metodologia que permite avaliar multiciclones e lavadores de gás tipo venturi sob o ponto de vista técnico-econômico:

Determina-se a eficiência final de remoção de partículas, os custos de instalação e operação e, finalmente, o custo do tratamento de 1 m3 de gás.

a)- Multicicloneb)- Lavador tipo venturic)- Multiciclone combinado a um lavador tipo venturi

Distribuição granulométricai [% m] Acumulado dpi [µm] 7,0 7,0 3,0 7,5 14,5 4,0 13,0 27,5 7,5 16,0 43,5 15,0 12,0 55,5 25,0 8,0 63,5 35,0 7,0 70,5 45,0 3,0 73,5 55,0 2,0 75,5 65,0 5,0 80,5 75,0 2,0 82,5 85,0 2,0 84,5 95,0 15,5 100,0 100,0

0 %

1 0 %

2 0 %

3 0 %

4 0 %

5 0 %

6 0 %

7 0 %

8 0 %

9 0 %

1 0 0 %

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0

d p i [ m ic r o n s ]%

acu

mul

ado

Multiciclones tipo Swift

0

300

600

900

1200

1500

1800

0 20 40 60 80 100

dp [microns]

[mg/Nm3]

Concentração in Concentração out

Lavador venturi

0

300

600

900

1200

1500

1800

0 20 40 60 80 100

dp [microns]

[mg/Nm3]

Concentração in Concentração out

Distribuição granulométrica

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 20 40 60 80 100 120

Dpi [microns]

Acc

umul

ated

per

cent

age

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 20 40 60 80 100 120

Dpi [microns]

Con

cent

ratio

n [m

g/N

m3]

Cin [mg/Nm3] Cout [mg/Nm3]

Concentrações de entrada e saída para multiciclones

Cin = 5.000 mg/Nm3Cout = 427 mg/Nm3Eficiência global = 91,5 %

Concentrações de entrada e saída para multiciclones / lavador venturi

Cin = 5.000 mg/Nm3Cout/Cin = 427 mg/Nm3Cout = 200 mg/Nm3

Concentrações de entrada e saída para lavador venturi

Cin = 5.000 mg/Nm3Cout = 200 mg/Nm3Eficiência global = 96 % 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 20 40 60 80 100 120

Dpi [microns]

Con

cent

ratio

n [m

g/N

m3]

Cin [mg/Nm3] Cout [mg/Nm3]

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0

Dpi [microns]

Con

cent

ratio

n [m

g/N

m3]

Cin [mg/Nm3] Cinterm [mg/Nm3] Cout [mg/Nm3]

Resultados

CONCLUSÕES

Do ponto de vista ambiental, a geração de eletricidade a partir da biomassa canavieira apresentam muitas vantagens. Porém precisa-se da implementação de tecnologias de prevenção e controle das emissões de partículas e poluentes gasosos decorrentes.

CONCLUSÕES - NOx

A concentração de NOx em caldeiras a bagaço dependem predominantemente do excesso de ar. Sendo a dependência da carga fraca, isto confirma a predominância a partir do nitrogênio do combustível.

y = 39,096Ln(x) + 189,09R2 = 0,5546

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Excesso de ar

NOx [ppm]

CONCLUSÕES - NOx

A operação com baixos valores de excesso de ar pode constituir um efetivo método de controle, observando as limitações relacionadas com a eficiência de combustão.

Redução da emissão de NOx [%]

y = 0,787x + 0,0803R2 = 0,8255

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Variação % do coef. exc. ar

CONCLUSÕES - NOx

A região abrangido por valores de concentração acima de 320 µg/Nm3 torna muito maior, devendo ser evitada esta condição de operação para as estabilidades A, B, C e D

Dispersão

A pior condição ocorre para a estabilidade “A” e a 300 m de distância (670 µg/Nm3). Para este caso precisaria de um sistema de controle com aproximadamente 52% de eficiência.

Não há restriçãoConcentração

50%

Para as estabilidades A, B, C, D o limite éultrapassado para as distâncias de “x” entre 150 e 450 m, 250 e 700 m, 350 e 1200 m, 800 e 1500 m, respectivamente.

Dispersão

A pior condição ocorre para a estabilidade “A” e a 300 m de distância (610 µg/Nm3). Para este caso precisaria de um sistema de controle com aproximadamente 48% de eficiência.

Não há restriçãoConcentração

40%

Para as estabilidades A, B, C, D o limite éultrapassado para as distâncias de “x” entre 150 e 450 m, 250 e 700 m, 350 e 1200 m, 800 e 1100 m, respectivamente.

Dispersão

A pior condição ocorre para a estabilidade “A” e a 300 m de distância (530 µg/Nm3). Para este caso precisaria de um sistema de controle com aproximadamente 40% de eficiência.

Não há restriçãoConcentração

30%

Para as estabilidades A, B, C o limite é ultrapassado para as distâncias de “x” entre 200 e 400 m, 250 e 600 m, 400 e 1000 m, respectivamente.

Dispersão

A pior condição ocorre para a estabilidade “A” e a 300 m de distância (430 µg/Nm3). Para este caso precisaria de um sistema de controle com aproximadamente 26% de eficiência.

Não há restriçãoConcentração

20%

Não há restriçãoDispersão

Não se ultrapassa o valor de 320 µg/Nm3Não há restriçãoConcentração10%

RecomendaçãoComentárioExcessode ar

CONCLUSÕES - MP

a)- A concentração de partículas nos gases de exaustão das caldeiras que queimam bagaço apresentam valores de concentração na faixa de 400 a 600 mg/Nm3 quando se empregam multiciclones e 100 e 200 mg/Nm3

quando se empregam lavadores de gás.

b)- A combinação de multiciclones e lavadores de gás deve ser avaliada através de uma análise técnico-econômica com relação à distribuição granulométrica. Para “aerossóis finos” o lavador pode ser a melhor opção enquanto que “aerossóis grossos” o controle combinado pode resultar ser mais econômico.