Aula 16 combustão industrial e controle das emissões - parte ii - 20.05.11

12.343 visualizações

Publicada em

Aula da Disciplina Processos de Produção Quimcos, da Faculdade Area1 - Grupo DeVry - Tema: Combustão Industrial - Parte II

Publicada em: Educação
0 comentários
9 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
12.343
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
15
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
443
Comentários
0
Gostaram
9
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Aula 16 combustão industrial e controle das emissões - parte ii - 20.05.11

  1. 1. Processo de Produção Química1º. Sem./2011 Engenharias
  2. 2. Combustão TópicosO Processo de CombustãoA reação de combustãoOs tipos de combustãoEficiência na combustãoControle da CombustãoTratamento Efluentes GasososAspectos legais das Emissões
  3. 3. Combustão Processo Combustão  Caldeiras Flamotubulares Gás Óleo Lenha Gases de combustão passam através dos tubos 3
  4. 4. Combustão Processo Combustão  Caldeiras Aquatubulares Água passa através dos tubos 4
  5. 5. Combustão Processo Combustão • CO2 (g) Partículas sólidas • CO (g) (poeira) Análise • N2 (g) Orsat + • O2 (g) • SO2 (g) Hidrocarbonetos • NOx (g) pesados • H2O (v)Combustível Combustão Gases residuaisC + HC + S + (fumos) H2 + N • C + O2  CO2 Comburente • H2 + ½ O2  H2O CinzasAr atmosférico (comb. sólidos) (O2 + N2) 5
  6. 6. Combustão Reação de Oxi-redução A combustão é uma reação de oxi-redução em alta temperatura Combustível  redutor  se oxida (perde e-) Comburente  oxidante  se reduz (ganha e-) Necessita de energia de ativação Reação exotérmica (libera calor) Processo auto-ativante 6
  7. 7. Combustão Processo Combustão De modo geral a reação acontece em “fase gasosa” Pulverizado Combustível ou Vapor + O2 líquido evaporado Difusão O2 Combustível Interface até sólido sólido-gás superfície 7
  8. 8. Combustão Processo Combustão  Principais reações e energias envolvidas(1) C (grafite) + O2  CO2 + 94,03 Kcal/mol(2) H2 (gás) + ½ O2  H2O (vapor) + 57,80 Kcal/mol(3) H2 (gás) + ½ O2  H2O (líquido) + 68,32 Kcal/mol  Variação de “entalpia” a 25º C (1) ∆H(CO2) a 25ºC = - 94,03 Kcal/mol (2) ∆H(H2O vapor) a 25ºC = - 57,80 Kcal/mol (3) ∆H(H2O liq) a 25ºC = - 68,32 Kcal/mol 8
  9. 9. Combustão Processo Combustão  Combustível com enxofre(4) S (sólido) + O2  SO2 + 72,00 Kcal/mol(5) S (sólido) + 3/2 O2  SO3 + 105,5 Kcal/mol  Combustão incompleta (falta de O2)(6) C (grafite) + CO2 (gás)  2 CO (gás) - 40,79 Kcal/mol  Se adicionarmos mais AR (excesso de O2)(7) CO (gás) + ½ O2  CO2 (gás) + 69,91 Kcal/mol 9
  10. 10. Combustão Tipos de Combustão Combustão  Combustão Incompleta Completa 10
  11. 11. Combustão Tipos de Combustão  Depende da relação (combustível / O2)Incompleta CH4 + 2/3 O2  CO + 2H2O Insuficiência de CH4 + O2  C + 2H2O O2Teoricamente Quantidadecompleta CH4 + 2 O2  CO2 + 2H2O estequiométrica de O2Praticamente Excesso de O2 CH4 + 2 O2  CO2 + 2H2Ocompleta 11
  12. 12. Combustão Eficiência da Combustão Tipo de combustível Eficiência do queimador Condições operacionais da combustão (excesso de ar) 12
  13. 13. Combustão Eficiência da Combustão 5a 20 a 30 a30% 40% 100% excesso de ar 13
  14. 14. Combustão ComburenteComponentes - AR % Na prática:Nitrogênio 78,03Oxigênio 20,99 Comburente (O2) 20,99%Argônio 0,94 Gases inertes (N2 e gases nobres) 79,01%Dióxido de carbono 0,03Hidrogênio 0,01 Nos Cálculos (ar seco):Neônio 0,00123 Oxigênio (O2) massa molar = 32 21,0% p/vHélio 0,0004 Nitrogênio (N2) massa molar = 28 79,0% p/vCriptônio 0,00005Xenônio 0,000006 Oxigênio (O2 23,2% p/p (em peso) Nitrogênio (N2) 76,8% p/p (em peso) 14
  15. 15. Combustão Eficiência da Combustão Avaliação do Rendimento da CombustãoSe a composição do A quantidade teórica de arcombustível e dos para a combustão completa eprodutos de sua a composição estequiométricacombustão são medidos, o dos produtos combustíveisrendimento da combustão são calculados e comparadospode ser calculado; com a composição real obtida pela análise dos gases de combustão 15
  16. 16. Combustão Eficiência da Combustão  O que é um “queimador” ? é o equipamento encarregado de processar a queima de um combustível (gás, liquido, sólido) numa fornalha ou câmara de combustão. 16
  17. 17. Combustão Eficiência da Combustão Principais funções de um “queimador”:  Promover uma boa mistura ar combustível de tal forma que a chama seja estável e bem conformada.  Dosar o combustível e o ar em proporções que estejam dentro dos limites de flamabilidade para ignição e uma queima estável.  Garantir que não haverá retorno de chama nem descolamento.  Permitir que o combustível e o oxidante fiquem em contato o tempo suficiente para ocorrer e completar a reação de combustão. 17
  18. 18. Combustão Eficiência da Combustão  Cálculo da % de ar em excesso 20,9. = − 1100 20,9 − %2 18
  19. 19. Combustão Eficiência da Combustão Eficiência máxima = % correta de ar excesso Diminui eficiência e o ar extra “roubará” calor se % aquecendocorreta deexcesso Combustão incompleta  gases de ar residuais “roubarão” calor latente 19
  20. 20. Combustão Eficiência da Combustão  Identificação % correta de ar excesso Reconhecido pela grande % quantidade de oxigênio no gás de combustãocorreta deexcesso Reconhecido pelo aparecimento de ar de quantidades excessivas de CO no gás de combustão, um pouco antes do aparecimento da fumaça preta (fuligem) 20
  21. 21. Combustão Controle da Combustão Controle pelos Controle visual Controle instrumental resultados• Técnica requer • Consiste de técnicas • Avaliação dos experiência de medição dos resultados pela operacional para parâmetros de contabilidade dos observação. operação como: consumos específicos, Operadores devem • medição das como: possuir o sentido e temperaturas do • vazão de vapor x cons. comando do fogo e o processo, pressões de de combustível controle da queima é ar dos ventiladores, • quantidade de material feito através da das câmaras de processado x consumo observação: combustão, da tiragem de combustível• da densidade da • indicação de vazões de • qualidade do material fumaça no topo da ar ou de combustível processado, etc chaminé • medição dos produtos• da cor, do aspecto e da combustão – O2, forma da chama CO, CO2 21
  22. 22. CombustãoControle da Combustão 22
  23. 23. CombustãoControle da Combustão 23
  24. 24. CombustãoControle da Combustão 24
  25. 25. CombustãoControle da Combustão 25
  26. 26. Combustão Controle da Combustão verifica se a Análise combustão Aparelho gases esta com % ar excesso de Orsatresiduais correto 26
  27. 27. Combustão Controle da Combustão Análise de Orsat (absorção seletiva) % CO2 v/v KOH % O2 v/v Ac. pirogálico % CO v/v Cloreto cuproamoniacal % N2 v/v Diferença balanço massa Vapor d’água Se condensa  Base seca (sem vapor d’água) 27
  28. 28. Combustão Controle da Combustão  Conclusões A aplicação do bom senso ao interpretar a análise do gás de combustão pode levar, por exemplo, à descoberta de: deficiências no processo de combustão; vazamento no forno ou no sistema condutor; e inconsistências na análise de especificação do combustível. 28
  29. 29. Combustão Eficiência da Combustão  Coloração da chama e da fumaça (depende do tipo combustível): Ideal: para óleos combustíveis  Fumaça cinza-claro e chama laranja-amarelado Excesso exagerado de ar:  Fumaça branca, volumosa e chama amarelo brilhante. Falta de ar:  Fumaça escura, preta e chama amarelo- avermelhado.
  30. 30. Combustão Análise dos GasesAnalisador Portátil• O equipamento permiteconfigurações com até 6 sensores,sendo no máximo 2 infra-vermelhos.O2 - MensuradoCO - MensuradoCO2 - MensuradoGases opcionais:NO2 - mensuradoH2S - calculadoNO/NOxSO/SO2
  31. 31. Combustão Análise dos GasesA análise dos gases de combustão ou de gasesperdidos dos processos de combustão:– Em base seca de volume (sem referência à águano gás);– Grande variedade de equipamentos para análisede gases.O valor da análise do gás de combustão reside na informação que tal análise é capaz deproporcionar e na interpretação colocada em tal informação.
  32. 32. Combustão Análise dos GasesIntrepretação da anáilse: A aplicação do bom senso ao interpretar a análisedo gás de combustão pode levar, por exemplo, àdescoberta de:• deficiências no processo de combustão;• vazamento no forno ou no sistema condutor; e• inconsistências na análise e especificação docombustível.
  33. 33. CombustãoProdutos da Combustão 33
  34. 34. Combustão Produtos da Combustão  Combustão de sólidos e líquidos: Além dos gases gerados há a liberação de material particulado e fuligem Compostos poluentes atmosféricos (produtos da combustão incompleta):  CO e CO2;  Óxidos de nitrogênio e enxofre;  Compostos orgânicos voláteis: VOCs e SVOCs, PAHs, PCDDs (dioxinas) e PCDFs (furanos)  Elementos inorgânicos e metais pesados 34
  35. 35. Combustão Emissões Gasosas Controle e monitoramento de emissões:• Células eletroquímicas, análise de O2, CO, NO, NO2, SO2 e CxHy;• Cálculo do ar excedente;• CO2 calculado com base no tipo de combustível previamente definido (10 tipos selecionáveis), e no excesso de ar;• Valores de concentração (ppm ou %);• Medição da temperatura do gás e do ar ambiente;• Cálculo da eficiência de combustão como função da temperatura do ar de combustão e do gás de combustão;• Concentrações com referência a uma porcentagem definida de O2;• Velocidade do gás (m/s), com ajuste prévio da densidade do gás;• Medição do índice de fuligem – comparação com escala Bacharach.
  36. 36. Combustão Emissões GasosasImportante:Conhecimento prévio da composição docombustível para previsão e controle das emissõesoriginadas da sua queima:• CO e CxHy: seu aparecimento entre os produtos dacombustão é indicativo de baixa eficiência do processo;• NO e NO2: teor de N no combustível;• SO2: teor de S no combustível.
  37. 37. Combustão Emissões Gasosas Gases de combustão: • CO2, H2O, SOx, CO, NO e NO2 (NOx) A queima lança no ar e deixa nas instalações onde se deu a queima, três tipos principais de substâncias e de compostos: • HC (CxHy), inclusive os aromáticos e os policíclicos aromáticos (PAHs), os óxidos (CO, CO2) • elementos inorgânicos (S, N, K, F) e seus compostos oxidados (SO2, NO, NO2) ou combinados com metais (nitratos, sulfatos). • pequenas proporções de metais pesados, ou de íons, sais e óxidos destes metais (Al, As, Cu, Hg, Pb, Cd, Cr, Sb). Estas substâncias e compostos provêm da queima de diversos materiais.
  38. 38. Combustão Emissões GasosasCombustão de sólidos e líquidos:– Além de gases, liberação de material particulado efuligem.• Compostos poluentes atmosféricos.– CO;– Óxidos de nitrogênio e enxofre;– Compostos orgânicos voláteis (combustãoincompleta): VOCs e SVOCs, PAHs, PCDDs(dioxinas) e PCDFs (furanos)
  39. 39. Combustão Emissões Gasosas Fuligem (Escala Bacharach)
  40. 40. Combustão Emissões Gasosas  Teor de CO2 no gás de exaustão seco Fornece uma medida útil do rendimento da combustão de um determinado combustível Proporção máxima de CO2 nos produtos de combustão será encontrada quando a relação Ar/C for estequiométrica; Na prática: concentrações de CO2 devem ser mais baixas que a estequiométrica pela necessidade de se usar ar em excesso; A quantidade de excesso de ar decresce com o aumento da capacidade e com o rendimento maior no equipamento de combustão
  41. 41. Combustão Emissões Gasosas  Para minimizar as perdas de calor ... Teor de CO2 deve ser alto Nem sempre teor de CO2 alto significa bom rendimento; Ideal: análise do percentual de outro gás, embora a medição de apenas um já ser um indicativo da qualidade da queima, principalmente aliado a outras características como a cor da fumaça da chaminé e da chama
  42. 42. Combustão Emissões Gasosas Comparação dos resultados das análises com padrões: Tabela: Teores de CO2 e O2 padrão.
  43. 43. Combustão Emissões Gasosas Baixos valores de CO2 podem ser provocados por:  Excesso exagerado de ar no processo de combustão;  Insuficiência de ar (combustão incompleta);  Tiragem excessiva;  Entrada falsa de ar na fornalha;  Nebulização imperfeita do combustível (óleos).
  44. 44. Emissão Combustão Técnicas de Redução
  45. 45. Emissão Combustão Técnicas de Redução
  46. 46. Emissão Combustão Material Particulado  Cinzas Cinzas (óxidos inorgânicos, CaO, Al2O3, K2O, etc.); % cinzas - determinado pela combustão completa da amostra Maior em combustíveis sólidos Óleos combustíveis pesados  até 0,1% 46
  47. 47. Emissão Combustão Material Particulado  Fuligem Fuligem (combustível não queimado  10 - 1000 nm); Pode ser formada pela recombinações de voláteis ou frações leves do combustível ou pela liberação de voláteis (sólidos e líquidos) que não foram oxidados devidos a condições ineficientes da combustão Muito indesejável - PAH 47
  48. 48. Emissão Combustão Material Particulado Técnicas para redução dessas emissões:  Aerociclones  Preciptador eletrostático  Lavador de gases
  49. 49. Emissão Combustão Material Particulado  Bateria de aerociclones baixo custo e alta perda de carga
  50. 50. Emissão Combustão Material Particulado  Preciptador EletrostáticoEntrada de ar  Tipo horizontal de 1 estágio  Eficiência alta 99%
  51. 51. Emissão Combustão Material Particulado Preciptador Eletrostático  Tipo vertical
  52. 52. Emissão Combustão Material Particulado Lavador de gases ou scrubber  Separa particulados e/ou poluentes gasosos  Lavagem do gás com água (nebulizada)  Necessita de sistema de tratamento de efluentes  Baixa eficiência partículas pequenas
  53. 53. Emissão Combustão Óxidos de enxofre Formados na combustão de combustíveis contendo enxofre (sólidos e óleos pesados) Combustão forma o SO2, uma parcela oxida formando SO3 (dependendo da T e do excesso de ar), ou na atmosfera através da radiação UV Umidade dos gases e do ar atmosférico reage com SO3  H2SO4 (causa corrosão) Um dos principais causadores das chuvas ácidas, junto com os NOx
  54. 54. Emissão Combustão Óxidos de enxofre Lavagem dos Gases Combustão leito fluidizado• Remoção efluentes gasosos • Através da adição de através da lavagem dos calcário ao combustível gases em uma corrente de líquido alcalino • O enxofre é adsorvido no calcário• A água desse processo deve ser analisada e se • Gera resíduos sólidos (NBR necessário tratada antes de 10.004) seu lançamento em rios e • Calcário: Rocha com % lagos (vide Resolução (CaCO3) acima de 30% CONAMA n. 357)
  55. 55. Emissão Combustão Remoção SO2 Lavador de gases  Tratamento de água de lavagem – Resolução Conama 357/2005 (condições padrões para lançamento de efluentes em corpos hídricos
  56. 56. Emissão Combustão Monóxido de Carbono Altamente tóxico, sem cor, odor e gosto, e não irritante; Só pode ser detectado através de instrumentos de análise Alguns efeitos fisiológicos que ocorrem a pessoas expostas a diferentes concentrações deste gás no ar:  Vide tabela próximo slide
  57. 57. Emissão Combustão Monóxido de CarbonoTabela: efeitos fisiológicos do monóxido de carbono
  58. 58. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênio Os óxidos de nitrogênio (NOx) formados durante o processo de combustão são constituídos de aproximadamente 95% de óxido nítrico (NO) e o restante de dióxido de nitrogênio (NO2).
  59. 59. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênio Principais alternativas para minimização destas emissões: Utilização de combustíveis com baixo teor de nitrogênio; Modificações no processo de combustão.  Baixo excesso de ar;  Recirculação dos gases de exaustão;  Tratamentos pós-combustão.
  60. 60. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênio 60
  61. 61. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênio NO térmico (N2 e O2 do ar, T(°C) 1500°C):  N2 + O  NO + N  N + O2  NO + O  N + OH  NO + H NO ativo (N2 e O2 do ar, via radical CH, T ~ 800°C):  CH + N2  HCN + N  ...  NO NO combustível (Carvão 1%, Biomassa 7%):  CxHyOzNw + O2  NO + HCN/NH3 ... NO via N2O térmico:  N2 + O + M  N2O + M  N2O + O2  NO + NO
  62. 62. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênio Redução dos teores de NOx: Tratamento pré e durante a combustão:  Utilização de combustíveis com baixo teor de N.  Combustão com baixo excesso de ar (até 15%)  Combustão estagiada: 2 estágios (20 a 50%)  Recirculação dos gases de exaustão (até 70%) Tratamentos pós-combustão  Redução seletiva não-catalítica  Redução seletiva catalítica (redução 80 a 90%)
  63. 63. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênioRedução dos teores de NOx: Combustão com baixo excesso de ar: envolve a operação com o excesso de ar mais baixo possível, mantendo-se a combustão completa. Nesse caso, normalmente utiliza-se de 5 a 8% de excesso de ar, obtendo-se reduções de até 15% nas emissões de NOx. Essa diminuição nas emissões é devido à iminuição na formação de NO térmico e combustível
  64. 64. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênioRedução dos teores de NOx: Combustão estagiada: é o emprego de mais de um estágio de combustão. Normalmente são dois estágios: primeiro estágio utiliza condições ricas em combustível; segundo estágio emprega excesso de ar. Diminuições entre 20 a 50% nas emissões de NOx podem ser esperadas para a combustão do gás natural.
  65. 65. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênioRedução dos teores de NOx: Recirculação dos gases de exaustão: 10 a 20% dos gases de exaustão (200-300)°C são recirculados para a fornalha ou queimador  Diminuição na temp. da chama e da disponibilidade de O2, diminuindo a formação de NO térmico (formado em altas temp. pela reação entre o N2 e o oxigênio atômico - O), ambos provenientes principalmente do ar de combustão).  Reduz a formação de NOx em até 70% em queimadores a gás natural.
  66. 66. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênioRedução dos teores de NOx: (pós combustão) Redução seletiva não-catalítica (SNCR): NH3, ou uréia, é injetada acima da zona de combustão, reagindo com OH a NH2, que então reage com NO formando N2 e água. Necessita de altas temperaturas (900-1100oC)
  67. 67. Emissão Combustão Óxidos de nitrogênioRedução dos teores de NOx: (pós combustão) Redução seletiva catalítica (SCR): nessa técnica faz-se a injeção de NH3 quando os gases de exaustão passam por um leito de catalisador. A redução nas emissões de NOx é acima de 80-90%. A temperatura ótima de operação fica entre 300 – 400º C. SCR tem sido usada comercialmente desde 1980 no Japão e 1986 na Alemanha.
  68. 68. Emissão Combustão Orgânicos VoláteisCaracterísticas São formados pela combustão incompleta do combustível ou por parcelas do próprio combustível (PQOV) ou formados a partir dos radicais de hidrocarbonetos não oxidados completamente No combustível: % de hidrocarbonetos totais % HC e o %CO podem ser utilizados com indicadores de combustão completa (controle)
  69. 69. Emissão Combustão Orgânicos VoláteisPrincipais razões da formação dos HC totais nos gases de combustão = CO e outros Regra dos 3 Ts Turbulência - Mistura não homogênea entre combustível e ar; Tempo - Má distribuição do tempo de residência dos gases; Temperatura - Esfriamento da chama, interrompendo as reações
  70. 70. Emissão Combustão Orgânicos VoláteisPrincipais - PQOV VOCs e SVOCs (volatile and semi volatlie organic compoundse); PAH (polynuclear hydrocarbons); PCDDs (polyclorineted dibenzo para dioxins) ~75 isomeros - DIOXINAS PCFs (polyciclic dibenzofurans) ~135 isomeros - FURANOS PCBs (polychlorinated biphenyls)
  71. 71. Emissão Combustão Orgânicos VoláteisBenzeno, Tolueno, Etilbenzeno e Xileno (BTEX) Encontram-se fortemente ligados às partículas sólidas originadas dos processos de combustão
  72. 72. Emissão Combustão Orgânicos VoláteisHidrocarbonetos poliaromáticos (HPA ou PAH) Encontram-se fortemente ligados às partículas sólidas originadas dos processos de combustão São centenas de compostos contendo 2 a 8 anéis carbônicos derivados do Benzeno; Estrutura quimica do Benzo(a)pireno
  73. 73. Emissão Combustão Orgânicos VoláteisDioxinas e Furanos Extremamente tóxicos, mutagênicos e carcinogênicos mesmo em concentrações-traço (Chagger et al., 1998);  São detectadas em todas as matrizes ambientais (solo, sedimentos, água, animais e plantas);  Formam-se através da combustão incompleta de compostos orgânicos, entre temperaturas de 200 à 600°C;  Toxicidade depende do número e das posições dos átomos de cloro
  74. 74. Emissão Combustão Orgânicos Voláteis 74
  75. 75. Emissão Combustão Orgânicos Voláteis 75
  76. 76. Emissão Combustão Aspectos Legais A RESOLUÇÃO nº382, de 26 de dezembro de 2006, do Conselho Nacional do Meio Ambiente –CONAMA, estabelece os limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para fontes fixas.
  77. 77. Emissão Combustão CONAMA 382 Os limites máximos de emissão para os óxidos de enxofre, estabelecidos no item 3 do Anexo I da Resolução nº 382 é de 2.700 mg/Nm³ para a potência térmica nominal de até 70 MW e de 1.800 mg/Nm³ acima de 70 MW, ambos limites considerados em base seca e 3% de excesso de oxigênio. Óleo 1A com 2,7% de enxofre  emissão de 4.186 mg SO2/Nm³ Óleo 4A com 3,1% de enxofre  emissão de 4.836 mg SO2/Nm³ Óleo 1B com 0,7% de enxofre  emissão de 1.065 mg SO2/Nm³ Óleo 8B com 0,9% de enxofre  emissão de 1.387 mg SO2/Nm³
  78. 78. Onde Estudar a Aula de HojeLivro• Química Tecnológica – Cengage LearningApostila – UFSC• Combustão e Combustíveis 78
  79. 79. Contato 79

×