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A geração de energia a carvão para produção industrial de vapor enfrenta desafios únicos na navegação pela supervisão regulatória em relação ao impacto ambiental. A combustão do carvão gera poluentes atmosféricos, como matéria particulada fina, dióxido de enxofre (SO2) e óxidos de nitrogênio (NOx), que são caros para remover das emissões de gás de combustão. Além disso, a combustão do carvão emite mais dióxido de carbono do que qualquer outra fonte de combustível. Ela também gera quantidades substanciais de cinzas inferiores e cinzas volantes, que são frequentemente misturadas com água e posteriormente depositadas em um ou mais lagos de retenção espalhados por todo o país. O lixiviado de lagoas de cinzas, que contêm metais pesados e metaloides, levou à contaminação de suprimentos de água de superfície e subterrânea. Consequentemente, há esforços em andamento em muitos locais para drenar e desativar lagoas de cinzas.
Muitas usinas a carvão continuam em operação, particularmente na Ásia. Os defensores da captura e sequestro de carbono (CCS) mantêm que o carvão continua sendo um combustível viável para caldeiras, principalmente devido à capacidade do CCS de remover e armazenar CO2 subterrâneo, minimizando a liberação de dióxido de carbono. Consequentemente, este capítulo examina os principais aspectos da química do lado do fogo da caldeira e os processos que liberam impurezas durante a combustão do carvão. Além disso, este capítulo explora possíveis métodos de controle para minimizar a descarga de poluentes da substituição fóssil primária do carvão, o gás natural.
O carvão é uma matéria vegetal comprimida que é transformada em um material de alto carbono ao longo de milhões de anos. Idade, tipo de vegetação e localização da formação do depósito são fatores significativos na qualidade de um depósito de carvão.4
A vegetação que morre em solo sólido se decompõe através de processos atmosféricos em dióxido de carbono e água. No entanto, quando a vegetação morre em um pântano, ocorre um processo muito diferente. Primeiro, os micro-organismos consomem hidrogênio e oxigênio, o que aumenta o teor de carbono. Esse mecanismo, conhecido como a fase bioquímica da coalificação, é autolimitante, pois a ação bacteriana gera compostos orgânicos que eventualmente se tornam letais para os próprios organismos. Com o tempo, a matéria parcialmente decomposta se sobrepõe por outro material, incluindo mais vegetação e solo. Esse processo produz dois efeitos principais: Ele coloca o material sob pressão crescente e move os depósitos mais profundamente para o subsolo, onde as temperaturas são mais quentes.4
A combinação de pressão e calor causa perda adicional de oxigênio e hidrogênio na fase geoquímica da coalificação. Os resultados são ilustrados na Tabela 1, que mostra a composição química primária da madeira até o carvão mais maduro, o antracito.4
Tabela 5-1 – Concentrações gerais de carbono, hidrogênio e oxigênio de vários carvões e precursores (Fonte: Referência 2)
|
Composição por % em peso (base seca e livre de cinzas) |
|||
|
Material |
Carbono |
Hidrogênio |
Oxigênio |
|
Madeira |
49 |
7 |
44 |
|
Turfa |
60 |
6 |
34 |
|
Lignite |
70 |
5 |
25 |
|
Subbituminosa |
75 |
5 |
20 |
|
Bituminoso |
85 |
5 |
10 |
|
Antracito |
94 |
3 |
3 |
Geralmente, o teor de carbono aumenta à medida que o carvão amadurece.
Os carboidratos complexos dentro da vegetação são construídos a partir dos açúcares e amidos produzidos pela planta através da fotossíntese.5 Durante o processo de coalificação, alguns compostos metamorfose a moléculas orgânicas de baixo peso não ligadas à estrutura principal do carvão. Os compostos orgânicos menores, conhecidos como voláteis, vaporizam à medida que as temperaturas aumentam. Compostos voláteis são progressivamente expelidos durante a coalificação, resultando em carvões de maior maturidade exibindo um conteúdo reduzido de matéria volátil.6
A idade nem sempre é o principal fator na maturidade do carvão, pois a pressão e a temperatura são frequentemente mais importantes. Carvões enterrados em profundidade e localizados em locais de alta temperatura, como uma região de atividade vulcânica, amadurecem a uma taxa mais rápida do que carvões mais antigos submetidos a menos calor e pressão.
Tabela 5-2 – Classificação do carvão por classificação. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
A Tabela 5-3 mostra as principais propriedades de alguns carvões selecionados dos EUA.
Tabela 5-3 – Propriedades de 16 carvões dos EUA Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
Esta tabela descreve algumas características notáveis das formas distintas de carvão. Exemplos incluem:
Embora a geração mundial de energia a carvão esteja em declínio, os efeitos residuais da tecnologia permanecem. A maior preocupação é mitigar os impactos de materiais potencialmente tóxicos armazenados em lagoas de cinzas e águas residuais de dessulfurização de gás de combustão úmida (WFGD). De onde se originam essas impurezas do carvão?
Embora certas impurezas se acumulem durante a fase de crescimento da planta, muitas se originam de fontes externas, que são fortemente influenciadas pela localização geográfica e pelas condições ambientais durante a formação do carvão. O nitrogênio ligado ao combustível é o principal contribuinte para a formação de óxidos de nitrogênio (NOx) durante a combustão. Como o ar (que contém 78% de nitrogênio elementar (N2)) é usado para combustão, o NOx é formado através da reação de N2 e O2 no forno. No entanto, esse processo normalmente produz menos NOx em comparação com aquele originado do nitrogênio ligado ao combustível.
A turfa exibe um alto teor de umidade. No entanto, mesmo em carvões maduros, como betuminosos, muitas rachaduras e fendas permitem a passagem de água, a principal fonte de impurezas. Acredita-se que o sulfeto de ferro (FeS2), uma impureza comumente encontrada, tenha se originado de pântanos inundados com água salobra contendo sulfatos. A decomposição bacteriana anaeróbica de sulfatos resultou na formação de sulfetos, que subsequentemente foram combinados com ferro. O FeS2 está entre as impurezas mais problemáticas em muitos carvões betuminosos. Muitas vezes, a lavagem física é empregada para reduzir as concentrações de pirita antes do transporte de carvão para a usina.
O solo, como muitos minerais naturais, consiste em silicatos metálicos complexos. Como resultado, quase todos os carvões contêm quantidades significativas de silício e alumínio. Se o carvão estiver localizado próximo a depósitos de calcário, cálcio e magnésio também podem atingir proporções relativamente altas. Alguns dos minerais comuns encontrados no carvão estão descritos abaixo.
Tabela 5-4 – Minerais comuns em carvão (retirado da referência 3)
|
Composto |
Fórmula |
|
Kaolinite |
Al2O3∙2SiO2∙H2O |
|
Ilítea |
K2O∙3Al2O3∙6SiO2∙2H2O |
|
Muscovite |
K2O∙3Al2O3∙6SiO2∙2H2O |
|
Biotite |
K2O∙MgO∙Al2O3∙3SiO2∙H2O |
|
Orthoclase |
K2O∙Al2O3∙6SiO2 |
|
Albite |
Na2O∙Al2O3∙6SiO2 |
|
Calcite |
CaCO3 |
|
Dolomita |
CaCO3∙MgCO3 |
|
Siderite |
FeCO3 |
|
Pirito |
FeS2 |
|
Gesso |
CaSO4∙2H2O |
|
Hematite |
Fe2O3 |
|
Magneta |
Fe3O4 |
|
Rutilo |
TiO2 |
|
Halite |
NaCl |
|
Sylvite |
KCl |
A produção de cinzas em larga escala adiciona complexidade à combustão do carvão. Os minerais listados na tabela acima, bem como outros, possuem pontos de fusão distintos que são afetados quando esses minerais são combinados. Assim, no auge da construção de caldeiras a carvão em meados do século XX, o projeto e o tamanho das caldeiras foram baseados no tipo de carvão a ser queimado e nas características das cinzas resultantes. Dependendo da combinação de minerais, as cinzas podem exibir química ácida ou básica, o que influencia a incrustação e corrosão da lareira.
Os três tipos mais comuns de caldeiras de carvão para geração de energia foram o projeto ciclone, acionado na parede, acionado tangencialmente por scrand (acionado em T). Em caldeiras de ciclone, o carvão é moído em tamanho de pedrinhas e injetado nos barris de ciclone, a localização da combustão primária. A maior parte das cinzas (até 80% em algumas unidades ciclone) é batida no estado derretido a partir do fundo da caldeira, apropriadamente chamada de cinza inferior. Esta cinza deve ser suprimida com água antes da remoção da caldeira. Caldeiras acionadas por parede e em T utilizam moagem de carvão pulverizado em pó fino. A combustão nessas unidades ocorre diretamente dentro do forno principal. Até 80% das cinzas saem como cinzas moscas, com as cinzas inferiores restantes removidas como um sólido.
As exigências para reduzir as emissões de dióxido de enxofre levaram a dificuldades imprevistas que assolaram muitas das unidades de carvão betuminoso no século passado. Em algumas plantas, lavadoras úmidas (e ocasionalmente secas) foram instaladas para remover dióxido de enxofre (SO2). No entanto, em muitas instalações, a administração da planta optou por uma estratégia alternativa, fazendo a transição de carvões betuminosos de alto teor de enxofre para carvões da Bacia do Rio do Pó (PRB) de baixo teor de enxofre. Como resultado, isso se tornou uma grande fonte de negócios para as principais ferrovias ocidentais, que começaram a transportar milhões de toneladas de carvão para usinas de energia do Centro-Oeste e Leste.
Entretanto, a mudança para o carvão PRB em caldeiras projetadas para carvão betuminoso teve um custo significativo. Além das distâncias de transporte muito mais longas, a questão principal surgiu da mudança nas características das cinzas. As cinzas PRB passam de uma fase sólida para uma fase completamente fundida em uma faixa de temperatura estreita, enquanto a mudança é mais gradual para carvões betuminosos. Além disso, embora o teor de cinzas do carvão PRB seja relativamente baixo, a porcentagem de cálcio é maior. Esses fatores, e outros, causaram problemas graves de escória em muitas unidades projetadas por betuminosas, e o emprego de empresas especializadas para detonar depósitos duros com dinamite não foi incomum.
Embora o carvão seja derivado dos restos biológicos e quimicamente alterados da vida vegetal terrestre, o petróleo se origina dos restos de organismos marinhos. Nesse processo, criaturas marinhas enterradas com lama e lodo se decompõem sob temperatura e pressão para produzir depósitos orgânicos. Neste caso, no entanto, a composição distinta de organismos marinhos, em oposição à vegetação, resulta na formação de moléculas orgânicas menores que são subsequentemente liquefeitas. Muitas vezes, o líquido foi filtrado através de formações rochosas e coletado em bolsões. Esses bolsões foram as fontes dos “sangueiros” que os projetistas americanos já encontraram nos Estados Unidos e ainda podem ser encontrados em outras áreas do mundo. Em outros casos, o petróleo ficou preso dentro de formações sedimentares e permaneceu difícil de extrair até o desenvolvimento da tecnologia de fraturamento hidráulico.
A Tabela 5 descreve algumas propriedades básicas dos óleos combustíveis.
Tabela 5-5 – Faixas de especificação do óleo combustível. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company Company.
Como é evidente, os óleos tornam-se mais densos e mais viscosos movendo-se do no 1 para o no 6. O óleo combustível no 2 é um combustível comum para o desligamento e aquecimento de caldeiras a carvão.
O gás natural é comumente encontrado em compartimentos independentes ou associado a campos de petróleo ou carvão. Mais recentemente, o desenvolvimento de fraturamento hidráulico horizontal, ou “fraking”, abriu muitos depósitos grandes adicionais de gás natural e petróleo que anteriormente estavam presos em sedimentos de xisto. O componente principal do gás natural é o metano (CH4), embora, como ilustra a Tabela 5-6, outros hidrocarbonetos possam estar presentes, mais notavelmente o etano (C2H6), que é o próximo composto na série de alcanos.
Tabela 5-6 – Composição de vários suprimentos de gás natural. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
O gás natural tornou-se o principal combustível fóssil para a produção de energia, pois é fácil de manusear, tem uma infraestrutura de tubulação instalada, queima de forma limpa e produz menos poluentes do que outros combustíveis. Dos combustíveis fósseis primários, o gás natural tem o maior valor de aquecimento por unidade de peso. Isso, juntamente com o grande aumento nos suprimentos produzidos pelo fraturamento, levou à proliferação de unidades de energia de ciclo combinado, algumas das quais operam acima de 60% de eficiência líquida. Como o gás natural é um combustível limpo entregue, os produtos de combustão (cinzas, escórias) são inexistentes.
Subprodutos da combustão sólida são frequentemente acompanhados por seu próprio conjunto de dificuldades. Por exemplo, os projetos de fornos podem ser baseados exclusivamente em considerações de transferência de calor na ausência de cinzas3. Os minerais inorgânicos presentes no combustível não queimam durante o processo de combustão. Consequentemente, eles são expelidos da caldeira ou se acumulam nas superfícies internas da caldeira. Em geral, as usinas de carvão são projetadas em torno de características de cinzas e requisitos de remoção.
A Tabela 5-7 descreve análises adicionais de combustíveis de carvões nos Estados Unidos e, para a discussão nesta seção, ilustra a química de cinzas desses carvões.
Tabela 5-7
Propriedades Adicionais de Carvões dos EUA Incluindo Composição de Cinzas
Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
Os dados revelam vários detalhes interessantes.
Primeiro, o teor de cinzas dos dois carvões subbitumenosos ocidentais é menor do que o de todos os outros carvões, embora o menor teor de cinzas não indique necessariamente menos incrustação.
Em segundo lugar, todos os carvões contêm quantidades significativas de sílica e alumínio, que vêm dos complexos aluminossilicatos que compõem grande parte da crosta terrestre.
Em terceiro lugar, há o teor variável de ferro, os metais alcalinos sódio e potássio e os metais alcalino-terrosos cálcio e magnésio. Elas influenciam significativamente as temperaturas de fusão de cinzas e outras propriedades, que influenciam a escória e a incrustação.
Quatro são as concentrações variáveis de enxofre. Separadas da poluição do ar, os compostos de enxofre desempenham um papel direto na corrosão do tubo da caldeira.
Os constituintes das cinzas são todos relatados como óxidos. Este é o método padrão para relatar análises de cinzas, mas, conforme mostrado na Tabela 5-5, os minerais originais são tipicamente mais complexos. Um item inicial a ser observado na Tabela 5-6 é a definição de cinzas betuminosas e ligníticas. As cinzas betuminosas têm uma concentração mais elevada de óxido férrico do que os óxidos de cálcio e magnésio combinados. A definição de cinzas ligníticas é o inverso; a concentração de óxido férrico é menor do que a quantidade combinada de óxidos de cálcio e magnésio.
Ao examinar a química das cinzas e seu impacto nas caldeiras, é crucial primeiro considerar o conceito de comportamento de fusão de cinzas, comumente chamado de fusibilidade. A ASTM desenvolveu um teste para determinar as características de fusão das cinzas. O teste envolve a formação de uma amostra de cinzas em uma pequena pirâmide, submetendo-a ao aquecimento controlado e medindo as características de deformação. Os quatro parâmetros são temperatura inicial de deformação (IT), temperatura de amolecimento (ST), temperatura hemisférica (HT) e temperatura do fluido (FT).
Figura 5.1 Características de deformação das cinzas durante o aquecimento.
Essas características são definidas da seguinte forma:
A Tabela 5-7 mostra que as temperaturas de fusibilidade podem mudar acentuadamente com uma mudança de oxidação para atmosferas redutoras. Geralmente, isso se deve à conversão do ferro em vários estados de oxidação.
Esses dados permitem um exame das características de escória e incrustação das cinzas. A escória é o acúmulo de depósitos nas paredes do forno sujeitas a calor radiante. A incrustação é a deposição de resíduos de cinzas em superfícies de aquecimento convectivas.
Figura 5.2 Regiões típicas em uma caldeira para escória e incrustação. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
A formação de escória é diretamente influenciada pelas propriedades de fusibilidade das cinzas. A zona de combustão da caldeira é a área de calor mais alta e as cinzas são frequentemente derretidas nessa região. Quando completamente derretido, as cinzas fluem prontamente. No entanto, a viscosidade das cinzas muitas vezes pode aumentar drasticamente com apenas uma pequena queda de temperatura. Partículas de cinzas dentro da faixa de temperatura IT-HT podem formar partículas altamente adesivas que se ligam firmemente às paredes do tubo. A escória pesada reduz a transferência de calor nas paredes de água, o que aumenta as temperaturas dos gases de superaquecimento e reaquecimento. A escória pode estender-se para mais alcances da caldeira se a transferência de calor se degradar no forno.
Cada composto mineral nas cinzas influencia a fusibilidade. As interações entre minerais complicam ainda mais o problema.
Os minerais formados durante a combustão do carvão podem ser categorizados como básicos ou ácidos. Se esses minerais fossem colocados individualmente em água, eles produziriam soluções básicas ou ácidas em graus variados. Os minerais básicos são ferro, cálcio, magnésio, sódio e óxidos de potássio. Os minerais ácidos são sílica, alumina e dióxido de titânio. A proporção de minerais básicos para ácidos nas cinzas influencia significativamente as temperaturas de fusão.
A razão de sílica para alumina também influencia as temperaturas de fusão. Quando misturada com parceiros básicos, a sílica tende a produzir temperaturas de fusão de cinzas mais baixas do que se o componente ácido fosse alumina.
Outro parâmetro importante é a relação ferro/cálcio, em que a porção de óxido férrico (Fe2O3) do ferro é considerada. A ação de fluxo entre ferro e cálcio é complexa, mas a tendência geral é que as razões mais baixas de Fe2O3/CaO tendem a reduzir a temperatura de abrandamento das cinzas.
A dolomita é uma forma prevalente de calcário, onde o cálcio é significativamente suplementado com magnésio. Tem um efeito semelhante com o ferro como o óxido de cálcio simples. Com dois carvões de conteúdo de base semelhante, aquele com maior porcentagem de dolomita tenderá a ter temperaturas de fusão mais altas.
Esta definição foi estabelecida para explicar os efeitos do ferro sob condições oxidantes ou redutoras. Em uma caldeira acionada com excesso de ar nos queimadores principais, a maior parte do ferro no carvão reage para formar Fe2O3. Em uma atmosfera redutora, como em uma caldeira que utiliza ar de superfogo para controle de NOx, o ferro presente na zona redutora exibirá a presença de óxido ferroso (FeO) e, potencialmente, um pouco de ferro metálico (Fe). Esses compostos reduzem as temperaturas de fusão de cinzas.
À medida que a porcentagem de sílica aumenta em comparação com os outros agentes de fluxo ferro, óxido de cálcio e óxido de magnésio, a viscosidade da cinza aumenta.
O sódio e o potássio reduzem as temperaturas de fusão das cinzas. Os alcalis são importantes em relação à incrustação do superaquecedor e do reaquecedor, conforme descrito na próxima seção.
Como é evidente, uma ampla variedade de fatores influenciam as propriedades da escória. É impossível prever completamente as propriedades de escória de um carvão, embora um conjunto de cálculos para avaliar o potencial de escória tenha sido desenvolvido2. Os esforços de controle da escória são aparentes no projeto da caldeira. As unidades de ciclone, que ganharam popularidade durante a década de 1960, foram projetadas para gerar escória fundida dentro dos barris de ciclone e das seções inferiores da caldeira. A escória fundida foi subsequentemente drenada em sua forma líquida em um tanque de escória cheio de água. Isso é conhecido como conceito de fundo úmido (que se refere à escória fundida, não ao tanque de escória cheio de água). A razão entre cinzas inferiores e cinzas volantes em uma unidade ciclone é de aproximadamente 80% a 20%. A maioria das unidades de carvão pulverizado opera de forma diferente. As minúsculas partículas de carvão queimam rapidamente e o resíduo de cinzas finas é transportado para cima com o fluxo do forno. Em um sistema adequadamente projetado, a maior parte das cinzas que entram em contato com as paredes do forno já se solidificou e não gruda. Nesses tipos de unidades, a distribuição de cinzas é essencialmente invertida, com até 80% das cinzas escapando como cinzas moscas e aproximadamente 20% sendo coletadas como cinzas inferiores. Como a cinza inferior não descarrega em um estado fundido, elas são conhecidas como unidades de fundo seco.
A incrustação é mais proeminente na passagem de convecção da caldeira, principalmente nas áreas de superaquecimento e reaquecimento. A incrustação é causada pela deposição de partículas de cinzas volantes nas superfícies do tubo e do duto. Na ausência de problemas no forno, espera-se que as partículas de cinzas que entram na passagem de convecção permaneçam em forma sólida e, por si só, não devem exibir uma tendência significativa de aderir ao equipamento. No entanto, a combustão gera compostos alcalinos voláteis de sódio e potássio que se condensam em superfícies de tubos e partículas de cinzas, dando-lhes tendências de adesão muito mais fortes.
A concentração de sódio e potássio no gás de combustão está relacionada a como esses dois elementos estão ligados dentro do combustível original. Sódio e potássio combinados com silicatos tendem a permanecer estáveis durante todo o processo. No entanto, uma porcentagem dos álcalis existe como sais simples, principalmente cloretos, ou estão organicamente ligados no carvão. Esses álcalis “ativos” vaporizam durante o processo de combustão e formam os óxidos Na2O e K2O. As temperaturas relativamente mais baixas na passagem convectiva da caldeira permitem que os álcalis se condensem.
Geralmente, a maior parte dos álcalis ativos existe como sais de cloreto, portanto, uma medida do teor de cloro de carvão é uma diretriz razoável para determinar o potencial de incrustação relativo.
Tabela 5-8 – Potencial de incrustação relacionado ao teor de cloro de carvão e convertido em sódio volátil
|
Potencial de incrustação |
Cloro (%) |
Sódio equivalente (%) |
|
Alto |
>0,5 |
>0,33 |
|
Médio |
0,3 |
0,2 |
|
Baixo |
<0,1 |
<0,07 |
Outra relação importante entre sódio e incrustação é que um maior teor de sódio ativo aumenta a resistência dos depósitos de cinzas. A Figura 5.3 abaixo mostra que isso é verdade para carvões de cinzas betuminosas e de cinzas ligníticas. Em ambos os casos, mas particularmente para cinzas ligníticas, a resistência às cinzas aumenta significativamente com o aumento do teor de óxido de sódio.
Figuras 5.3a e b. Influência do sódio ativo na força de sinterização dos depósitos de cinzas-moscas. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
Maior resistência à sinterização equivale a uma dificuldade crescente na remoção de depósitos com sopradores de fuligem. Além disso, a resistência à sinterização pode ser bastante reduzida lavando o carvão para reduzir a concentração de álcali ativo.
A incrustação de equipamentos e superfícies de passagem de convecção causa vários problemas. Acúmulos em tubos superaquecedores reduzem a eficiência da transferência de calor, mas os acúmulos também causam canalização ou "laning" do gás de combustão. Isso aumenta a velocidade linear através de áreas abertas, o que pode levar a um aumento na erosão em outros tubos. Não é incomum que as falhas da sonda sejam causadas pela erosão das cinzas. Acúmulos excessivos de cinzas entre os pingentes de superaquecimento podem causar a ponte de material entre as seções dos pingentes. Depósitos de escória e cinzas nas seções superiores da parte radiante da caldeira podem se soltar e danificar ou perfurar os tubos do piso do forno quando atingirem o fundo.
O acúmulo de depósitos de cinzas na passagem convectiva também pode ter efeitos adversos de uma perspectiva de corrosão. À medida que os depósitos de cinzas se acumulam, os álcalis voláteis e o trióxido de enxofre (SO3) produzidos durante a combustão se difundem através da cinza para iniciar as reações de corrosão. A Figura 5.4 ilustra um exemplo da morfologia de um depósito de corrosão de cinza de carvão.
Figura 5.4 Um exemplo da morfologia de um depósito de cinzas em um tubo superaquecedor de aço inoxidável. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
Abaixo estão descritas duas reações que ilustram como os depósitos podem se acumular e levar à corrosão do metal do tubo:
| 3K2SO4 + Fe2O3 + 3SO3 → 2K3Fe(SO4)3 | Eq. 1 |
| K2SO4 + Al2O3 + 3SO3 → 2KAl(SO4)2 | Eq. 2 |
Enquanto o sódio é o principal culpado na formação e resistência do depósito, o potássio parece ser o principal alcalino que inicia as reações de corrosão. Neste exemplo, três camadas se desenvolveram. A primeira é uma camada externa, que é principalmente cinzas moscas. A camada intermediária é de cor branca a amarela e mostra um aumento acentuado na concentração de potássio e SO3. Como a figura ilustra, esta camada substituiu o metal do tubo original. A camada interna é uma faixa preta fina localizada na superfície do tubo e é o local da corrosão ativa. O teor de ferro é alto devido à sua proximidade com o metal base, e os compostos dentro desta camada incluem sulfetos e sulfatos de ferro.
Em contraste com esses exemplos de incrustação e corrosão de alta temperatura, a corrosão de baixa temperatura dos aquecedores de ar e dutos de saída ocorrerá se a temperatura do gás de combustão cair abaixo do ponto de orvalho ácido. Uma pequena quantidade de enxofre queimado na caldeira se converte em SO3. Se a temperatura cair muito na extremidade traseira da caldeira, o SO3 se combinará com a umidade para produzir ácido sulfúrico, H2SO4. Embora a concentração de ácido sulfúrico possa ser mínima, o líquido é bastante corrosivo para o aço carbono. As temperaturas do gás de saída devem ser mantidas acima da temperatura do ponto de orvalho através do backpass da caldeira (e precipitador eletrostático, se a unidade tiver um) para evitar corrosão.
O óleo contém teor mineral significativamente menor do que o carvão, resultando em problemas de deposição de cinzas de petróleo menos complexos. Normalmente, a cinza de óleo não causa corrosão dos tubos de parede d'água. Devido ao baixo acúmulo de cinzas derretidas, o superaquecedor e o reaquecedor são muitas vezes as áreas problemáticas. Além disso, como ocorre com produtos de combustão de carvão, a corrosão traseira devido à corrosão do ponto de orvalho ácido é uma possibilidade.
A principal causa da corrosão das cinzas é o vanádio, que se origina dos minerais do solo e da matéria orgânica que se decompõe para formar o óleo. Os óleos podem não conter praticamente vanádio a quase 400 partes por milhão (ppm). O vanádio liberado na combustão forma vários óxidos, V2O3, V2O4 e V2O5. Esses óxidos se combinam com sais alcalinos para formar compostos de baixa fusão que se acumulam nas superfícies dos tubos. A equação 3 ilustra uma reação típica.
| Na2SO4 + V2O5 → 2NaVO3 + SO3 | Eq. 3 |
O ponto de fusão do NaVO3 é de 1.165 °F (629 °C). Compostos de sódio-vanádio com pontos de fusão baixos exibem efeitos corrosivos diretos no aço, e a taxa de corrosão acelera com o aumento da temperatura do metal. Os métodos de controle incluem a seleção de óleo com baixo teor de vanádio, o projeto de caldeiras para reduzir as temperaturas dos metais, a implementação de projetos eficazes de sopradores de fuligem para manter os tubos limpos e o uso de aditivos químicos para controlar a corrosão.
A adição de produtos químicos à alimentação de combustível às vezes é utilizada para reduzir a escória e a incrustação. Aditivos comuns incluem compostos de alumina e magnésio, como óxido de magnésio. Esses compostos modificam a química e o ponto de fusão dos depósitos de cinzas, tornando-os menos aderentes e mais facilmente removíveis através do sopro de fuligem. A alimentação aditiva é mais comum em plantas que foram trocadas de carvões betuminosos para PRB.
Embora os esforços de descarbonização continuem a diminuir a indústria de energia de combustíveis fósseis, especificamente as usinas de carvão, muitas permanecerão temporariamente para garantir a estabilidade da rede. A química do lado do fogo é complexa, onde mudanças na fonte de combustível, condições operacionais e outros fatores podem levar a escória, incrustação e corrosão. A maioria das fábricas agora tem monitores sofisticados de instrumentação e computador da sala de controle que permitem aos operadores monitorar as condições em toda a caldeira e no caminho do gás de combustão a jusante. Essa tecnologia é extremamente importante para uma operação consistente e confiável, especialmente nesta era, quando até mesmo unidades grandes devem circular regularmente para cima e para baixo na carga.
Anexo 5-1
A primeira legislação nacional sobre poluição do ar nos Estados Unidos foi a Lei do Ar Limpo de 1963. Essa legislação inicial foi elaborada para orientar os estados a lidar com questões de controle da poluição atmosférica. Regulamentos adicionais foram propostos e aprovados posteriormente na década de 1960, mas o ponto de virada veio com o estabelecimento da Agência de Proteção Ambiental (EPA) em 1970 e a subsequente aprovação das Emendas da Lei do Ar Limpo (CAAA) em dezembro daquele ano.
A EPA, sob autoridade do Congresso, foi incumbida de desenvolver os Padrões Nacionais de Qualidade do Ar Ambiental (NAAQS), que, com a aprovação da CAAA de 1990, evoluiu para a estipulação de que cada estado seria responsável por atender ao NAAQS para seis critérios de poluentes do ar: óxido de nitrogênio, dióxido de enxofre, monóxido de carbono, ozônio, matéria particulada e chumbo. Esta seção examina três dos itens desta lista: óxidos de nitrogênio, dióxido de enxofre e matéria particulada.
O esquema a seguir descreve os principais métodos pelos quais esses poluentes são removidos do gás de combustão da planta de carvão.
Figura 5.1.1 Descrição dos principais dispositivos de controle de poluição do ar em uma caldeira a carvão. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
A progressão é:
O NOxé um elemento primário da chuva ácida e contribui para a formação de ozônio no nível do solo, particularmente em grandes cidades onde os poluentes atmosféricos se concentram. O termo NOx é completo, pois a combustão de combustível fóssil produz vários óxidos de nitrogênio, mais notavelmente óxido de nitrogênio (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2). Uma proporção típica de NO para NO2produzida no forno é de 9 para 1. Em plantas equipadas com uma lavadora de dióxido de enxofre, o NO2, que é solúvel em água, será removido do gás de combustão. No entanto, o NO é apenas levemente solúvel e, como geralmente compõe cerca de 90% do NOx, a lavagem não é um processo de tratamento eficaz.4
Quando os óxidos de nitrogênio entram na atmosfera, surgem vários problemas. O NOxparticipa de uma série de reações fotoquímicas complexas com compostos orgânicos voláteis que produzem ozônio no nível do solo (O3). Embora o alto nível de ozônio na atmosfera terrestre nos proteja da radiação solar prejudicial, o ozônio no nível do solo causa problemas respiratórios, especialmente em pessoas muito jovens, idosos, fumantes, asmáticos e pessoas com outros problemas pulmonares. Após a liberação da caldeira, grande parte do NO se converte em NO2, que, assim como sua contraparte de SO2, se combina com água para formar um ácido, neste caso ácido nítrico (HNO3).
Os óxidos de nitrogênio produzidos durante a combustão do carvão são geralmente agrupados em duas categorias: NOx térmicoe NOx combustível. O NOx térmico é gerado pelo alto calor da combustão e resulta da reação do nitrogênio atmosférico (N2) e oxigênio (O2). Mesmo em unidades de carvão pulverizado, o NOx térmicopode ser responsável apenas por um quarto de todas as emissões de NOx, já que a formação de NOx térmico não se torna notavelmente pronunciada até que as temperaturas atinjam 2.800oF. Uma técnica bem conhecida para reduzir a recirculação térmica do gás de combustão NOxis, na qual uma porção do gás de combustão é reciclada para a entrada do forno. Isso reduz ligeiramente as temperaturas do forno, mas o suficiente para limitar significativamente a produção térmica de NOx.
Fuel NOxé uma história diferente. A maior parte do nitrogênio no carvão é organicamente ligada a átomos de carbono, e essas ligações são muito mais fáceis de quebrar do que as do N2. À medida que o carvão queima, átomos de nitrogênio individuais são liberados. Ao contrário das moléculas, os átomos de nitrogênio são muito reativos e rapidamente ligados ao oxigênio.
O controle da formação e descarga de óxido de nitrogênio geralmente se enquadra em duas categorias: controle de combustão concomitante e controle pós-combustão. Os queimadores de baixo teor de NOx (Low-NOxburners, LNB) e o ar de superfogo (Overfire Air, OFA) pertencem à primeira categoria. A química detalhada da metodologia LNB e OFA é complexa, mas os fundamentos são os seguintes. Quando o carvão ou qualquer outro combustível fóssil é queimado com excesso de oxigênio, a combustão do conteúdo de carbono prossegue até a conclusão, conforme expresso abaixo:
| C + O2 → CO2 | Eq. 1 |
Em termos de energia, essa reação é favorável e libera calor substancial. Quando quantidades subestequiométricas de oxigênio são introduzidas no processo, uma porção do carvão sofre oxidação parcial em monóxido de carbono, potencialmente deixando algum carbono não queimado:
| C + ½O2 → CO | Eq. 2 |
O monóxido de carbono busca átomos de oxigênio para completar a reação ao dióxido de carbono. Quando oxigênio insuficiente está disponível, as moléculas absorverão oxigênio dos óxidos de nitrogênio, que é a base por trás da LNB e do OFA. O combustível é inicialmente queimado em um ambiente pobre em oxigênio para permitir a formação de espécies de carbono reduzidas. Esses compostos de carbono reduzido retiram oxigênio do NOxe permitem que os átomos de nitrogênio se combinem em N2. A química se torna complexa devido ao alto número de interações moleculares que ocorrem, mesmo durante o breve período em que as moléculas estão na frente do queimador. Uma molécula de óxido de nitrogênio pode liberar seu átomo(s) de oxigênio para carbono, apenas para combinar com outro oxigênio. Esse processo pode acontecer repetidamente antes que o átomo de nitrogênio encontre outro átomo de nitrogênio para formar N2. Muitas espécies químicas intermediárias são produzidas durante a combustão, e as interações que eventualmente reduzem os níveis de NOx são bastante complexas. O ar restante para combustão é injetado em uma elevação mais alta no forno para converter o carbono residual não queimado e o monóxido de carbono em CO2.
Com o OFA, a área de redução das condições entre os queimadores e as portas do OFA representa um problema frequente. Durante a combustão convencional, o excesso de ar é injetado com o combustível para garantir que a maior parte do carbono no carvão queime até a conclusão. O excesso de ar estabelece uma atmosfera oxidante no forno, onde os tubos da caldeira desenvolvem um revestimento de óxido. Em sistemas que utilizam OFA, os produtos de combustão localizados entre os queimadores principais e os pontos de alimentação de OFA contêm compostos redutores, incluindo sulfetos. Eles podem reagir com o metal nas paredes do tubo para formar sulfetos de ferro que não são protetores como seus óxidos equivalentes. Pode ocorrer corrosão e fragmentação do material do tubo no ambiente redutor entre os queimadores e os bocais de injeção de OFA.
A combinação de queimadores com baixo teor de NOx e OFA provou ser capaz de reduzir as emissões de NOx para níveis próximos de 0,15 lb/MBtu (0,064 kg/106kJ). Um suplemento comum para LNB/OFA é o controle pós-combustão com redução catalítica seletiva (SCR).
Figura 5.1.2 Diagrama genérico de um sistema de injeção de amônia e camadas catalisadoras para um sistema SCR.
As reações típicas de SCR são ilustradas nas duas equações a seguir.
| 4NO + 4NH3 → 4N2 + 6H2O | Eq. 3 |
| 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O | Eq. 4 |
A amônia reage com NOx para gerar nitrogênio elementar, com as reações ocorrendo em leitos catalisadores fixos no fluxo de gás de combustão. Uma variedade de materiais é viável para servir como catalisadores SCR, mais comumente dióxido de titânio, pentóxido de vanádio, metais preciosos e zeólitos (aluminossilicatos). A faixa de operação ideal dos catalisadores de metal de transição (titânio, vanádio) é geralmente de 450oF a 850oF, enquanto as zeólitas operam em uma faixa de temperatura mais alta de aproximadamente 850oF a 1.050oF. A configuração estrutural mais comum é um catalisador do tipo bloco fabricado na configuração de colmeia.
Figura 5.1.3 Bloco do catalisador SCR em colmeia. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
A SCR introduz vários fatores de complicação potenciais para as operações da fábrica. Um excesso de amônia deve ser adicionado para reduzir o NOx a níveis baixos. Uma porção da amônia será submetida à oxidação para nitrogênio no leito catalisador; no entanto, alguma amônia passará através do leito sem reação. Esse fenômeno é chamado de escorregão de amônia. A amônia é considerada uma substância regulada para prevenção de acidentes, pois pode reagir com outros poluentes para formar partículas finas.5 Um limite comum para a descarga de amônia em gás de combustão é de 2 partes por milhão. Esses limites são importantes para manter a qualidade das cinzas volantes, particularmente se essas cinzas forem posteriormente utilizadas como um aditivo em materiais de construção.
Os catalisadores SCR degradam-se gradualmente ao longo da vida útil do material. A extensão do envenenamento do catalisador irá variar com base na composição do catalisador e seu teor de arsênico, fósforo e outros elementos ou compostos. Como seria esperado, o leito catalisador de chumbo (primeiro) esgota primeiro. Um método comum de substituição é mover todos os leitos um lugar para frente e colocar o novo leito catalisador no local de fuga após a remoção do leito principal.
A reação de amônia com trióxido de enxofre no gás de combustão resulta na formação de sulfato de amônio [(NH4)2SO4] e bissulfato de amônio (NH4HSO4). Ambos os compostos contribuem para a incrustação e corrosão de equipamentos a jusante, particularmente aquecedores de ar, com o bissulfato de amônio sendo especialmente problemático. Outro problema com a amônia deriva do seu armazenamento no terreno da planta. A EPA classifica a amônia anidra e a amônia aquosa em concentração igual ou superior a 20% como substâncias tóxicas reguladas. Consequentemente, a conversão de ureia tornou-se mais comum para gerar amônia para sistemas SCR.
Figura 5.1.4 Estrutura química da ureia.
A ureia é um produto químico agrícola que pode ser hidrolisado para produzir amônia e dióxido de carbono. Os sistemas de hidrólise nas usinas elétricas permitem que a amônia seja gerada por demanda sem armazenamento de amônia perigosa.
A matéria particulada foi um dos primeiros poluentes de caldeiras a carvão a serem reconhecidos como problemáticos. O tipo de caldeira influencia significativamente a formação de partículas. Em caldeiras ciclone tradicionais, a maior parte das cinzas (até 80%) sai como cinzas no fundo em um estado fundido, que é então solidificado em um tanque de escória cheio de água. O volume de cinzas volantes é relativamente baixo em caldeiras ciclone. Poucas dessas unidades permanecem por causa de sua idade, baixa eficiência e propensão a produzir grandes quantidades de NOx. Em unidades de carvão pulverizado, onde até 80% das cinzas podem sair com o gás de combustão, as concentrações de partículas são bastante altas. Todas as plantas exigem a captura de pelo menos 99% desses particulados. Dois processos principais, precipitação eletrostática e coleta de filtro de tecido, têm sido populares para o controle de partículas.
Um esquema de um precipitador eletrostático (ESP) está incluído abaixo.
Figura 5.1.5 Esquema de um ESP comum. Cortesia da The Babcock & Wilcox Company.
Um potencial elétrico é induzido entre as placas coletoras e os eletrodos sólidos (ou fios em unidades mais antigas), onde um potencial negativo é aplicado aos eletrodos e um potencial positivo às placas. À medida que o gás de combustão passa pelo precipitador, as partículas desenvolvem uma carga elétrica negativa dos eletrodos. As partículas são então atraídas e se acumulam nas placas. As placas são periodicamente agitadas (rasgadas) por vibradores mecânicos, fazendo com que as cinzas caiam para o fundo do precipitador, onde são coletadas em funis para descarga através do sistema de descarte de cinzas.
Para diminuir a velocidade linear do gás para garantir que as partículas tenham tempo suficiente para desenvolver uma carga, o ESP é muito maior do que o duto de gás de combustão de entrada. Uma velocidade de entrada típica pode ser de 60 pés por segundo, enquanto o fluxo através do precipitador pode ser de apenas 4 a 5 pés por segundo. Os ESPs consistem em uma série de células onde a eficiência de remoção de cinzas é de cerca de 75% por célula. Quando combinados em série, é possível ver eficiências gerais de 99%. A distância entre as placas coletoras em um ESP pode variar de 9–16 polegadas, com o eletrodo negativo uniformemente centralizado entre as placas coletoras.
Vários fatores influenciam o desempenho do precipitador, incluindo:
Fatores mecânicos que afetam o desempenho:
Fatores operacionais que afetam o desempenho:
Outra técnica de remoção de partículas amplamente usada é a filtração de tecidos, comumente conhecida como baghouses. Nesse processo, o gás de combustão passa através de um filtro de tecido de malha fina e as partículas se acumulam em um lado do filtro. Vibrações periódicas desalojam as cinzas, e elas caem nas caçambas para coleta. A Figura5.1.6mostra o contorno genérico de um tipo popular, o filtro de tecido de jato de pulso.
Figura 5.1.6 Esquema básico de um dispositivo de controle de partículas de filtro de tecido de jato de pulso.
Os sacos são montados em estruturas de fio dentro do vaso. O gás de combustão entra pela lateral, é desviado e flui em torno de uma placa defletora e, em seguida, passa pelas bolsas. As cinzas permanecem na parte externa das bolsas à medida que o gás de combustão sai da parte superior da embarcação. Periodicamente, um jato de ar é soprado através dos sacos para desalojar as cinzas, que caem para os funis abaixo. Os baghouses normalmente apresentam vários compartimentos, cada um contendo fileiras de filtros.
A redundância é incorporada pelo isolamento automático de compartimentos individuais do fluxo de gás de combustão, seguido por limpeza por pulso. Isso evita que as cinzas sejam re-entraídas no gás de combustão. A relação tecido/ar, diâmetro e comprimento do filtro e temperatura do gás de combustão são fatores que os engenheiros de projeto de câmaras de gás devem considerar. Melhorias progressivas no design do pano permitem que as caixas operem em temperaturas de até 500 oF. Embora tais materiais possam suportar altas temperaturas, eles ainda são suscetíveis a incêndios se o carbono não queimado se acumular no pano. Incêndios em casa de banho podem ser extremamente perigosos, em grande parte porque abrir portas de acesso para combater o incêndio introduz oxigênio adicional. Além disso, quando a água é pulverizada no fogo, as partículas de carvão que queimam tendem a flutuar. Por causa disso, os sistemas de supressão de espuma ou CO2 são mais adequados para combater incêndios em câmaras.
Como o baghouse opera como um meio filtrante, ao contrário do processo de carga elétrica de um precipitador eletrostático (ESP), sua eficiência de remoção permanece consistente em várias propriedades de cinzas. Este é um fator proeminente que aumentou a popularidade da baghouse em relação aos ESPs.
Após o anúncio das regulamentações originais da Lei da Qualidade do Ar (Air Quality Act, 1967) e emendas subsequentes nas décadas de 1960 e 1970, muitas fábricas foram obrigadas a instalar purificadores para remover dióxido de enxofre do gás de combustão da caldeira, particularmente se o desejo fosse o uso contínuo de carvão betuminoso do leste e do centro-oeste.
Inicialmente, o método mais popular era a lavagem com pedras úmidas. Um fluxograma genérico de uma lavadora de calcário úmido tipo spray é fornecido abaixo.
Figura 5.1.7 Diagrama geral de uma lavadora de oxidação de ar forçado com pedra úmida tipo spray.
Este processo exemplifica uma reação química aquosa ácido-base implementada em uma escala industrial. Ao contrário da maioria dos experimentos laboratoriais, no entanto, tanto o ácido quanto a base não existem inicialmente na forma líquida. SO2é um gás e calcário é um sólido, portanto, etapas adicionais são necessárias para induzir e maximizar as reações químicas.
O dióxido de enxofre é primeiramente absorvido na fase líquida à medida que entra em contato com os sprays de pasta fluida.
| SO2 + H2O - H2SO3 | Eq. 5 |
Alguns químicos teóricos afirmam que o verdadeiro H2SO3não existe, afirmando que o SO2retém seu caráter molecular e está cercado por moléculas de água. No entanto, quando o SO2 é adicionado à água, o pH cai, o que indica que o Eq. 5 está correto e a seguinte reação de dissociação é precisa.
| H2SO3 - H+ + HSO3– - H+ + SO32– | Eq. 6 |
Outro argumento para a formação de H2SO3e seus produtos dissociados, íons bissulfito (HSO3–) e sulfito (SO32–), baseia-se na observação de que o carbonato de cálcio (CaCO3), o principal componente do calcário, é apenas ligeiramente solúvel em água, mas se dissolverá quase completamente em sistemas de lavagem bem projetados.
| CaCO3+ H+→Ca2++ HCO3– | Eq. 7 |
A combinação das Eqs. 5, 6 e 7 ilustra o processo fundamental de lavagem.
| CaCO3 + 2H+ + SO32– → Ca2+ + SO32– + H2O + CO2↑ | Eq. 8 |
Na ausência de quaisquer outros reagentes, os íons de cálcio e sulfito precipitarão como um hemi-hidrato, onde a água é incluída na treliça de cristal do subproduto do purificador.
| Ca2+ SO32–+ ½H2O→CaSO3·½H2O↓ | Eq. 9 |
A operação adequada de uma lavadora depende da eficiência das reações listadas acima. O controle do pH com alimentação de reagente é particularmente importante. Muitos purificadores de calcário úmido operam em um pH de solução de cerca de 5,6–5,8. Uma solução de lavagem excessivamente ácida dificulta a transferência de SO2 do gás para o líquido. Por outro lado, se o pH aumentar para 6,0 ou mais, isso indica uma sobrealimentação de calcário.
O oxigênio no gás de combustão influencia significativamente a química. Os íons de bissulfito e sulfito aquosos reagem com o oxigênio para produzir íons de sulfato (SO42–).
| 2SO32– + O2 → 2SO42– | Eq. 10 |
Aproximadamente os primeiros 15 mols por cento de íons de sulfato coprecipitam com sulfito para formar hemi-hidrato de sulfato de sulfito de cálcio [(0,85CaSO3·0,15CaSO4)·½H2O]. Qualquer sulfato acima da razão molar de 15 por cento precipita com cálcio como gesso (CaSO4·2H2O).
| Ca2+ SO42–+ 2H2O→CaSO4·2H2O↓ | Eq. 11 |
O controle químico da lavadora oferece desafios, particularmente em torres de pulverização que têm dispositivos internos, como embalagem, para melhorar o contato gás-líquido. A experiência operacional demonstrou que manter um estado totalmente oxidado (sem sulfito-sulfato de cálcio hemi-hidratado na pasta fluida de lavagem) ou um estado totalmente não oxidado (sem gesso na pasta fluida) minimiza a incrustação dos componentes internos da lavadora. Se a pasta fluida for parcialmente oxidada, a solução pode pairar em torno do ponto de saturação de sulfato de cálcio, o que pode levar a acúmulos de gesso tenaz. As características de manuseio e o valor comercial do sólido são fatores adicionais que influenciam a escolha entre um subproduto oxidado ou não oxidado. O sulfito-sulfato de cálcio hemi-hidratado é um material macio que tende a reter água, mas tem pouco valor como mercadoria química. Por esse motivo, a maioria das lavadoras são equipadas com sistemas de oxidação por ar forçado para conduzir os Eqs. 10 e 11 até a conclusão. Um sistema de oxidação adequadamente projetado converterá todo o sulfito em sulfato.
A preparação do produto para venda ou descarte seco requer secagem em um tambor a vácuo ou filtro de correia, muitas vezes combinado com uma lavagem de água doce para remover cloretos dissolvidos. A oxidação forçada normalmente resulta na formação de cristais de gesso planos que desidratam de forma eficiente. Este processo produz um material semelhante a bolo com um teor de umidade livre variando de 10% a 15%.
Figura 5.1.8 Um filtro de vácuo de tambor rotativo em operação removendo o “bolo” de gesso. Foto cortesia da City Water, Light & Power.
O tambor na Figura 5.1.8 tem um vácuo interno aplicado mecanicamente. À medida que o tambor gira através do subproduto da pasta fluida na cuba abaixo, os sólidos aderem ao pano de filtro. Enquanto isso, o líquido passa pelo pano de filtro para coleta e reutilização na lavadora ou descarte. O tambor gira no sentido anti-horário na exibição; no entanto, não é mostrado um cabeçote de lavagem de água doce no lado mais distante localizado logo acima da cuba. O spray de água reduz o teor de cloreto do gesso para menos de 200 mg/L, o que é uma exigência do fabricante do wallboard. Em alguns casos, o fabricante pode especificar um limite de cloreto de 100 mg/L, o que pode exigir lavagem adicional.
Quando a venda de subprodutos não é viável, a oxidação forçada continua sendo o método preferido devido ao manuseio direto da gesso em comparação com materiais inibidos ou parcialmente oxidados. A gesso seca pode ser facilmente carregada em caminhões basculantes para descarte em aterros sanitários.
Se o reagente de calcário reagir mal no sistema, a sobrealimentação é necessária para a remoção adequada de SO2, resultando no uso excessivo do reagente. Os fatores que influenciam a utilização incluem qualidade e reatividade do calcário, tamanho da moagem do calcário, tempo de permanência do reagente dentro do sistema de lavagem e desempenho dos dispositivos de separação da pasta.
O tamanho da moagem do calcário sempre foi um fator crítico na determinação da eficiência dos processos de dessulfurização de gás de combustão (FGD). Em projetos de lavadoras iniciais, as especificações frequentemente exigiam que apenas 70% do calcário moído passasse por uma tela de 200 malhas (79 divisões por cm), conforme determinado por testes laboratoriais. No entanto, rapidamente ficou evidente que uma moagem mais fina era necessária para garantir a máxima eficiência de lavagem. A diretriz evoluiu para, em muitos casos, 90% através de uma tela de malha 325 (128 divisões por cm). A moagem mais fina aumenta a área de superfície do calcário em quase dois terços.
O método padrão para triturar calcário envolve misturar a matéria-prima com água em grandes moinhos de esferas. Essas fresas são cilindros horizontais e rotativos revestidos com borracha e cheios de milhares de esferas de ferro. A ação contínua das bolas batendo uma contra a outra tritura a pedra. Tipicamente, a pasta não processada dos moinhos de esferas contém muitas partículas grossas, de modo que a descarga é direcionada através de um banco de hidrociclones, conforme ilustrado na Figura 5.1.9.
Figura 5.1.9 Hidrociclones para classificação de partículas de calcário.
A pasta de calcário entra nesses dispositivos estacionários em uma abertura tangencial perto da parte superior. O design confere uma ação centrípeta à pasta fluida, forçando partículas de calcário mais leves e reativas através do transbordamento para a lavadora, enquanto partículas mais pesadas saem através do subfluxo e são direcionadas de volta para os moinhos de esferas. Os hidrociclones são equipados com localizadores de vórtice, semelhantes às placas de orifício, nas linhas de transbordamento e subfluxo. Este projeto permite simples trocas de filtro para ajustar o tamanho de partícula que sai de cada porta.
A composição química do reagente tem uma grande influência na eficiência da lavadora. Os calcários contendo 94% ou mais de carbonato de cálcio são tipicamente bastante reativos, dado o tamanho adequado da moagem. No entanto, nem todas as fábricas estão localizadas perto de fontes de alta qualidade. Muitas vezes, um cálculo pode conter mais de 90% de carbonato total, com 10% ou mais presentes como dolomita (MgCO3·CaCO3), onde o magnésio é ligado ao cálcio na rede de cristal. Embora o MgCO3 puro se dissolva rapidamente em soluções de lavagem e forneça alcalinidade líquida, a dolomita é bastante não reativa e tende a passar através do sistema intocado.
Problemas com calcário de baixa reatividade ou alto teor de SO2 no gás de combustão podem ser resolvidos com o uso de aditivos químicos para aumentar a alcalinidade. O ácido adípico (ácido hexanodióico), representado na Figura 5.1.10, já foi um aditivo orgânico favorável, juntamente com o ácido dibásico (DBA) menos refinado, uma mistura de ácidos adípicos, glutáricos e succínicos.
Figura 5.1.10 Estrutura do ácido adípico.
Esses produtos químicos aumentam a alcalinidade da fase líquida e fornecem tamponamento ao licor de pasta. No entanto, o custo e a disponibilidade têm sido problemáticos nos últimos anos, especificamente nos Estados Unidos. Uma formulação alternativa de ácido orgânico oferecida pela ChemTreat, que demonstrou um aumento significativo da reatividade de calcário, está disponível agora. Um indicador da eficiência melhorada dessa química em comparação com tecnologias mais antigas é mostrado nos gráficos a seguir.
Figuras 5.1.11a e b Uma comparação das capacidades de tamponamento dos produtos químicos de aprimoramento da lavadora.
O produto tem uma capacidade de tamponamento visivelmente maior do que o DBA quando titulado com ácidos sulfúrico e clorídrico, e uma capacidade muito maior do que as outras principais alternativas, ácidos fórmico e láctico. A capacidade de buffering é uma propriedade essencial desses produtos.
O uso correto de um aditivo pode potencialmente contribuir para a economia da planta através da melhor utilização de calcário e lavagem mais eficiente. Também pode fornecer mais flexibilidade na escolha da fonte de carvão, permitindo que carvões com maior teor de enxofre sejam utilizados, em oposição a carvões com menor teor de enxofre que devem ser transportados por longas distâncias.
A presença de traços problemáticos de concentrações de manganês e ferro é outro fator que pode influenciar o desempenho do calcário, embora apareça mais frequentemente em pedras de qualidade inferior. Testes abrangentes anteriores de diferentes calcários indicaram que o ferro era responsável por dois problemas principais: formação de incrustação catalisada por ferro nas torres do purificador e a geração de partículas muito finas de óxido de ferro que sujaram o pano do filtro a vácuo. É necessário cuidado na seleção e uso de calcários.
O design de muitos sistemas modernos minimiza muito a formação de incrustações. A tecnologia de pulverização melhorou para aplicações de lavadora, e torres de pulverização abertas são comuns. O design e o alinhamento do bocal são fundamentais nesses sistemas, pois o tamanho da gota e os padrões de pulverização devem ser otimizados para fornecer o melhor contato e evitar a canalização do gás de combustão. Os bocais também devem ser projetados para minimizar o entupimento. Materiais como pedaços sólidos de incrustação ou revestimentos de bomba de borracha com falha podem entupir prontamente os bocais e, apesar dos melhores esforços de projeto, alguns entupimentos ainda podem ocorrer.
A remoção de partículas com eliminadores de névoa é outra questão de importância nos sistemas de torre de pulverização. Sem a proteção adequada, pequenas partículas de pasta fluida serão arrastadas com o gás de combustão e fluirão para fora da lavadora. O excesso de emissões de partículas pode sujar os componentes a jusante e causar desvios de opacidade na pilha. As desembaçadoras normalmente consistem em embalagem de palheta de chevron, situada no topo das torres da lavadora. À medida que o gás passa pelas palhetas, as partículas colidem com as lâminas e grudam. A lavagem regular com água limpa é um requisito para evitar acúmulos graves de sólidos nas palhetas. Embora a lavagem não precise ser contínua, ela deve ser regular. Medições de pressão diferencial em torno dos eliminadores de névoa, ou outros componentes internos, são necessárias para monitorar acúmulos de depósitos.
Um número menor de purificadores úmidos foi construído com cal como reagente. O cal (CaO) é produzido pela calcinação do calcário em fornos.
| Calor de CaCO3+→CaO + CO2↑ | Eq. 12 |
Para muitas aplicações industriais, o cal é hidratado antes da entrega para produzir hidróxido de cálcio, que é então entregue à planta.
| CaO + H2O→Ca(OH)2 | Eq. 13 |
Em outros, o limão é entregue como CaO, muitas vezes como "cal granulado", e é então hidratado em hidróxido de cálcio no local. Cal não hidratada e hidratada reagem muito rapidamente com ácidos. Assim, os purificadores de calcário são significativamente menores do que seus equivalentes de calcário. O calcário tem um custo muito menor do que o calcário, que é o principal motivo para a popularidade da tecnologia de calcário.
O controle de temperatura em todo o forno é crucial, envolvendo em grande parte a regulação de temperaturas de superaquecimento e vapor de reaquecimento para garantir que permaneçam consistentemente dentro das faixas recomendadas, particularmente durante o ciclo de carga. Do lado do fogo, uma preocupação importante é minimizar a corrosão do ponto de orvalho ácido nas seções distantes do backpass da caldeira. Os geradores de vapor são projetados para maximizar a transferência de calor e a eficiência. À medida que o gás de combustão passa pelos feixes de superaquecedor/reaquecedor, economizador e aquecedor de ar, a temperatura cai drasticamente. Dependendo do teor de dióxido de enxofre, parte do SO2 pode começar a precipitar como ácido no duto em temperaturas apenas ligeiramente abaixo de 300oF. Esse ácido pode ser altamente corrosivo para dutos de aço carbono, o que requer um monitoramento cuidadoso das temperaturas na parte traseira do forno.
A corrosão localizada na interface úmida/seca da lavadora representa outro problema potencialmente problemático em unidades com lavadoras úmidas. Esta é a zona na entrada do purificador onde um pouco de névoa de pasta penetra no duto e forma um depósito sólido no duto. Os depósitos podem reter impurezas por baixo, mais notavelmente cloretos. Pode ocorrer corrosão grave sob depósito. Uma solução potencial tem sido revestir a interface úmida/seca com metais mais exóticos, como titânio, mas mesmo esses materiais podem sofrer corrosão.
As grandes quantidades de água consumida e o fluxo relativamente grande de águas residuais produzidas são as sérias desvantagens dos purificadores úmidos. Consequentemente, algumas tecnologias de lavagem a seco surgiram para reduzir o uso e a produção de água/águas residuais.
Figura 5.1.12a Esquema básico de uma lavadora secadora por pulverização.
Figura 5.1.12b Vista em corte de um conjunto de bico borrifador comum.
Os componentes-chave incluem o slaker de cal, o absorvedor com atomizadores que convertem a pasta de cal em pequenas gotículas uniformemente espalhadas no ponto de emissão, e o coletor de partículas, tipicamente um dispositivo de filtro de tecido. Fornecer gotículas que tenham umidade suficiente para absorver SO2do gás de combustão e concluir a reação necessária com cal, mas que também secará no calor do gás de combustão de modo que partículas sólidas completamente secas cheguem ao coletor de partículas é vital para este processo.
A capacidade de incorporar métodos de remoção de mercúrio no processo de lavagem a seco tem sido uma característica atraente para algumas plantas. Detalhes adicionais sobre essa tecnologia são descritos na próxima seção.
Além da descarga de emissões atmosféricas, as impurezas nocivas também podem sair das usinas de carvão em uma variedade de vias aquosas, como ilustra a figura abaixo.
Figura 5.1.13 Esquema básico dos caminhos disponíveis para as emissões da usina de energia e impurezas que as acompanham para alcançar o meio ambiente.
O produto da reação inicial em um purificador de calcário úmido ou de cal é o hemi-hidrato de sulfito de cálcio, conforme mostrado na Equação 9. Este material não tem valor real e é difícil de desidratar para descarte. Consequentemente, a maioria dos purificadores de calcário úmido ou cal foram equipados com sistemas de oxidação por ar forçado para produzir um subproduto de gesso, conforme mostrado anteriormente na Equação 11. Em muitos casos, o subproduto tem sido de qualidade suficiente para uso pela indústria de wallboard ou outras aplicações, embora o aterro tenha sido o único método de descarte em algumas ocasiões. Embora a gipsita seca normalmente não contenha mais de 15% de umidade, a exposição subsequente à precipitação atmosférica aumenta o potencial de transporte de lixiviado para o meio ambiente.
Um volume substancial de águas residuais FGD é produzido pela sangria do purificador, grande parte da drenagem do subproduto de gesso. Esses fluxos contêm concentrações significativas de íons dissolvidos, incluindo cálcio, magnésio, cloreto, sulfato e traços de metais, potencialmente incluindo mercúrio e selênio. A remoção desses componentes da descarga da planta tem sido frequentemente o desafio mais difícil da lavagem úmida. A remoção da dureza pode ser obtida por meio de clarificação amaciante com cal; no entanto, outras impurezas são mais difíceis de eliminar. Por exemplo, quase todos os sais de cloreto são muito solúveis, tornando quase impossível remover cloreto por reações de precipitação. Um método complexo e caro para remoção de cloreto, utilizado em algumas plantas em locais áridos, envolve evaporação e cristalização. Esses sistemas consomem quantidades excessivas de energia e exigem materiais exóticos e resistentes à corrosão em partes do processo.
A composição dessas questões são preocupações relacionadas à descarga potencial de traços de metais ou metaloides tóxicos.
A descarga de vestígios de impurezas de purificadores úmidos e lagoas de cinzas nas instalações operacionais e de desligamento é uma preocupação proeminente. Muitos lagos estão sendo fechados para evitar a contaminação adicional da água de superfície e das águas subterrâneas dessas apreensões. A tabela abaixo descreve os quatro parâmetros prioritários, selênio, arsênico, mercúrio e nitrato/nitrito, que devem ser colocados nas “Diretrizes de Limitações de Efluentes” da EPA para águas residuais WFGD.
Tabela 5.1.1 (Fonte: Diretrizes da Agência de Proteção Ambiental)
O selênio normalmente existe em dois estados oxidados em águas residuais FGD: selenita (SeO3) e selenato (SeO4). Este último tende a predominar em sistemas oxidados com ar forçado. A melhor tecnologia disponível da EPA (BAT) para remoção de forselêniotem sido o tratamento biológico com adsorção dos compostos de selênio oxidado em um substrato orgânico, com subsequente digestão dos óxidos de selênio por micro-organismos que convertem os compostos em selênio elementar retidos pelos micróbios. Esses sistemas são muito grandes e caros, e exigem a remoção periódica de organismos gastos e o reabastecimento dos substratos microbiológicos.
Além de questões relacionadas a efluentes da FGD, traços de metais e metaloides em lagoas de cinzas em plantas operacionais e fechadas são uma preocupação adicional. Em vários incidentes bem divulgados, grandes quantidades de cinzas e água foram acidentalmente liberadas no meio ambiente, o que chamou mais atenção para esse problema. Além desses incidentes, no entanto, a remediação da lagoa não permite que a água seja diretamente drenada para um corpo de água receptor, como um rio ou lago. Tratamento rigoroso[i]pode ser necessário antes que as lagoas possam ser drenadas e fechadas.
Processo físico-químico patenteado pela ChemTreat para remoção de selênio[j]utiliza equipamentos tradicionais de tratamento de água, como clarificação, que antes era ineficaz devido à interferência de íons concorrentes. (Consulte a Patente dos EUA no 11.066.313 B1, Métodos para remover ânions da água.) Os avanços modernos na química permitiram reações de precipitação que garantem o sequestro de selênio em formas de resíduos sólidos, permitindo seu descarte seguro em aterros sanitários. Os dados dos estudos clínicos do Procedimento de lixiviação característico de toxicidade (Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP) até o momento indicaram que os sólidos gerados a partir desses processos exibem estabilidade significativa.
A geração de mercúrio durante a combustão do carvão e as metodologias para sua mitigação representam um processo complexo, com questões primárias originadas no estágio de combustão. Embora os carvões contenham quantidades mínimas de mercúrio, sua alta toxicidade resulta em regulamentações de emissões atmosféricas que exigem uma quantidade extremamente baixa de descarga de gás de combustão. As regulamentações MATS, colocadas em vigor em 2011, essencialmente exigiram uma redução de 90% de mercúrio das emissões de pilhas de usinas de energia. Apesar dos esforços da administração Trump para relaxar as regulamentações, a maioria das fábricas já havia adotado medidas para mitigar as emissões de mercúrio.
A oxidação natural ou artificial do elemento é fundamental para a remoção de mercúrio do gás de combustão. Muitos carvões betuminosos contêm uma quantidade relativamente significativa de cloro, que, quando liberado durante a combustão, oxidará o mercúrio de seu estado elementar (Hg0) para um estado oxidado (Hg2+). O mercúrio oxidado escapa gás de combustão em lavadoras. Carvões subbituminosos, como os da Bacia do Rio do Pó, contêm muito menos cloro. Assim, a maior parte do mercúrio permanece na forma elementar. Como o mercúrio elementar não é absorvido pelos reagentes do purificador, ele passa pela solução de lavagem. Pulverização de uma solução salina, muitas vezes brometo de sódio, em carvão em um ponto no sistema transportador, ou injeção de carvão ativado contendo brometo no gás de combustão de sistemas com purificadores secos são técnicas comuns utilizadas para oxidar o mercúrio.
Uma consequência da captura de mercúrio por lavagem úmida é que o elemento é meramente transferido de seu estado gasoso para uma fase líquida, sem ser tornado ambientalmente inofensivo. No entanto, a química foi desenvolvida e pode ser utilizada em sistemas de tratamento de águas residuais para capturar o mercúrio e vinculá-lo firmemente aos sólidos do subproduto. Essa química, além dos métodos que capturam arsênico e removem nitratos, foi incorporada à tecnologia de remoção de selênio descrita acima. Juntos, eles oferecem um processo completo para manusear as impurezas mostradas na Tabela 5.1.1.
Com a redução da energia a carvão impulsionada por fatores ambientais e econômicos, as principais alternativas se tornaram energia renovável e geração a gás natural, particularmente em configurações de ciclo simples e combinadas. Unidades de ciclo simples dependem de uma turbina de combustão (semelhante aos motores de aeronaves) para energia primária (o ciclo de Brayton), com ciclo combinado apresentando um ou mais geradores de vapor de recuperação de calor (HRSGs). Os HRSGs utilizam o calor de exaustão da turbina(s) de combustão para gerar vapor que alimenta turbinas a vapor (o ciclo Rankine). As unidades de ciclo combinado modernas podem operar com eficiências líquidas de 60% ou ligeiramente maiores, o que é significativamente maior do que a unidade a carvão mais eficiente. Essas altas eficiências levaram a uma preponderância de instalação de planta de ciclo combinado nas duas primeiras décadas deste século.
O gás natural é um combustível muito limpo, eliminando assim os desafios relacionados a cinzas e numerosos problemas de emissões associados a caldeiras a carvão. No entanto, NOxe monóxido de carbono são dois poluentes primários que ainda devem ser tratados com tecnologia de turbina de combustão. Ao contrário da combustão de carvão, praticamente todo o NOx produzido a partir de turbinas de combustão é o NOx térmico, no qual as altas temperaturas nos combustores da turbina induzem uma reação entre o oxigênio elementar e o nitrogênio na alimentação de ar comprimido. Para unidades de ciclo simples, a injeção de um pequeno fluxo de água ou vapor de alta pureza para temperaturas de combustão ligeiramente mais baixas é um método comum. As unidades de ciclo combinadas geralmente utilizam SCR, semelhante ao projeto descrito acima, para controle de NOx, com amônia como reagente. Embora o gás natural não contenha os venenos catalisadores comumente presentes no carvão, a degradação do catalisador ainda ocorrerá. Duas fontes potenciais de venenos incluem sódio e fósforo. “O primeiro pode entrar no fluxo de gás a partir de (1) água injetada no motor para controle de NOx ou aumento de potência, (2) água fora das especificações usada na produção de amônia aquosa e (3) fontes ambientes para unidades localizadas perto da costa. O fósforo vem do óleo lubrificante que entra no fluxo de escape do GT [turbina a gás].3
A inclusão de um leito catalisador para oxidar CO residual em CO2 também é comum para HRSGs. A colocação dos leitos de CO e NOxcatalisador dentro dos feixes de evaporador e superaquecedor/reaquecedor HRSG pode ser variável, dependendo da faixa de temperatura ideal do catalisador.
Anexo 5-2
Caldeiras a carvão industriais e de energia estão entre as fontes mais fortemente regulamentadas de emissões atmosféricas devido à sua produção significativa de poluentes atmosféricos. No entanto, outros processos industriais também produzem emissões gasosasque necessitam de tratamento, muitas vezes permitindo que o gás seja reutilizado dentro da instalação ou convertido em um produto útil. Deve-se sempre considerar que o processo de remoção de poluentes do gás de combustão ou outras emissões converte essas substâncias em formas líquidas ou sólidas. Embora muitos desses subprodutos sejam menos perigosos do que o poluente original, eles ainda devem ser manuseados ou descartados com cuidado.
O Anexo 5-1 fornece uma visão geral dos métodos de remoção de partículas específicos para o setor de energia, embora métodos semelhantes possam ser aplicáveis em outras instalações. Um exemplo notável é o controle de partículas de fornos de siderúrgicas. Considere a operação de alto-forno, por exemplo. Embora o número de altos-fornos tenha caído bastante ao longo dos anos, eles ainda são o coração das usinas integradas. Para produzir um lote de aço fundido para refinamento adicional durante cada "calor", a carga do forno inclui coque e calcário para remover oxigênio do minério de ferro e coletar impurezas como uma escória que pode ser drenada. A exaustão gasosa da parte superior do forno contém monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2). Como o monóxido de carbono não é totalmente oxidado, o gás descarregado serve como um combustível valioso para geradores de vapor de baixa pressão na fábrica. No entanto, o gás deve ser limpo de partículas antes do uso posterior. Em geral, esses particulados consistem em finos de calcário, coque e minério de ferro. A precipitação eletrostática (ESP) é comum para remover a maior parte das partículas. A lavagem úmida geralmente segue o ESP para remover partículas residuais. O fluxo de resíduos da lavadora úmida deve ser processado por clarificadores e filtros para eliminar partículas e impurezas restantes, incluindo compostos orgânicos como fenóis que podem estar presentes.
Os fornos de jateamento produzem ferro-gusa, que deve ser refinado em especificações mais altas de aço. Esse processo é normalmente realizado em fornos básicos de oxigênio (BOF). Além disso, surgiram várias instalações que produzem aço a partir de sucata em fornos de arco elétrico (EAF). O escapamento dos fornos BOF e EAF também contém partículas. A lavagem úmida, que também resfria o gás de exaustão do forno, é comum nessas aplicações.
Muitos processos industriais produzem gases ácidos. Exemplos incluem decapagem de metal, produção direta de ácido e combustão de resíduos municipais. Os ácidos mais comuns desses processos incluem clorídrico (HCl), sulfúrico (H2SO4) e fluorídrico (HF). Vários métodos estão disponíveis para remover os ácidos. Uma técnica é lavar o secador por pulverização para entrar em contato com o gás com um spray fino de pasta de cal que converte os ácidos em sais de cálcio que podem então ser coletados em um sistema de filtro de tecido. Uma configuração de lavadora de secagem por pulverização é ilustrada no Apêndice 5-1.
Alguns processos unitários no setor de refinarias geram fluxos de gás complexos. O hidrotratamento, em particular, é realizado em numerosos fluxos de efluentes de torres de destilação atmosféricas e a vácuo para eliminar nitrogênio e especialmente enxofre, o que poderia contaminar leitos catalisadores em unidades de rachadura e reforma subsequentes. O hidrogênio elementar é misturado com a alimentação do sistema, que é então aquecida e transportada para o recipiente de reação. O hidrotratamento produz amônia (NH3) e sulfeto de hidrogênio (H2S), um composto altamente tóxico. No entanto, o H2S pode ser convertido em produtos úteis, conforme descrito neste apêndice.
O gás de escape do hidrotratador é normalmente lavado com uma solução de amina.
Tratamento de aminaporaminagrobise licenciado sob CC BY-SA 4.0
Figura 5.2.1 Fluxograma básico da remoção de H2S (e CO2) por lavagem com amina.
A amina magra suplementada com água de reposição entra no topo do vaso do reator (no lado esquerdo do diagrama) e remove o gás ácido. A solução de amina rica é então introduzida no regenerador para liberar H2S e CO2 e recuperar a amina para reutilização.
Algumas das aminas que foram empregadas para este processo incluem:
O processo Claus, reconhecido por sua eficácia na produção de enxofre elementar, converte o sulfeto de hidrogênio emitido pelo “regenerador” em um produto não tóxico. O fluxo de H2S é queimado com um fluxo de ar pobre para converter 1/3 do sulfeto de hidrogênio em dióxido de enxofre (SO2). Este composto então reage parcialmente com o H2S restante da seguinte forma:
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2H2S + SO2 → 2S + 2H2O |
O gás quente é direcionado através de um condensador, onde potencialmente até 70% do enxofre inicial é extraído como enxofre elementar. No entanto, quantidades substanciais de H2S permanecem, e o gás é tipicamente alimentado através de duas ou três unidades de recipiente de reaquecimento/catalisador que convertem a maior parte do H2S restante em enxofre elementar. O enxofre pode então ser enviado para as instalações para conversão em ácido sulfúrico, que é o maior produto químico commodity do país.
A tecnologia de ácido sulfúrico do gás oeste (WSA), desenvolvida por Haldor Topsoe, é uma alternativa ao processo Claus. Nesse processo, o H2S é completamente queimado em SO2, que é então oxidado cataliticamente em trióxido de enxofre (SO3) e convertido em H2SO4. Este é um método mais direto para produzir ácido sulfúrico do que o processo de Claus.
A química de amina também remove dióxido de carbono de gás residual ou gás de combustão de caldeira. Este método foi apresentado como uma solução para o uso contínuo do carvão como combustível para caldeiras elétricas. A tecnologia geral é conhecida como captura e sequestro de carbono (CCS), onde até 90% do CO2 é convertido em um fluxo concentrado e injetado subterrâneo para sequestro. Em algumas aplicações, o CO2é bombeado para campos petrolíferos esgotados para forçar a recuperação de petróleo para a superfície em um processo conhecido como recuperação de óleo aprimorada (EOR). Pesquisas adicionais sobre o desenvolvimento de aminas ou outros compostos que capturam prontamente CO2, mas minimizam os requisitos de calor para regeneração estão em andamento. Combinado com o Employer of Record, o CCS pode oferecer um incentivo econômico para continuar a geração de energia a carvão.
A produção de cimento é outra indústria que gera grandes quantidades de CO2. Aproximadamente 2/3 de uma mistura de Cimento Portland consiste em óxido de cálcio (Ca O), que é gerado a partir da decomposição de carbonato de cálcio em fornos.
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Ca CO3+ calor→Ca O + CO2↑ |
Vários métodos estão sendo pesquisados atualmente para reduzir as emissões de CO2 de plantas de cimento, incluindo técnicas para incorporar CO2em misturas de concreto, substituição parcial de cal por cinzas de caldeira de carvão e escória de alto-forno, e o uso potencial da tecnologia CCS mencionada acima.
Os pós finos de subprodutos de vários processos industriais criam um risco substancial de incêndio e explosão em muitas instalações. Além disso, a inalação dessas partículas finas pelos trabalhadores da fábrica pode apresentar um risco adicional à saúde. Exemplos de materiais que podem existir como partículas finas ou serem convertidos em partículas finas para uso em processos incluem:
O controle de poeira é crucial em instalações onde partículas são geradas. Um sistema de limpeza bem projetado em toda a fábrica pode ser essencial na prevenção do acúmulo de poeira. Um sistema de vácuo que puxa partículas transportadas pelo ar para um dispositivo de filtragem central é um componente comum desses sistemas. Este dispositivo de filtragem central pode ser um filtro de tecido, ou baghouse, comparável aos mencionados anteriormente neste capítulo, mas operando em condições ambientais. Os coletores de pó de cartucho oferecem uma alternativa para aplicações menores. Os coletores de poeira Cyclone também são comuns em algumas instalações, sejam independentes ou como pré-filtros à frente de uma caixa.
Figura 5.2.2 Coletor de poeira Cyclone.
Eles são frequentemente utilizados para instalações de transporte e descarga de carvão em usinas de energia. A lavagem úmida pode ser a melhor opção para partículas difíceis ou perigosas.
Concluindo, o ambiente interno em muitas fábricas pode ser perigoso. Embora seja comum focar no tratamento dos gases emitidos pelos processos da unidade, manter qualidade suficiente do ar ambiente também é vital.
Presidente da Buecker & Associates, LLC
Brad Buecker é presidente da Buecker & Associates, LLC e, mais recentemente, atuou como publicitário técnico sênior na ChemTreat. Tem mais de quatro décadas de experiência ou apoio à indústria de energia, grande parte dela em química de geração de vapor, tratamento de água e controlo de qualidade do ar. Buecker tem uma licenciatura em Química pela Iowa State University. Foi autor ou coautor de mais de 250 artigos para várias revistas técnicas de comércio e escreveu três livros sobre química de centrais elétricas e controlo da poluição atmosférica. Participa no Conselho Consultivo Editorial de Tecnologia da Água e é membro do comité de planeamento da ACS, AIChE, AIST, ASME, NACE (agora AMPP) e da Oficina de Química de Serviços Eléctricos.
O Manual Water Essentials da ChemTreat não teria sido possível sem as contribuições de muitas pessoas. Veja a lista completa de colaboradores.
