análise ambiental da queima de lodo em caldeira a grelha

análise ambiental da queima de lodo em caldeira a grelha

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O sistema água-vapor utiliza água de alimentação desmineralizada a 120 ºC e 8.0.0 Pa e isenta de oxigênio dissolvido, o vapor de saída é superaquecido a 400 ºC e 5.0.0 Pa com controle de temperatura através de subcooler (dessuperaquecedor) utilizando o vapor resfriado do balão superior. O sistema de queima corresponde a cinco alimentadores de biomassa, operando com inversores de freqüência para controle da dosagem do material, além deste há quatro queimadores de óleo combustível usados como queima suplementar, sendo que cada queimador possui quatro maçaricos de gás natural, respectivamente.

O sistema de ar-gás da chaminé opera com um ventilador de ar forçado, no qual oferece o ar de combustão do material. Um ventilador de ar secundário, qual fornece ar para formar uma cortina de selagem, bem como efetuar o término da combustão e o controle do oxigênio livre. Há dois conjuntos de tubos de água trocando calor em contra corrente com os gases provenientes da fornalha, denominados economizadores e três feixes de tubos que também trocam calor em contra corrente com os gases da fornalha. Ainda possui um ventilador de exaustão dos gases da fornalha mantendo-a com pressão negativa.

Atende as seguintes características gerais: de circulação natural, suspensa em estrutura metálica, operando com ar forçado e tiragem induzida. Capacidade máxima contínua de 27,778 kg/s de vapor à 5.0.0 Pa manométricos de pressão e 420 ºC e utilizando água de alimentação desaerada a 130 ºC. A Tabela 1 indica detalhes técnicos da caldeira, e a Figura 1 mostra a caldeira em corte.

Tabela 1: Principais parâmetros controlados para caldeira Zanini.

Pressão de trabalho 5.0.0 Pa Vazão de cavacos 0,028 m3 /s

Vazão de vapor 27,78 kg/s Umidade do cavaco 40 %

Temperatura do vapor 420 ºC Vazão ar forçado 15,556 Nm3 /s

Pressão da fornalha -400 Pa Vazão ar secundário 7,944 Nm3 /s

Temp. água alimentação 120 ºC Pres. água alimentação 8.0.0 Pa Temp. do ar forçado 197 ºC Pressão ar primário 25.331 Pa Temp. ar secundário 25 ºC Pressão ar secundário 14.400 Pa Temp. da fornalha 720 ºC Pressão de óleo 1.800.0 Pa Temp. gás economizador 350 ºC Vazão de óleo 2,117 kg/s Temp. gás pré-a-gás 198 ºC Temp. gás chaminé 160 ºC Temperatura óleo 140 ºC Oxigênio livre chaminé 8 % Fonte Suzano Papel e Celulose, 2005.

Figura 1: Caldeira Zanini de queima de biomassa. Fonte Mitsubishi, 2005.

A análise térmica e ambiental desenvolveu-se em uma caldeira aquatubular de geração de vapor de alta pressão, com fornalha em depressão e queima em grelha rotativa. Analisaram-se vários processos de queima, sendo nomeados de panoramas um a nove.

Panorama 1: caldeira operando com 100% de óleo combustível, obtendo-se dados experimentais, através da operação estável da caldeira por um período de quatro horas, de alguns parâmetros como: Consumo de combustível;

Produção de vapor;

Vazão de água de alimentação;

Temperatura de entrada de água de alimentação;

Temperatura de saída de gases de exaustão;

Excesso de oxigênio.

Panorama 2: caldeira operando com 100% cavacos de eucalipto, obtendo-se dados experimentais. Nesta operação obtiveram-se as mesmas condições citadas no panorama 1.

Panorama 3: caldeira operando com o total de lodo primário retirado da estação de tratamento de efluentes, obtendo-se dados através de cálculos.

Panorama 4: operação normal diária da caldeira, sendo os dados obtidos experimentalmente, seguindo as condições citadas no panorama 1. As condições normais de operação são:

Vazão em massa de óleo combustível de 0,4167 kg/s, que corresponde a uma vazão total de combustível, em massa de 5,54% de óleo combustível;

Vazão em massa de cavacos de eucaliptos de 7,1109 kg/s que correspondem a uma vazão total de combustível em massa de 94,46 %;

O óleo combustível é utilizado nesta vazão, devido à necessidade de manter uma queima suplementar, para auxiliar na produção de vapor, por causa das variações de consumo de vapor ocorridos no processo. Isto acontece porque a resposta de produção de vapor a partir da queima de óleo combustível é mais rápida que a resposta de produção de vapor para a queima de cavacos de eucaliptos. Além desta condição, há necessidade de manutenção de uma chama piloto de óleo combustível para segurança de operação da caldeira, pois ocorrem falhas de alimentação freqüentes de cavacos de eucaliptos, como exemplo entupimentos em dutos de transporte, falha de abastecimento na correia transportadora, entrelaçamento de lascas de madeira, etc.

Panorama 5: A operação da caldeira, obtido através de cálculos, seguindo os parâmetros citados no panorama 3, com uma mistura de combustíveis de: 5,36 % de óleo combustível, em vazão mássica, sendo a vazão fixada em 0,4167 kg/s, como foram exemplificados no panorama 4; 5,72 % de lodo de efluente, em vazão mássica de 0,4447 kg/s, que se refere a 25 % de todo resíduo primário retirado da estação de tratamento de efluentes; 8,91 % de cavacos de eucaliptos, em vazão mássica de 6,9081 kg/s;

A vazão de combustível fica limitada às vazões máximas projetadas para os ventiladores de entrada de ar de combustão e de saída de gases de exaustão.

Panorama 6: A operação da caldeira, obtido através de cálculos, seguindo os parâmetros citados no panorama 3, com uma mistura de combustíveis de: 5,20 % de óleo combustível, em vazão mássica, sendo a vazão fixada em 0,4167 kg/s, como foram exemplificados no panorama 4; 1,10 % de lodo de efluente, em vazão mássica de 0,8893 kg/s, que se refere a 50 % de todo resíduo primário retirado da estação de tratamento de efluentes; 83,70 % de cavacos de eucaliptos, em vazão mássica de 6,7055 kg/s;

A vazão de combustível fica limitada às vazões máximas projetadas para os ventiladores de entrada de ar de combustão e de saída de gases de exaustão.

Panorama 7: operação da caldeira, obtido através de cálculos, seguindo os parâmetros citados no panorama 3, com uma mistura de combustíveis de:

5,05 % de óleo combustível, em vazão mássica, sendo a vazão fixada em 0,4167 kg/s, como foram exemplificados no panorama 4; 16,16 % de lodo de efluente, em vazão mássica de 1,334 kg/s, que se refere a 75 % de todo resíduo primário retirado da estação de tratamento de efluentes; 78,79 % de cavacos de eucaliptos, em vazão mássica de 6,5028 kg/s;

A vazão de combustível fica limitada às vazões máximas projetadas para os ventiladores de entrada de ar de combustão e de saída de gases de exaustão.

Panorama 8: A operação da caldeira, obtido através de cálculos, seguindo os parâmetros citados no panorama 3, com uma mistura de combustíveis de: 4,90 % de óleo combustível, em vazão mássica, sendo a vazão fixada em 0,4167 kg/s, como exemplificado no panorama 4; 20,94 % de lodo de efluente, em vazão mássica de 1,7786 kg/s, qual se refere a 100 % de todo resíduo primário retirado da estação de tratamento de efluentes; 74,16 % de cavacos de eucaliptos, em vazão mássica de 6,3002 kg/s;

A vazão de combustível fica limitada às vazões máximas projetadas para os ventiladores de entrada de ar de combustão e de saída de gases de exaustão.

Panorama 9: A operação da caldeira, obtido através de cálculos, seguindo os parâmetros citados no panorama 3, com uma mistura de combustíveis de: 2,60 % de óleo combustível, em vazão mássica, sendo a vazão fixada em 0,4167 kg/s, como foram exemplificados no panorama 4; 97,40 % de lodo de efluente, em vazão mássica de 15,6003 kg/s, o cálculo extrapola para uma situação hipotética, na qual se utilizaria resíduo primário retirado da estação de tratamento de efluentes, numa quantidade acima do gerado;

A vazão de combustível fica limitada às vazões máximas projetadas para os ventiladores de entrada de ar de combustão e de saída de gases de exaustão.

Através do descritivo técnico da caldeira de biomassa feita pela Companhia Brasileira de

Caldeiras para Suzano Papel e Celulose, as capacidades máximas de operação dos ventiladores de entrada de ar de combustão e de exaustão dos gases de chaminé são 184.400 Nm3 /h e 317.500

Nm3 /h, respectivamente.

A análise do volume de controle é demonstrada na Figura 2, indicando os fluxos de entrada e saída do sistema.

Figura 2: Volume de Controle para Caldeira de Biomassa.

De acordo USEPA, (2001), em seu documento “Preferred and Alternative Methods for

Estimating Air Emissions from Boilers”, mostra propostas para descrever estimativas de emissões de fontes estacionárias, bem como uma maneira de calcular os níveis de emissões. Neste trabalho utilizou-se a determinação de emissões através da análise do combustível, aplicando a lei de conservação das massas, onde é assumido que todo poluente presente no combustível é emitido junto com os gases de exaustão. Este conceito é apropriado para poluentes como metais, SO2 e CO2. A Equação (1) indica os níveis de emissões dos constituintes do combustível.

Entrada de água

Saída de vapor Combustível + ar de combustão

Cinzas e escória

Gases de exaustão, combustão completa, incompleta (química e mecânica).

f M

cQE**(1)

Sendo: E = emissão do poluente; Qf = vazão gases de exaustão (m3 /h); c = concentração do poluente no combustível (ppm); MP = massa molecular poluente emitido (g/mol); Mf = massa molecular poluente no combustível (g/mol).

As reações químicas de formação de poluentes são descritas abaixo:

Equação (2), para oxidação do carbono proveniente do combustível com o oxigênio do ar, se transformando em dióxido de carbono.

COOC(2)

Equação (3), para oxidação do enxofre contido no combustível com o oxigênio do ar, transformando em dióxido de enxofre.

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