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.
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.
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 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
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)
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]
( ) 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 =⋅
⋅−
⋅−
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]
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.