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Emissões de Poluentes

A poluição atmosférica é a principal decorrência ambiental do uso de combustíveis, embora outras formas de poluição possam também estar presentes. Por exemplo, o emprego de carvão mineral leva à geração de efluente sólido (cinzas). Ou ainda, o uso de um sistema de limpeza dos gases de combustão em via úmida leva à geração de efluente líquido.

Nos gases efluentes de processos industriais de combustão, encontram-se vários constituintes poluentes, sendo os óxidos de nitrogênio (NOx – NO, NO2), o material particulado (MP – orgânico, inorgânico) e os compostos de enxofre (SOx – SO2, SO3, H2SO4) os mais preocupantes.

Outros, como o monóxido de carbono (CO) e os compostos orgânicos voláteis (VOC), são constituintes que em equipamentos operando em condições normais são emitidos a taxas muito pequenas, não causando qualquer dano ambiental.

Há também o dióxido de carbono (CO2), cuja abordagem como “poluente” é recente e ainda controversa, e outros derivados de combustíveis ou de equipamentos de combustão de emprego restrito ou específico (por exemplo, cromo na queima de resíduos de curtume ou óxido nitroso - N2O em equipamentos de leito fluidizado).

Poluição atmosférica

São considerados poluentes atmosféricos aquelas substâncias adicionadas ao ar em quantidade suficiente para produzir efeito mensurável na fauna, flora ou em materiais em geral. Os poluentes podem estar na forma de partículas sólidas, de gotas ou de gases e podem ser classificados em dois grupos:

• Aqueles emitidos diretamente por uma fonte identificável – “poluentes primários”

• Aqueles produzidos no ar por interação entre duas ou mais substâncias, sejam elas poluentes ou não – “poluentes secundários”.

O NOx, o MP e o SOx são poluentes primários: A principal ação no homem consiste no ataque às vias respiratórias.

O NOx, por exemplo, como o CO, reage com a hemoglobina do sangue, reduzindo sua capacidade de transporte de oxigênio. O gráfico da figura ilustra o efeito do CO sobre o ser humano.

Já o Material Particulado, em particular o denominado “inalável” (diâmetro inferior a 10 micra) se aloja nas partes internas do sistema respiratório provocando lesões bastante graves.

O NOx e o SOx são também poluentes secundários, pois ambos na atmosfera dão origem aos ácidos nítrico e sulfúrico, respectivamente, que são os principais componentes da chuva ácida.

Além disso, o NOx participa de complexas reações fotoquímicas que levam à formação do chamado “smog” (“smoke” + “fog”) – atmosfera negro-amarronzada constituída de substâncias de forte ação oxidante, como o ozônio (O3), por exemplo.

Na literatura especializada se encontra, em geral, a seguinte definição para “smog”: “atmosfera resultante da exposição à luz do sol de alguns compostos orgânicos voláteis na presença de NOx”.

Estratégias de controle da poluição atmosférica

A legislação nacional vigente, em concordância com a tendência internacional, estabelece como prioritário o controle da poluição atmosférica pelos padrões de emissão de poluentes, reservando o uso de padrões de qualidade do ar como ação complementar de controle.

Na estimativa da emissão de poluentes, na realização de inventários e, com base neles, a elaboração de políticas públicas de controle da poluição ambiental é usual o emprego dos chamados fatores de emissão de poluentes.

Os padrões de qualidade do ar determinam os valores limites legais para as concentrações de poluentes no meio ambiente, sempre medidas num certo período. Em cada país, a legislação sobre a poluição do ar estabelece tais limites. Padrões nacionais de qualidade do ar

Os padrões de emissão determinam a quantidade máxima permissível de poluentes que pode ser emitida por uma determinada fonte poluidora. A legislação sobre poluição ambiental de cada país estabelece tais limites.

Padrões de emissão de poluentes nacionais para fontes fixas de combustão

Formação de óxidos de nitrogênio e técnicas de controle

Os óxidos de nitrogênio formados durante processos convencionais de combustão são basicamente o NO e, em escala bem menor, o NO2. Em processos muito particulares, outros óxidos podem estar presentes como, por exemplo, o N2O, formado na combustão em leito fluidizado.

O óxido nítrico (NO) pode se formar na combustão via três mecanismos:

(1) térmico (“thermal”) (“NOx térmico”) (2) combustível (“fuel”) (“NOx combustível”). (3) ativo (“prompt”). (“NOx ativo”)

NOx térmico:

O NO se forma no processo de combustão pela reação do nitrogênio do ar com oxigênio. As principais reações que governam a formação de NO térmico, durante a combustão de misturas ar-combustível, são dadas pelas equações de Zeldovich:

A velocidade do processo de formação é determinada pela reação direta (primeira equação, acima), que se torna importante somente em condições de alta temperatura. A formação do NO térmico numa câmara de combustão, ocorre principalmente em regiões de temperatura acima de 1800K.

Teores de O2 mais altos na câmara contribuem pouco para o acréscimo na formação do NO térmico.

Os gráficos mostram genericamente a influência dos parâmetros temperatura e teor de O2 na formação do NO térmico.

NOx combustível:

O NO se forma no processo de combustão pela reação do nitrogênio do combustível com oxigênio. Os compostos orgânicos de nitrogênio sofrem decomposição térmica na câmara de combustão, resultando em compostos como NH3, HCN, CN, NH.

Tais compostos participam de reações competitivas de oxidação e de formação de nitrogênio molecular. Portanto, a formação do NO combustível tende a ser maior nas regiões da câmara onde o teor de O2 for mais alto.

A combustão de óleos com maior teor de nitrogênio tende a formar mais NO. Os gráficos mostram genericamente a influência dos teores de O2 dos gases e de nitrogênio do combustível na formação do NO combustível.

NOx ativo:

O NO se forma pela reação do nitrogênio do ar com radicais hidrocarbônicos (CH2, CH) formados no processo de combustão. Em processos convencionais, que operam com quantidade de ar acima da estequiométrica, a formação de NO ativo não é significativa.

Técnicas de controle das emissões de NOx:

As técnicas para controle das emissões de NOx em processos de combustão industrial se dividem em dois grupos:

As primeiras, em geral, são mais atraentes do ponto de vista econômico. A formação de NOx no processo pode ser reduzida, basicamente, por:

(1) redução dos teores de oxigênio ou nitrogênio nas regiões da câmara de combustão de alta temperatura, ou redução do tempo de residência desses elementos nessas regiões.

(2) redução das temperaturas na câmara de combustão.

Isto pode ser feito de várias formas, que vão desde;

• alterações nas variáveis operacionais do processo de combustão, como; redução do excesso de ar,

• até modificações substanciais no processo, como; estagiamento no fornecimento de ar ou combustível.

Estas últimas são muito efetivas, podendo reduzir as emissões de NOx em até 70 % e são largamente empregadas em equipamentos de combustão instalados na Europa e Estados Unidos.

Estagiamento do ar de combustão:

O estagiamento do ar de combustão é feito em geral através da substituição, ou modificação, do queimador convencional por outro especialmente projetado para o fornecimento de ar primário, secundário e, às vezes, terciário ao processo, de forma a se obter chamas constituídas de regiões com diferentes estequiometrias.

Numa primeira região, próxima ao bocal do queimador, uma condição redutora permitirá que boa parte do nitrogênio presente no combustível seja convertido preferencialmente a nitrogênio molecular, e não a NOx.

Nas demais regiões, o aporte controlado de ar permitirá a oxidação completa dos demais elementos do combustível. Essa técnica visa, além da redução do NOx, formado devido à presença de nitrogênio no combustível (NOx combustível), a diminuição da fração do nitrogênio do ar que se converte a NOx (NOx térmico), pois leva a temperaturas, ao longo da chama, menores e mais uniformes. Tais queimadores são os chamados “low NOx burner”.

Estagiamento do combustível:

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