ads:
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Aspectos Técnicos e Ambientais do Uso do
Carvão Mineral em Caldeiras
Autor: Rogério Corá
Orientador: Prof. Dr. Rogério José da Silva
Itajubá, Fevereiro de 2006
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Aspectos Técnicos e Ambientais do Uso do
Carvão Mineral em Caldeiras
Autor: Rogério Corá
Orientador: Prof. Dr. Rogério José da Silva
Curso: Mestrado em Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Conversão de Energia
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica como
parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica.
Itajubá, Fevereiro de 2006
M.G. – Brasil
ads:
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Aspectos Técnicos e Ambientais do Uso do
Carvão Mineral em Caldeiras
Autor: Rogério Corá
Orientador: Prof. Dr. Rogério José da Silva
Composição da Banca Examinadora:
Prof. Dr. José Antônio Perrella Balestieri – FEG/UNESP
Prof. Dr. Sebastião Varella – IEM/UNIFEI
Prof. Dr. Genésio José Menon – IEM/UNIFEI
Prof. Dr. Rogério José da Silva – IEM/UNIFEI (Orientador)
Resumo
CORÁ, R. (2005), Aspectos Técnicos e Ambientais do Uso do Carvão Mineral em Caldeiras,
Itajubá, 130p. Dissertação (Mestrado em Conversão de Energia) - Instituto de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá.
Apesar dos impactos ambientais causados pelo uso de combustíveis fósseis, o carvão
mineral tem o seu uso previsto para estender-se por mais de 200 anos, pois apresenta as
maiores reservas mundiais, sendo responsável por cerca de 40% da energia elétrica gerada
mundialmente. Essa realidade, juntamente com outros aspectos econômicos e ambientais, fez
com que muitos países, nas últimas décadas, induzissem o desenvolvimento de tecnologias
que possam tornar o seu uso mais eficiente e limpo. O presente trabalho tem a finalidade de
descrever as principais tecnologias para combustão do carvão e para o controle dos principais
poluentes gerados pela mesma, as quais fazem parte do programa denominado de Tecnologia
do Carvão Limpo (CCT), desenvolvido e aplicado pelos países que mais utilizam o carvão
como combustível. Esta pesquisa busca a obtenção de conclusões sobre as tecnologias usadas
atualmente, e também sobre tecnologias em estágios de pesquisa e desenvolvimento. No final
deste trabalho é apresentado um exemplo de cálculo para comprovar a eficiência de uma das
tecnologias com relação à emissão de poluentes.
Palavras-chave
Carvão Limpo, Controle de poluentes, Tecnologias de Combustão, Baixas Emissões,
Modelagem da combustão.
Abstract
CORÁ, R. (2005), Technical and Environmental Aspects of the Use of Mineral Coal in
Boilers, Itajubá, 130p. MSc. Dissertation - Instituto de Engenharia Mecânica,
Universidade Federal de Itajubá, 130p.
In spite of the environmental impacts caused by the use of fossil fuels, the mineral coal
has its use predicted to extend for more than 200 years, because it presents the largest world
reservations, being responsible for about 40% of the electric power globally generated. This
reality, alied with other economic and environmental aspects, have been taking the effort of
many countries in the last decades in the sense of development of technologies in order to
achiev more efficient and cleaner use. The present work has the purpose to describe the main
technologies for combustion of the coal and their control of the main their generated
pollutants, which takes part of the denominated of Clean Coal Technology program (CCT)
developed and applied in the countries that uses coal as their main fuel. This research has its
fover in obtaining the conclusions about the technologies used nowadays, and also on
technologies in the ones under and development. A calculation example is shown the end of
this work aiming to demonstrate the efficiency at one of these technologies regarding the
emission of pollutant.
Keywords
Clean Coal, Pollutants Control, Combustion Technologies, Low Emissions, Modeling
of Combustion.
i
Sumário
SUMÁRIO_________________________________________________________________I
LISTA DE FIGURAS______________________________________________________ IV
LISTA DE TABELAS _____________________________________________________ VI
SIMBOLOGIA __________________________________________________________ VII
LETRAS LATINAS ______________________________________________________ VII
LETRAS GREGAS _______________________________________________________ IX
SUBSCRITOS____________________________________________________________ IX
ABREVIATURAS _________________________________________________________X
SIGLAS _________________________________________________________________ XI
CAPÍTULO 1 _____________________________________________________________ 1
INTRODUÇÃO ___________________________________________________________ 1
1.1 Motivação do Trabalho -------------------------------------------------------------------------- 4
1.2 Objetivos do Trabalho --------------------------------------------------------------------------- 5
1.3 Organização do Trabalho ------------------------------------------------------------------------ 5
CAPÍTULO 2 _____________________________________________________________ 8
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA _______________________________________________ 8
2.1 Origem do Carvão -------------------------------------------------------------------------------- 8
2.2 Produção de Carvão no Mundo ----------------------------------------------------------------10
2.3 Comércio de Carvão no Mundo----------------------------------------------------------------13
2.4 Preço do Carvão no Mundo --------------------------------------------------------------------16
2.5 Demanda de Carvão no Mundo----------------------------------------------------------------18
CAPÍTULO 3 ____________________________________________________________ 22
A TECNOLOGIA DO CARVÃO LIMPO_____________________________________ 22
3.1 Controles Avançados de Óxido de Nitrogênio-----------------------------------------------24
ii
3.2 Controles de Mercúrio --------------------------------------------------------------------------26
3.3 Controle de Particulados------------------------------------------------------------------------28
3.4 Utilização dos sub-produtos da Combustão--------------------------------------------------29
3.5 O Gerenciamento da Água ---------------------------------------------------------------------30
3.6 Combustão----------------------------------------------------------------------------------------33
3.7 Pós-combustão -----------------------------------------------------------------------------------34
3.8 Conversão-----------------------------------------------------------------------------------------35
CAPÍTULO 4 ____________________________________________________________ 37
TECNOLOGIAS PARA A COMBUSTÃO DO CARVÃO _______________________ 37
4.1 Combustão do Carvão Pulverizado------------------------------------------------------------38
4.2 A Combustão em Leito Fluidizado------------------------------------------------------------41
4.3 A Gaseificação do Carvão----------------------------------------------------------------------44
CAPÍTULO 5 ____________________________________________________________ 47
TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DE POLUENTES________________________ 47
5.1 O Controle de Óxido de Nitrogênio -----------------------------------------------------------47
5.1.1 Queimadores de Baixo NO
X
--------------------------------------------------------------48
5.1.2 A Combustão Estagiada-------------------------------------------------------------------54
5.1.3 A Combustão Secundária -----------------------------------------------------------------56
5.1.4 A Recirculação dos Gases ----------------------------------------------------------------57
5.1.5 A Redução Catalítica Seletiva------------------------------------------------------------57
5.1.6 A Redução Catalítica não Seletiva-------------------------------------------------------59
5.2 O Controle de Óxido de Enxofre --------------------------------------------------------------60
5.2.1 Os Lavadores Úmidos ( Wet Scrubbing ou wet FDG)--------------------------------61
5.2.2 Os Lavadores Seco (dry scrubbing) -----------------------------------------------------62
5.2.3 A Injeção de Sorvente ---------------------------------------------------------------------63
5.3 O Controle de Particulados---------------------------------------------------------------------65
5.3.1 Os Ciclones ---------------------------------------------------------------------------------65
5.3.2 Os Precipitadores Eletrostáticos (EPS)--------------------------------------------------66
5.3.3 Os Filtros de Mangas ----------------------------------------------------------------------69
5.4 O Controle de Mercúrio-------------------------------------------------------------------------70
5.4.1 O Controle Pelos Equipamentos Existentes --------------------------------------------71
5.4.2 A Injeção de Carbono Ativado -----------------------------------------------------------72
CAPÍTULO 6 ____________________________________________________________ 74
iii
ESTUDO DE CASO: AS CALDEIRAS DE LEITO FLUIDIZADO _______________ 74
6.1 Caldeiras de Leito Fluidizado Borbulhante --------------------------------------------------75
6.2 Caldeiras de Leito Fluidizado Circulante-----------------------------------------------------76
6.3 Descrição das Caldeiras-------------------------------------------------------------------------77
6.4 Fluidização ---------------------------------------------------------------------------------------86
6.5 Combustão e Transferência de Calor----------------------------------------------------------89
6.6 Exemplo de Cálculo-----------------------------------------------------------------------------93
6.6.1 Desvolatilização e Combustão de Voláteis ---------------------------------------------95
6.6.2 A Combustão do Char---------------------------------------------------------------------98
6.6.3 Formação do NO
X
----------------------------------------------------------------------- 100
6.6.4 A Absorção de Enxofre ----------------------------------------------------------------- 101
6.6.5 Resultados -------------------------------------------------------------------------------- 105
CAPÍTULO 7 ___________________________________________________________ 109
CONCLUSÕES__________________________________________________________ 109
7.1 Sugestões para Trabalhos Futuros ----------------------------------------------------------- 111
APÊNDICE A ___________________________________________________________ 112
DESCRIÇÃO DOS DADOS E CÁLCULO ___________________________________ 112
A.1 Descrição dos Dados ------------------------------------------------------------------------- 112
A.2 Listagem do Cálculo Feito no Mathcad ---------------------------------------------------- 114
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ------------------------------------------------------- 124
iv
Lista de Figuras
Figura 1: Reservas Mundiais Recuperáveis de Carvão --------------------------------------------- 3
Figura 2: Origem do Carvão, com seu Respectivo Uso e Reservas Mundiais ------------------- 9
Figura 3: Produção Mundial de Carvão por Região------------------------------------------------11
Figura 4: Comércio Mundial de Carvão -------------------------------------------------------------14
Figura 5: Importação de Carvão pelas Maiores Regiões de Importação-------------------------14
Figura 6: Demanda Mundial de Carvão por Região------------------------------------------------19
Figura 7: Suprimento de Energia Prevista por Geradores -----------------------------------------23
Figura 8: Custo do Programa Tecnologia do Carvão Limpo Original ---------------------------24
Figura 9: Principais Fontes de NO
X
------------------------------------------------------------------25
Figura 10: Emissões Globais de Mercúrio-----------------------------------------------------------27
Figura 11: Partícula PM2,5 Semelhante a um Fio de Cabelo Humano --------------------------28
Figura 12: Vantagens e Desvantagens do Uso do Carvão-----------------------------------------31
Figura 13: Trajetória das Tecnologias e de Eficiência Térmica ----------------------------------32
Figura 14: Esquema da Combustão do Carvão Pulverizado --------------------------------------33
Figura 15: Esquema de Leito Fluidizado ------------------------------------------------------------34
Figura 16: Esquema de um Lavador de Gás Úmido (Wet Scrubber ou Wet FDG) ------------35
Figura 17: Esquema Simplificado do Processo de Gaseificação ---------------------------------36
Figura 18: Típica Caldeira a carvão pulverizado com Combustão Estagiada-------------------39
Figura 19: Queimadores e Configuração de Chama------------------------------------------------40
Figura 20: Esquema de caldeira Atmosférica com Leito Fluidizado Circulante ---------------43
Figura 21: Esquema da Combustão em Leito Fluidizado Pressurizado -------------------------44
Figura 22: Ciclo IGCC Acoplado a um Combustor------------------------------------------------46
Figura 23: Esquema de Avançado Queimador de Baixo NO
X
------------------------------------49
Figura 24: Comparação entre OFA Convencional e Avançado ----------------------------------55
Figura 25: Esquema Simplificado do Processo de Combustão Secundária ---------------------56
v
Figura 26: Esquema do Processo de SCR -----------------------------------------------------------58
Figura 27: Processo de SNCR em uma Central Termoelétrica -----------------------------------60
Figura 28: Sistema Wet FDG ou Wet Scrubber ----------------------------------------------------62
Figura 29: Lavador de Gás por Atomização a Seco------------------------------------------------63
Figura 30: Esquema de Injeção de Sorvente na Fornalha -----------------------------------------64
Figura 31: Esquema de Injeção de Sorvente no Duto----------------------------------------------64
Figura 32: Principio de Funcionamento do Ciclone------------------------------------------------66
Figura 33: Esquema de Funcionamento de um Precipitador Eletrostático ----------------------67
Figura 34: Processo de Captura EPS de Placa e Arame -------------------------------------------68
Figura 35: Esquema e Princípio de um Filtro de Manga ------------------------------------------70
Figura 36: Configuração Típica de Equipamento de Controle de Poluição do Ar -------------71
Figura 37: Esquema de Injeção de Carbono Ativado para Controle de Mercúrio--------------73
Figura 38: Fluxo do Processo da Combustão em Leito Fluidizado -------------------------------74
Figura 39: Exemplo de Projeto BFB da Babcock & Wilcox--------------------------------------76
Figura 40: Esquemático Fluxo do Processo ---------------------------------------------------------80
Figura 41: Separadores de Sólidos (a) Primário e (b) Secundário--------------------------------81
Figura 42: Configuração Geral de uma Caldeira da Babcock & Wilcox ------------------------83
Figura 43: Exemplo de Caldeira Compacta Usada na Polônia------------------------------------85
Figura 44: Principais Fases de Fluidização----------------------------------------------------------86
Figura 45: Movimento das Partículas Dentro de um Leito Fluidizado --------------------------88
Figura 46: Seqüência de Eventos de Combustão de uma Partícula de Carvão -----------------90
Figura 47: Diferentes Modelos de Mecanismos de Combustão do Carbono--------------------92
Figura 48: Comportamento das Emissões de NO
X
com a Temperatura ----------------------- 106
Figura 49: Influência da Razão de ar Primário para Combustível nas Emissões de NO
X
--- 107
Figura 50: Eficiência de Remoção de SO
2
-------------------------------------------------------- 108
Figura 51: Conversão do CaO com a Temperatura----------------------------------------------- 108
Figura 52: Configuração da Caldeira de onde Foram Obtidos os Dados ---------------------- 113
vi
Lista de Tabelas
Tabela 1: Reservas Brasileiras de Carvão ------------------------------------------------------------ 3
Tabela 2: Produção Mundial de Carvão por Paises (Milhões de Toneladas Curtas) -----------12
Tabela 3: Projeções de Produção de Carvão no Brasil (mil tep)----------------------------------12
Tabela 4: Principais Importadores Mundiais de Carvão (Mt)-------------------------------------15
Tabela 5: Principais Exportadores Mundiais de Carvão Sólido (Mt) ----------------------------16
Tabela 6: Unidades de valores de Importação (CIF) do Carvão para Vapor--------------------17
Tabela 7: Unidades de valores de Exportação (FOB/FAS) do Carvão para Vapor(US$/t) ---17
Tabela 8: Unidades de valores de Importação (CIF) para o Carvão de Coking ($/t)-----------18
Tabela 9: Unidades de valores de Exportação (FOB/FAS) para o Carvão de Coking ($/t) ---18
Tabela 10: Demanda Mundial de Carvão por Paises (Milhões de toneladas curtas) -----------21
Tabela 11: Análise dos Carvões da Índia ------------------------------------------------------------79
Tabela 12: Dados Utilizados para o Modelo ------------------------------------------------------ 105
Tabela 13: Resultados para a combustão do char------------------------------------------------- 106
vii
Simbologia
Letras Latinas
A Área da seção transversal do leito m
2
Arq Número de Arquimedes -
a
Coeficiente do CO
2
na equação de combustão kmol/s
b Coeficiente do H
2
O na equação de combustão kmol/s
c Coeficiente do SO
2
na equação de combustão kmol/s
d Diâmetro m
C
0
Concentração de SO
2
na região densa da caldeira kmol/m
3
C
CaCO3
Concentração de CaCO
3
kmol/s
C
Vol
Fração em massa de carbono na massa de voláteis -
C
Char
Fração em massa de carbono na massa de char -
Ca/S Razão de cálcio para enxofre -
CD Coeficiente de resistência -
Cp(T)
i
Calor específico do componente i
E Coeficiente do N
2
da equação de combustão kmol/s
G
ϕ
Momento angular kg m
2
/s
2
G
x
Momento axial kg m/s
2
g Aceleração da gravidade
hf
i
Entalpia de formação do componente i kJ/kg
H Altura expandida do leito fluidizado m
H
T
Altura total da caldeira m
H
d
Altura da região densa da caldeira m
viii
K
eq
Constante de equilíbrio para a reação de calcinação
-
M
,i
Massa molecular da espécie i kg/kmol
M
r
Razão de momento entre o ar primário e o ar secundário
mC Razão de alimentação de carvão kg/s
m
Char
Massa de char kg/s
mg Somatório do número de moles dos gases da combustão kmol/s
mf Razão de alimentação de calcário kg/s
mv Massa de voláteis kg/s
NO
emissão
Emissão de óxido de nitrogênio (NO
X
) ppmv
nC
Char
Número de moles de carbono na massa de char kmol/s
n
,i
Número de moles da espécie i nos reagentes da equação de combust. kmol/s
P Pressão atmosférica Pa
p Pressão estática Pa
Q
1
e Q
2
Constantes para o cálculo da razão de consumo de matéria volátil 1/s
R Constante universal dos gases kJ/kmol.K
R
char
Razão de geração de char kg/m
3
.s
R
carvão
Razão de consumo de carvão kg/m
3
.s
R
emf
Número de Reynolds para a mínima condição de fluidização
R
G, O2
Razão de consumo de oxigênio devido à combustão do char kg/m
3
.s
R
G, CO
Razão de produção de CO devido à combustão do char kg/m
3
.s
R
G, CO2
Razão de produção de CO
2
devido à combustão do char kg/m
3
.s
R
0
Razão de geração de SO
2
na região densa da caldeira kmol/m
3
.s
R
V
Razão de geração de voláteis kg/m
3
.s
s Relação entre as densidades do sólido e do gás
sf
i
Entropia de formação do componente i kJ/kmol.K
T Temperatura K
U Componente de velocidade axial m/s
U
0
Velocidade superficial do gás m/s
u Velocidade de partícula
V
cal
Volume da câmara de combustão da caldeira m
3
V
g
Fluxo volumétrico dos gases m
3
/s
W Componente de velocidade tangencial m/s
w Coeficiente do O
2
livre nos gases da equação de combustão. kmol/s
X
CaCO3
Conversão do CaCO
3
para CaSO4 %
ix
Y
,i
Fração em massa da espécie i da composição química do carvão %
%CaO Fração em massa de CaO presente no calcário %
Letras Gregas
α
Quantidade de CO que oxida para CO
2
na combustão do char -
ρ
,i
Densidade da espécie i kg/m
3
Φ
fator de mecanismo -
φ
p
Razão ar primário para combustível -
ϕ
Calor disponível no carvão kJ/s
ε
Fração de volume dos sólidos -
µ
Viscosidade Kg/m s
θ
Esfericidade dos sólidos
∆h
i
Variação de entalpia do componente i kJ/kg
∆s
i
Variação de entropia do componente i kJ/kg
∆G1
Variação da energia livre de Guibbs da reação de calcinação kJ/kmol
∆H
298
Calor de formação padrão para a reação de calcinação kJ/kg
∆H
real
Calor de formação padrão adaptado para os dados deste trabalho kJ/kg
∆H
Total
Calor total a ser fornecido para o processo de calcinação kJ/kg
Subscritos
0 Valor inicial
A Cinza
ar Referente ao ar de combustão
b
Leito
comb
Referente ao combustível
d
Região densa
eq
Condição de equilíbrio da reação da equação 73
g Gás
x
G Consumo, Geração
mf Mínima condição de fluidização
p Partícula de carvão ou do char
w Umidade
S, s Enxofre, Sólidos
t terminal
v Voláteis, Volatilização, Desvolatilização
Abreviaturas
AFBC Combustão em leito Fluidizado Atmosférico
BFBC Combustão em Leito Fluidizado Borbulhante
CA Carbono Ativado
CAP Carbono Ativado Pulverizado
CCT Tecnologia do Carvão Limpo
CF Carbono fixo %
CFBC Combustão em Leito Fluidizado Circulante
CWM Combustores de Resíduos Médicos
EPS Precipitador Eletrostático
FBC Combustão em Leito Fluidizado
FF Filtro de Manga
ICA Injeção de Carbono Ativado
IGCC Ciclo Combinado com Gaseificação Integrada
IWM Incineradores de Resíduos Municipais
LBN Queimador de Baixo NO
X
MV Matéria volátil
PCI Poder calorífico inferior do carvão kJ/kg
PF Combustível Pulverizado
PFBC Combustão em Leito Fluidizado Pressurizado
PM Material Particulado
PM
2,5
Material Particulado com 2,5µm de diâmetro
PM
10
Material Particulado com 10µm de diâmetro
SNC Redução Catalítica Seletiva
xi
SNCR Redução Catalítica não Seletiva
tep Tonelada Equivalente de Petróleo
tce Tonelada Equivalente de Carvão
ZRI Zona de recirculação interna
Siglas
AGMCFC Gaseificação Avançada -Célula Combustível C/carbonato Fundido
ACEA Ar da Combustão Estagiada Avançada
CCPI Iniciativa de Potência do Carvão Limpo
CIF Unidade de Preço do Carvão para Importação US$/t
COPPE Coordenação dos Programas de Pós-Graduação de Engenharia
DOE Departamento de Energia dos Estados Unidos
EIO Perspectiva Internacional de Energia
EPA Agência de Proteção Ambiental
EU União Européia
FAS Unidade de Preço do Carvão para Carregamento Livre US$/t
FOB Unidade de Preço do Carvão na Mina US$/t
IEA Agência Internacional de Energia
IGMCFC Gaseificação Integrada-Célula Combustível com Carbonato Fundido
IGHAT Gaseificação Integrada – Turbina com Ar Úmido
NETL Laboratório de Tecnologia e Energia Nacional
NMA Associação de Mineração Nacional
OECD Organização Econômica para Cooperação e Desenvolvimento
ACE Ar da Combustão Estagiada
PPE Projetos, pesquisa e Estudos
UBC Carbono não Queimado (incombusto)
UFRJ Universidade federal do Rio de Janeiro
UFS Formadores da Antiga União Soviética
1
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
A grande necessidade de energia nos sistemas de geração de eletricidade por meio de
termoelétricas com o uso de combustíveis fósseis, além do grande consumo em unidades de
produção de aço, cimento, papel e celulose, e outros sistemas industriais, bem como o uso de
derivados de petróleo nos sistemas de transporte, trouxe como conseqüência problemas
ambientais, tendo efeitos locais em termos de poluição e globais como o caso do efeito estufa.
As nações mais industrializadas, em geral, situam-se no hemisfério norte, em regiões
temperadas e frias, e em grande parte delas existem reservas de combustíveis fósseis, como o
carvão mineral e o petróleo, e por isso, basearam seus projetos de desenvolvimento no uso
intensivo desses combustíveis. O predomínio tecnológico das nações industrializadas, os
custos relativamente baixos do carvão, e que em certo período também ocorreu com o
petróleo, e ainda, a forte dependência tecnológica das demais nações em desenvolvimento,
impuseram ao mundo o uso generalizado de combustíveis fósseis.
O carvão mineral, ou simplesmente carvão, é hoje um dos combustíveis mais utilizados
nos diferentes países como fonte de calor, principalmente na geração de vapor para geração de
potência ou para o uso em processos industriais. Ele tem sido usado pela humanidade durante
séculos, e por isso, com o desenvolvimento de novas tecnologias, o seu uso pode ser
expandido, com a definição dos melhores usos para cada tipo definido de carvão,
aproveitando de forma mais adequada cada composição em particular. Tem-se ainda que o
2
carvão é um combustível de grande uso, porém sofre influências, em seu uso, da sua
composição química e posição geográfica da extração, a qual interfere nos custos de
transporte e, portanto, interfere no mercado global de fornecimento deste combustível. O
carvão é empregado em escala planetária como uma das principais fontes de calor, na geração
de energia elétrica, e empregado como combustível na produção de diversos produtos
industriais, sendo, portanto, fundamental nos dias de hoje na economia mundial.
A grande dependência do uso do carvão como fonte de energia em muitos países
industrializados possibilitou o conhecimento dos problemas com relação ao uso deste
combustível para a qualidade ambiental e saúde humana. O domínio desses conhecimentos
levou ao desenvolvimento de muitas tecnologias para o uso do carvão, sendo algumas já
consagradas e outras em estágios de demonstração.
O esforço conjunto de governos e setor privado através de grandes investimentos em
programas de pesquisa e desenvolvimento de tecnologias para a combustão e para o controle
de poluentes resultou em sistemas de combustão com baixas emissões, apesar dos perigosos
poluentes gerados. Existe uma variedade muito grande de tecnologias para a combustão do
carvão e também para o controle dos poluentes gerados pela mesma, sendo os principais os
óxidos de nitrogênio (NO
X
) e os óxidos de enxofre (SO
X
). Cada uma dessas tecnologias é
mais ou menos adequada para cada tipo de situação, pois a escolha de uma ou outra varia de
acordo com o tipo de carvão e quantidade de poluentes. Em se tratando da geração de vapor,
as características do carvão interferem no tipo construtivo da caldeira a ser utilizada,
considerando o tipo de fornalha ou câmara de combustão e suas dimensões, o arranjo dos
tubos internos, dos sistemas de tratamentos dos poluentes gerados e os tipos de sorventes
utilizados.
Quando se fala em reservas mundiais de carvão pode-se dizer que, dentre todos os
combustíveis fósseis, este é o que apresenta as maiores reservas mundiais. Por exemplo, nos
Estados Unidos estão concentradas grandes reservas de carvão que representam cerca de 25%
das reservas mundiais (U.S Department of Energy, 2004). Com o uso da tecnologia atual de
exploração de minas, estima-se que há mais de um trilhão de toneladas de carvão de reservas
mundiais economicamente acessíveis, sendo que estas estão geograficamente espalhadas por
centenas de países em todos os continentes.
3
Apesar das reservas estarem amplamente distribuídas, 60% das reservas mundiais estão
localizadas em três paises: Estados Unidos (25%), países formadores da União Soviética
(23%) e China (12%). Um adicional de 29% é distribuído entre outros quatro países, a saber:
Austrália, Índia, Alemanha e África do Sul (IEA/EIO, 2004). A Figura 1 mostra as principais
reservas mundiais de carvão.
Figura 1: Reservas Mundiais Recuperáveis de Carvão
Fonte: IEA/IEO (2004)
O Brasil possui reservas de combustíveis fósseis não-renováveis, nas quais o carvão
mineral representa 50% do total. As reservas de carvão mineral no Brasil em termos
energéticos são cinco vezes maiores que as reservas de petróleo conhecidas no país
(comparação em tep). As jazidas de carvão situam-se nos estados do Paraná (0,32%), Santa
Catarina (10,41%) e principalmente no Rio Grande do Sul (89,25%). O Brasil, além de contar
com reservas de carvão siderúrgico em Santa Catarina, possui grandes reservas de carvão
metalúrgico (carvão de coking) no Rio grande do Sul (Gomes, 2003). A Tabela 1 apresenta as
reservas brasileiras de carvão.
Tabela 1: Reservas Brasileiras de Carvão
Localização
Reservas
(Milhões de Toneladas)
%
Rio Grande do Sul 28,81 89,0
Santa Catarina 3,36 10,5
Paraná 0,16 0,5
Total no Brasil 32,33 100
Fonte: Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica (2004).
4
Considerando a importância estratégica e o volume das reservas conhecidas de carvão, o
estudo de seu uso em condições adequadas do ponto de vista ambiental, demonstra a
necessidade de se desenvolver tecnologias limpas e à minimização dos impactos ambientais
decorrentes da utilização como combustível em diversos setores da economia mundial.
1.1 MOTIVAÇÃO DO TRABALHO
O carvão mineral é um combustível fóssil com grande potencial impactante, seja no
processo de extração em minas abertas ou subterrâneas, na queima, com a conseqüente
emissão de gases poluentes e materiais particulados, ou ainda pelo destino de suas cinzas e
resíduos do tratamento de gases. Considerando o atual nível de utilização, as reservas
mundiais atuais possibilitam o seu uso para além de 200 anos. O contínuo aumento do uso do
carvão para várias finalidades (principalmente para geração de energia) levou ao
desenvolvimento de tecnologias e de pesquisas para o melhor uso deste combustível,
principalmente em função da pressão exercida pelas legislações ambientais quanto aos
padrões de emissão de poluentes permitidos.
O desenvolvimento de tecnologias que possam ser adaptadas em caldeiras existentes
tornando possível a recuperação das caldeiras possibilita uma redução nos custos para manter
o funcionamento da instalação. Dentre as tecnologias que possibilitam o controle dos
poluentes dentro da própria câmara de combustão estão, por exemplo, os controles nas
caldeiras de leito fluidizado, nos quais não existe a necessidade de outros sistemas de
controles externos. Tais sistemas estão sendo utilizados em escala crescente em diversos
países desenvolvidos devido a questões econômicas e questões ambientais.
No caso do Brasil, o incentivo ao uso do carvão nacional enfrenta muitas críticas,
principalmente por parte de ambientalistas, sendo que os principais argumentos usados são a
geração de poluentes e o custo não competitivo com outros combustíveis. Mesmo não sendo
um carvão de boa qualidade, as reservas deste combustível no Brasil permitem estimar que
seria possível a geração de 15 GW de energia elétrica por um período de aproximadamente
100 anos (Instituto de Desenvolvimento Estratégico do Setor Energético, 2005). Os Estados
do Rio Grande do Sul e de Santa Catarina detém a maior parte destas reservas, sendo que o
5
Rio Grande do Sul apresenta considerável reserva de carvão metalúrgico (carvão de coking)
com qualidade superior ao carvão siderúrgico de Santa Catarina.
Finalmente, pode-se considerar que a importância do carvão mineral para o mundo é
uma realidade que não pode ser ignorada. O Brasil, para aumentar a sua oferta de energia terá
que aumentar a participação do seu carvão na matriz energética, sendo para isso fundamental
o conhecimento de tecnologias que possibilitem geração de energia segura com conseqüências
ambientais mínimas.
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO
Neste trabalho pretende-se apresentar um estudo sobre os principais aspectos que
envolvem o uso do carvão mineral no mundo. Em vista da complexidade do assunto,
pretende-se descrever as principais e mais avançadas tecnologias relativas à combustão e
também ao controle de poluentes como, por exemplo, NO
X
, SO
X
e MP, em sistemas de
geração de vapor. Também é apresentado um exemplo de cálculo para demonstrar a grande
habilidade com relação à captura e emissão de poluentes de tecnologias já consagradas. Como
principal objetivo pretende-se dar uma visão geral do uso do carvão mineral em sistemas
térmicos de geração de vapor, buscando ainda a obtenção de conclusões sobre as tecnologias
em desenvolvimento e as tecnologias de futuro.
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O presente trabalho está dividido em 7 capítulos, sendo que no Capítulo 1 é feita uma
breve introdução, onde são definidos a motivação e os objetivos do trabalho.
O Capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica em que se procura dar uma visão geral
na questão do carvão mineral no mundo. Neste capítulo são discutidas as teorias sobre as
origens dos diversos tipos de carvão e suas características básicas. São apresentados os dados
relativos à produção de carvão nos diferentes países. Os dados relativos ao mercado mundial
de carvão também são apresentados, relacionando os principais países exportadores e
6
importadores deste combustível. Discutem-se ainda os preços deste energético nos principais
mercados. Os dados relativos à demanda de carvão nas diversas regiões também são
apresentados, além das tendências de uso futuro, onde verificam-se possibilidades de aumento
no consumo na América do Norte e na Ásia, e diminuição do consumo em alguns países da
Europa, com o aumento do uso do gás natural.
No Capítulo 3 são descritos os conceitos relacionados ao programa da Tecnologia do
Carvão Limpo (CCT), juntamente com um esclarecimento dos principais aspectos que fazem
parte deste programa. Os principais tópicos deste programa são: controles avançados de
óxidos de nitrogênio (NO
X
); o controle de mercúrio (Hg); o controle de material particulado
(PM); a utilização dos sub-produtos da combustão e o gerenciamento da água. Também é
apresentada uma breve definição das tecnologias para o uso do carvão segundo as três
principais categorias, sendo elas: a combustão, a pós-combustão e a conversão. Na combustão
discutem-se as tecnologias para a queima do carvão em caldeiras. Na pós-combustão
discutem-se as tecnologias para o tratamento dos gases após a combustão, seja ainda na
caldeira ou nos sistemas de tratamento de gases e material particulado. Na conversão
discutem-se as tecnologias de conversão do carvão em combustíveis líquidos ou gasosos
(gaseificação).
No Capítulo 4 descrevem-se as principais tecnologias para a combustão do carvão
utilizadas atualmente, entre elas a combustão do carvão pulverizado, a combustão em leito
fluidizado e a gaseificação. Neste capítulo é apresentada uma descrição sobre estas
tecnologias principalmente com relação à forma de introdução do combustível, do arranjo
construtivo da caldeira, segundo a posição dos queimadores, no caso do carvão pulverizado.
No caso da tecnologia de combustão em caldeiras de leito fluidizado são descritos aspectos
com relação às vantagens desta tecnologia, sendo apresentadas as principais configurações em
que se apresentam tais sistemas, sendo as mesmas definidas com base em dois critérios
básicos, sendo eles a pressão de operação e a velocidade de fluidização. No processo de
gaseificação, embora seja um processo ainda com poucas instalações em funcionamento,
discute-se a grande eficiência verificada nesta tecnologia, na qual o carvão é convertido em
outros produtos gasosos que podem ser usados como combustível.
O Capítulo 5 trata sobre as tecnologias para o controle de poluentes gerados pela
combustão do carvão. Neste capítulo são descritas as formas de controle dos óxidos de
7
nitrogênio (NO
X
), óxidos de enxofre (SO
X
), controle de material particulado (PM) e controle
de mercúrio. As tecnologias apresentadas para controle de NO
X
na combustão são os
queimadores de baixo NO
X
, a combustão estagiada, a combustão secundária e a recirculação
dos gases. Para o controle de NO
X
após a combustão são apresentadas as duas principais
tecnologias, sendo elas a redução catalítica seletiva e a redução catalítica não seletiva. Para as
tecnologias de controle de SO
X
são descritas as principais tecnologias de controle através do
tratamento dos gases, sendo estas tecnologias conhecidas como lavadores de gás ou
scrubbers. Também são descritos alguns processos de injeção de sorvente para controle de
SO
X
, além do controle do SO
X
feito através da combustão em leito fluidizado descrita no
Capítulo 4.
Para o controle de material particulado são apresentados os principais equipamentos
utilizados, como os ciclones, os precipitadores eletrostáticos e os filtros de manga. Quanto a
estes equipamentos são descritos aspectos referentes ao princípio de funcionamento e também
alguns fatores que afetam o desempenho e projeto dos mesmos. Para o controle de mercúrio
são apresentadas as duas principais formas de controle, ou seja, a primeira feita através dos
próprios equipamentos de controle de poluentes existentes na instalação, e a segunda feita
através do processo de injeção de carbono ativado pulverizado.
No Capítulo 6 foi feito um estudo de caso sobre as caldeiras de leito fluidizado,
comentando aspectos com relação aos tipos de caldeira de leito fluidizado, processo de
combustão, transferência de calor etc. Este capítulo apresenta uma descrição sobre os
principais fabricantes de caldeiras de leito fluidizado, bem como algumas diferenças de
projeto entre eles. Alguns exemplos de configurações de caldeiras utilizadas por alguns
países, inclusive apresentando carvões de baixa qualidade, também são descritos. No final
deste Capítulo é apresentado um exemplo de cálculo para avaliar a emissão de poluentes com
a finalidade de demonstrar a grande vantagem das caldeiras de leito fluidizado quanto a este
aspecto.
No Capítulo 7 foram apresentadas as principais conclusões deste trabalho. No Apêndice
A foi apresentado uma breve descrição sobre a obtenção dos dados para fazer o cálculo
juntamente com a listagem do programa utilizado.
8
Capítulo 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 ORIGEM DO CARVÃO
O carvão mineral – ou simplesmente carvão – é um combustível fóssil sólido formado a
partir da matéria orgânica de vegetais depositados em bacias sedimentares. Por ação de
pressão e temperatura em ambiente sem contato com o ar, em decorrência de soterramento e
atividade orogênica, os restos vegetais ao longo do tempo geológico se solidificam, perderam
oxigênio e hidrogênio e se enriqueceram em carbono, em um processo denominado
carbonificação. Quanto mais intensas a pressão e a temperatura a que a camada de matéria
vegetal for submetida, e quanto mais tempo durar o processo, mais alto será o grau de
carbonificação atingido, ou rank, e maior a qualidade do carvão.
Os diversos estágios de carbonificação, do menor para o maior grau de carbonificação,
são dados pelo esquema: turfa → sapropelito → linhito → carvão sub-betuminoso → carvão
betuminoso → antracito. O estágio mínimo para a utilização industrial do carvão é o do
linhito. Outro índice qualitativo do carvão é o “grade”, que mede de forma inversamente
proporcional o percentual em massa de matéria mineral incombustível (cinzas) presente na
camada carbonífera. Um baixo “grad” e significa que o carvão possui um alto percentual de
cinzas misturado à matéria carbonosa, consequentemente, empobrecendo sua qualidade.
Abaixo segue uma breve descrição dos principais tipos de carvão segundo Goodger (2004):
9
Linhito: o carvão que apresenta ambos, baixo grau de carbonificação e poder calorífico a
partir de uma base úmida, livre de matéria mineral. Este carvão está subdividido em 2 grupos:
lenhito A com PCI igual ou maior que 14650 kJ/kg (3499 kcal/kg) e menor que 19310 kJ/kg
(4612 kcal/kg), e lenhito B com PCI menor que 14650 kJ/kg. Um resumo da classificação dos
carvões por grau de carbonificação, juntamente com o seu uso e percentagem de reservas
mundiais está ilustrado na Figura 2.
Figura 2: Origem do Carvão, com seu Respectivo Uso e Reservas Mundiais
Fonte: World Coal Institute (2004)
Sub-betuminoso: o carvão que apresenta um grau de carbonificação ligeiramente superior ao
apresentado pelo linhito, a partir de uma base úmida, livre de matéria mineral. Este carvão é
classificado em três grupos em uma ordem decrescente de poder calorífico: carvão sub-
betuminoso A com PCI igual ou maior que 24420 kJ/kg (5832 kcal/kg) e menor que 26750
kJ/kg (6389 kcal/kg), carvão sub-betuminoso B com PCI igual ou maior que 22100 kJ/kg
10
(5278 kcal/kg) e menor que 24420 kJ/kg, e carvão sub-betuminoso C com PCI igual ou maior
que 19310 kJ/kg (4612 kcal/kg) e menor que 22100 kJ/kg.
Betuminoso: o carvão que apresenta um alto grau de carbonificação, possuindo menos que
86% de carbono fixo, 14% de matéria volátil em uma base seca, livre de matéria mineral. Esse
tipo de carvão está subdividido em cinco grupos de carvão a partir de uma ordem decrescente
de poder calorífico e carbono fixo e crescente de matéria volátil: carvão betuminoso de baixo
volátil e médio volátil, carvão betuminoso de grande volátil A com PCI igual ou maior que
32570 kJ/kg (7792 kcal/kg), carvão betuminoso de grande volátil B, com PCI igual ou maior
que 30240 kJ/kg (7222 kcal/kg) e menor que 32570 kJ/kg ( 7779 kcal/kg), e carvão
betuminoso de grande volátil C com PCI igual ou maior que 26750 kJ/kg (6389 kcal/kg) e
menor que 30240 kJ/kg (7222 kcal/kg).
Antracito: o carvão de maior grau de carbonificação, apresentando mais que 86% de carbono
fixo e menos que 14% de matéria volátil em uma base seca, livre de matéria mineral. Esse
tipo de carvão está subdividido em três grupos em uma ordem decrescente de carbono fixo e
conteúdo crescente de matéria volátil : meta-antracito, antracito e semi-antracito.
2.2 PRODUÇÃO DE CARVÃO NO MUNDO
A produção mundial de carvão está projetada para aumentar em todas as regiões, com
exceção do Oeste Europeu, Leste Europeu e os países formadores da União Soviética
(IEA/IEO, 2004).
A produção de carvão em 2002 teve um aumento de 0,9% do nível de 2001, sendo que
em 2001 o aumento foi de 4,6%. Essa variabilidade se deve principalmente a um forte
aumento na produção de carvão dos Estados Unidos em 2001 de 6,3% e uma subseqüente
queda de produção de 3,6% em 2002, e também devido a quedas de produção em 2002 na
Rússia, Kasakistão, União Européia (EU), Correia do Sul, África do Sul e Japão. O aumento
da produção de carvão sólido em 2002 é atribuído principalmente à produção na China e
Índia, buscando atender a demanda dos seus mercados domésticos. Fortes aumentos na
11
produção também ocorreram nos maiores paises exportadores, incluindo Austrália, Indonésia
e Venezuela (International Energy Agency, 2003a).
Em geral, a produção de carvão em 2002 (Betuminoso, Sub-betuminoso e lenhito) é de
0,3% seguindo o aumento de 3,9% de 2001. O aumento na produção de carvão total em 2001
é o mais forte desde 1985, continuando a aumentar em 2002, mantendo o exemplo de
aumento estável experimentado desde 1998 com diminuição em 2000. Portanto, em 2002, o
aumento é unicamente atribuído para o aumento do suprimento de carvão sólido, pois a
produção de carvão lenhito declinou pela primeira vez desde 1999 (International Energy
Agency, 2003a). A Figura 3 apresenta a produção mundial de carvão por região, e a Tabela 2
resume os principais produtores mundiais de carvão.
Figura 3: Produção Mundial de Carvão por Região
Fonte: International Energy Agency (2003a)
12
Tabela 2: Produção Mundial de Carvão por Paises (Milhões de Toneladas Curtas
a
)
País/Ano 2000 2001 2002 2003
China 1314,43 1458,73 1521,19 1634,97
Estados Unidos 1073,61 1127,69 1094,28 1069,50
Índia 370,02 385,42 401,06 403,12
Austrália 338,19 362,86 376,82 373,36
Rússia 264,91 273,41 261,82 294,03
África do Sul 248,93 250,79 245,77 263,78
Alemanha 226,05 227,11 232,57 229,10
Polônia 179,48 180,28 178,48 177,80
Ucrânia 69,08 67,99 65,57 63,47
Indonésia 84,44 102,01 113,95 132,39
Canadá 76,24 77,55 73,30 68,49
Turquia 69,57 68,27 58,75 53,11
Colômbia 42,04 47,89 48,34 52,50
Venezuela 8,69 8,36 8,12 7,85
Brasil 7,40 6,23 5,67 6,38
Fonte: International Energy Agency (2003b)
O Brasil produz atualmente apenas o carvão energético, com a indústria siderúrgica
nacional importando 100% do suas necessidades (Gomes, 2004). Atualmente a maior
produção do carvão energético encontra-se em Santa Catarina. A produção do Paraná não tem
grande destaque, dada a baixa qualidade do produto. O carvão mineral produzido no Rio
Grande Sul (carvão-vapor) é usado basicamente como combustível em caldeiras.
O carvão metalúrgico não é mais extraído no Brasil desde 1991, restando a partir daí
apenas uma pequena parcela de carvão coqueificável para fundição. Nos últimos anos, com o
aumento dos preços do petróleo somado às recentes instabilidade cambial e crise energética
brasileiras, a indústria carbonífera vem se recuperando e atingiu em 2000 a maior produção de
carvão energético dos últimos doze anos. O carvão coqueificável para uso siderúrgico, porém,
não tem nenhuma perspectiva de voltar a ser produzido (Borba, 2001). A Tabela 3 apresenta
uma projeção para a produção de carvão mineral no Brasil para os anos 2005 e 2010 (Bajay e
Badanhan, 2004).
Tabela 3: Projeções de Produção de Carvão no Brasil (mil tep)
Ano Carvão Energético Carvão metalúrgico
2003
2005 3047 0
2010 3406 0
Fonte: Bajay e Badanhan (2004)
13
2.3 COMÉRCIO DE CARVÃO NO MUNDO
A quantidade de carvão comercializada no mercado internacional é pequena comparada
com o consumo mundial de carvão. Em 2002 as importações contavam com 13% do consumo
total e para 2025 são projetadas para contarem 13% (IEA/IEO, 2004).
O comércio de carvão Betuminoso e Sub-betuminoso apresentou um pequeno aumento
de 0,2% em volume em 2002 devido a uma diminuição das exportações entre o Leste Europeu
e paises formadores da antiga União Soviética. Além do mais, o comércio de carvão
metalúrgico (carvão de coking) declinou 4,9% e o comércio de carvão energético (carvão para
vapor) aumentou 2,5% (International Energy Agency, 2003a).
Os dois mais significantes mercados estavam nas regiões da Ásia-Pacífico e Europa-
Mediterrâneo. Em 2002, 54% e 35% do comércio total de carvão sólido estavam nas regiões
da Ásia-Pacífico e Europa-Mediterrâneo, respectivamente. A importação total de carvão na
área da Ásia-Pacífico aumentou fortemente em 2002. No mercado da Europa-Mediterrâneo,
as importações declinaram em 2002 (International Energy Agency, 2003a).
O comércio internacional por terra representa 7% do comércio internacional total, pois
este consiste primeiramente do comércio entre os Estados Unidos e Canadá, e do comércio
entre países dentro da Europa Continental e os países formadores da antiga União Soviética.
O comércio marítimo de carvão foi de aproximadamente 579 Mt em 2002, das quais 403 Mt
foram carvão energético (carvão para vapor) e 176 Mt foram carvão metalúrgico (carvão de
coking).
O Japão é o grande importador mundial de carvão e existem previsões de que suas
importações serão da ordem de 22% do total das importações mundiais projetadas para 2020.
As importações de carvão na Europa, Oriente Médio e África do Sul são projetadas para
aumentarem ligeiramente para 2010 e para diminuírem em 2020. Devido ao baixo custo do
seu carvão, a América do Sul pode aumentar a sua parte na exportação de carvão para a
Europa, porém, a África do Sul ainda mantém a sua posição de maior fornecedor de carvão
para a Europa (IEA/IEO, 2004). A Figura 4 ilustra uma projeção do comércio mundial de
carvão.
14
Figura 4: Comércio Mundial de Carvão
Fonte: IEA/IEO (2004)
Para as Américas do Norte e do Sul, as exportações de carvão estão previstas para serem
relativamente pequenas comparadas com a Ásia e a Europa. A maior parte desta quantidade
adicional vai para Estados Unidos, Brasil e México. As projeções das importações de carvão
do Brasil e México apresentam uma tendência de aumento para fins de geração de eletricidade
e fabricação de aço (IEA/IEO, 2004). A Figura 5 apresenta as importações de carvão pelas
maiores regiões de importação.
Figura 5: Importação de Carvão pelas Maiores Regiões de Importação
Fonte: IEA/IEO (2004)
A Tabela 4 apresenta uma relação dos maiores países importadores de carvão do mundo.
15
Tabela 4: Principais Importadores Mundiais de Carvão (Mt)
País/Ano 2000 2001 2002
Japão 149,4 147,6 157,8
Coréia 63,7 60,2 62,0
Chinese Taypei 45,5 47,9 52,2
Alemanha 27,9 45,8 36,2
Reino Unido 23,4 36,2 28,8
Espanha 21,6 20,1 24,5
Holanda 22,3 32,3 22,5
França 19,0 17,9 21,8
Itália 19,0 19,5 19,8
Canadá 18,8 19,4 19,0
Brasil 14,6 15,7 14,2
Fonte: International Energy Agency (2003a)
A Austrália foi o principal exportador de carvão do mundo em 2002. A China foi o
segundo exportador no ranking, posição alcançada pela primeira vez em 2001. A Indonésia
assume a terceira posição no ranking dos países exportadores à frente da África do Sul (agora
na quarta posição). A Rússia também assumiu a quinta posição, posição anteriormente
ocupada pelos Estados Unidos. Os maiores países exportadores que apresentaram queda
significativa nas exportações foram o Kazaquistão, os Estados Unidos, a Colômbia, a China e
o Canadá (International Energy Agency, 2003a).
Dos cinco grandes fornecedores de carvão, a Austrália, a Indonésia e a Rússia
apresentaram aumento nas exportações em 2002. China e África do Sul ambas exportaram
menos carvão para vapor. A Austrália como o primeiro país exportador de carvão, detem
cerca de 21% do mercado total de carvão para vapor, e o segundo exportador, a China, detem
cerca de 16% deste mercado. A Austrália detem 56% e o Canadá 12,4% das exportações
mundiais de carvão metalúrgico (International Energy Agency, 2003a).
Na América do norte, grande quantidade de carvão é transportado por ferrovias das
regiões de produção das montanhas rochosas do Appalachiam e levados por transporte fluvial
para o ponto final de consumo. O comércio entre os Estados Unidos e o México é feito
principalmente por ferrovia. O comércio internacional de carvão entre os países formadores
da União Soviética consiste de carregamentos de carvão por ferrovia do Kasaquistão, Rússia e
Ucrânia para outros membros formadores da antiga União Soviética (International Energy
Agency, 2003a). A Tabela 5 resume os principais exportadores de carvão sólido do mundo.
16
Tabela 5: Principais Exportadores Mundiais de Carvão Sólido (Mt)
País/Ano 2000 2001 2002
Austrália 186,8 193,6 197,9
China 55,0 86,6 85,7
Indonésia 58,7 64,0 73,0
África do sul 67,0 68,3 68,7
Estados Unidos 53,0 44,1 34,6
Colômbia 34,1 37,4 34,4
Canadá 32,1 30,6 26,8
Polônia 23,2 23,0 22,6
FSU 31,5 32,6 40,8
Rússia 37,8 37,5 45,1
Kasaquistão e Outros 28,2 28,2 14,7
Outros 32,3 40,6 38,5
Total 573,8 620,8 622,9
Fonte: International Energy Agency (2003a)
Na América do Norte, o comércio ocorre principalmente entre os Estados Unidos e
Canadá. Em 2002, os Estados Unidos exportaram aproximadamente 14,3 Mt de carvão para o
Canadá e 0,9 Mt para o México. O Canadá exportou aproximadamente 1,9 Mt para os Estados
Unidos. O comércio internacional por terra entre os países formadores da antiga União
Soviética (FSU) em 2002 teve um declínio de 20,8% em relação a 2001. Grande parte do
declínio é relatada pela forte baixa no carregamento de carvão para vapor entre Kasaquistão e
Russia. Carregamentos da Ucrânia e outros países (FSU) também caíram fortemente
(International Energy Agency, 2003a).
2.4 PREÇO DO CARVÃO NO MUNDO
Geralmente os preços do carvão mineral são cotados em dólares (US$). O custo
estimado do carvão energético importado pelas duas maiores áreas importadoras (isto é, 15
países da União Européia e Japão) foi estimado pela IEA em US$36,57/tce em 2002, assim
medido pela unidade de valores habituais. O custo médio do carvão para vapor importado no
Japão foi de US$36,95/tce em 2002 (International Energy Agency, 2003a).
Em 2002, devido à queda do preço do carvão, as exportações de países como Austrália,
Rússia, China e Indonésia foram favorecidas. Por outro lado, as exportações do Canadá,
Estados Unidos e África do Sul apresentaram um custo mais elevado. O custo do carvão para
17
vapor importado na União Européia apresentou um custo médio de US$38,65/t. Em 2002, os
custos de importação do carvão para vapor declinaram para as importações da Austrália,
Estados Unidos, África do Sul, Polônia, Colômbia e Rússia. Os custos aumentaram para
importações de carvão para vapor da China e Indonésia (International Energy Agency,
2003a). A Tabela 6 mostra as principais unidades de valores de importação.
Tabela 6: Unidades de valores de Importação (CIF) do Carvão para Vapor
Ano/Local IEA (US/t) Japão (US/t) EU (15) (US/t)
2000 33,47 34,59 34,93
2001 38,67 37,95 42,79
2002 36,57 36,95 38,65
Fonte: International Energy Agency (2003a)
Para exportação as unidades refletem o preço do carvão para o ponto de origem dos
países produtores: portanto, o preço inclui o custo de transporte para mover o carvão da mina
de produção para o ponto de saída (International Energy Agency, 2003a). A Tabela 7 mostra
as principais unidades de valores de exportação.
Tabela 7: Unidades de valores de Exportação (FOB/FAS) do Carvão para Vapor(US$/t)
Ano/pais Austrália Indonésia Colômbia África do
Sul
Estados
Unidos
FOB FOB FOB FOB FAS
2000 24,27 22,34 26,99 22,93 31,84
2001 28,71 25,14 31,36 28,24 34,51
2002 28,08 24,32 30,09 26,94 37,40
Fonte: International Energy Agency (2003a)
O sistema de referência de preços usado pelo Japão continua estabelecendo uma faixa
de preços entre vendedores da Austrália e Companhias de Energia Japonesas para todas os
tipos de carvão. Diferentes preços continuam prevalecendo, igualmente entre os mesmos
compradores e vendedores, para diferentes volumes de carvão. Padrões de qualidade são
muitas vezes modificados para permitir mudanças de preço em carregamentos específicos.
Em 2003 foi estabelecido um preço de referência de US$26,75/tce em um acordo feito entre
vendedores australianos e as centrais de geração térmica japonesas (International Energy
Agency, 2003a).
Para o carvão metalúrgico a média de valores para importações em unidade de valores
habituais aumentou 2,5% no Japão em 2002 em relação a 2001, pois nos 15 países da União
18
Européia (EU) o aumento foi de 5,6%. Na Austrália, o aumento em unidades de valores de
exportação (FOB) foi de 8,7% em 2002, nos Estados Unidos foi de 9,1% (FAS) e no Canadá
foi de 7,7% (FOB), ambos em relação a 2001. Os preços caíram para a Colômbia (4%),
Indonésia (3,3%) e África do Sul (7,1%) (International Energy Agency, 2003a).
Em 2003 foi estabelecido um preço entre os fabricantes de aço japoneses e os maiores
fornecedores da Austrália e do Canadá, resultando em uma média de preços menores, em
cerca de US$1,90/t ou 4,0% em relação aos preços praticados em 2002 para uma certa faixa
do carvão. Os preços para o carvão da China diminuíram 4,4% (International Energy Agency,
2003a). A Tabela 8 e a Tabela 9 mostram as principais unidades de valores de importação e
exportação para o carvão de coking.
Tabela 8: Unidades de valores de Importação (CIF) para o Carvão de Coking ($/t)
Japão União Européia (EU)
2000 39,46 47,85
2001 41,13 53,50
2002 42,14 56,50
Fonte: International Energy Agency (2003a)
Tabela 9: Unidades de valores de Exportação (FOB/FAS) para o Carvão de Coking ($/t)
Austrália Estados Unidos Canada
2000 32,85 42,98 34,01
2001 36,93 45,88 38,57
2002 40,16 50,06 41,54
Fonte: International Energy Agency (2003a)
2.5 DEMANDA DE CARVÃO NO MUNDO
A demanda mundial de carvão sólido em 2002 foi 2,1% acima da demanda de 2001. Em
2002, a OECD foi responsável por quase 41% da demanda de carvão sólido. A demanda de
carvão sólido na OECD em 2002 diminuiu 0,8% do nível de 2001. A demanda de carvão da
OECD na região da América do Norte declinou 1,3%, devido a uma queda de demanda nos
Estados Unidos, onde a demanda caiu 1,2%, e Canadá onde a demanda caiu 4,2%. A demanda
de carvão sólido da OECD na região da Ásia-Pacífico aumentou 1,9%. Na região da Europa, a
demanda da OECD declinou 1,7% (International Energy Agency, 2003a).
19
Em países que não fazem parte da OECD, a demanda alcançou em 2002 um aumento de
4,3%. Fora da OECD, a China foi o grande consumidor de carvão do mundo, com demanda
de 5,0% de aumento sobre 2001. Outros grandes consumidores de carvão não integrantes da
OECD são Índia, África do Sul, Rússia e Ucrânia. Os cinco países, China, Estados Unidos,
Índia, Rússia e Japão, respondem pelo consumo de dois terços do carvão. Se uma segunda
relação de cinco países for adicionada a esta lista – Alemanha, África do Sul, Austrália,
Polônia e Ucrânia, então esse conjunto responde por 81% do carvão consumido. Em 2002,
aproximadamente 46,1% da demanda de carvão total verificou-se na OECD, pois a demanda
para 2002 apresentou um declínio de 0,6% em relação ao nível de 2001. Convém acrescentar
que para os países da Ásia em desenvolvimento, a China e a Índia responderão por
aproximadamente 50% do aumento de demanda total de carvão entre 2000 e 2025
(International Energy Agency, 2003a).
Em outros países em desenvolvimento da Ásia a demanda de carvão para geração de
eletricidade tende a diminuir segundo previsões de 33% (2001) para 27% (2025) devido ao
fato de que estes países possuem grandes reservas de gás natural. Para a Ásia industrializada
está previsto que a demanda de carvão aumentará ligeiramente na Austrália, com o Japão
importando praticamente todo o carvão para o seu consumo (IEA/IEO, 2004). A Figura 6
apresenta projeções para a demanda de carvão mundial.
Figura 6: Demanda Mundial de Carvão por Região
Fonte: IEA/IEO (2004)
20
Nos Estados Unidos, a demanda de carvão em 2002 diminuiu 0,9% em relação ao nível
de 2001. O carvão é usado em 50 Estados, com os Estados do Texas, Indiana, Ohio e
Pensilvânia representando aproximadamente 30% do consumo de carvão. Cerca de 90% do
consumo de carvão nos Estados Unidos é usado para geração de eletricidade, que é o mais
importante mercado para o uso do carvão desde a década de 1950. No restante da OECD, na
região da América do Norte a demanda de carvão sólido declinou 8,9% no México e
permaneceu estável no Canadá para ambos 2001 e 2002 (International Energy Agency,
2003a).
No Oeste Europeu há uma previsão de diminuição na demanda de carvão, devido ao
fato de que, nestes países o uso do gás natural em substituição ao carvão tende a crescer. A
Alemanha mantém seu consumo de carvão, sendo que mais de 50% da sua eletricidade é
gerada pelo carvão, com previsão de se diminuir ligeiramente sua demanda até o ano de 2025.
No Leste Europeu, a demanda de carvão também diminui segundo uma previsão de 23% em
2001 para 15% em 2010 (em relação a milhões de toneladas). A diminuição da demanda tem
como principal motivo o declínio econômico seguido pelo colapso do regime político iniciado
em 1989 e a dissolução da União Soviética em 1991. Como fator secundário tem-se o
aumento do uso do gás natural, sendo a Polônia e a República Tcheca os dois maiores
consumidores de carvão (IEA/IEO, 2004).
Na África do Sul, a demanda de carvão está prevista para aumentar entre 2001 e 2025,
principalmente para a geração de eletricidade, atividade na qual a demanda do mesmo deve
aumentar em uma média de 2,7% ao ano (IEA/IEO, 2004).
No Oriente Médio, a Turquia e Israel são os principais países consumidores de carvão e,
segundo as previsões, os seus consumos tendem a aumentar para os próximos anos. O
aumento de demanda se deve principalmente à produção de energia elétrica, sendo que para a
Turquia o aumento previsto é de 3 Mt/ano e para Israel de 23 Mt/ano (IEA/IEO, 2004).
Não há previsão de grandes aumentos na demanda de carvão para as Américas do Sul e
Central, visto que o gás natural pode vir a suprir a maioria da demanda de energia do futuro.
O Brasil, por ocupar o nono lugar na produção de aço do mundo, contribuiu para
aproximadamente 65% da demanda de carvão da região em 2001, sendo que o restante ficou
21
para Colômbia, Chile, Argentina e a menor parte para o Peru (IEA/IEO, 2004). A Tabela 10
resume a demanda mundial de carvão por países.
Tabela 10: Demanda Mundial de Carvão por Paises (Milhões de toneladas curtas)
Pais/Ano 2000 2001 2002 2003
China 1282,29 1356,60 1412,96 1531,09
Estados Unidos 1084,09 1060,15 1066,35 1094,13
Índia 406,07 413,56 430,63 430,62
Alemanha 269,81 278,15 280,12 273,05
Rússia 252,51 241,65 240,17 250,73
África do Sul 176,06 173,52 172,11 187,76
Polônia 158,71 152,00 149,45 152,58
Japão 156,88 166,88 171,92 175,58
Austrália 141,00 140,98 145,25 144,08
Ucrânia 72,64 70,62 68,79 67,17
Turquia 88,67 80,11 72,50 71,02
Grécia 72,41 75,49 76,81 76,04
Canadá 69,62 69,58 68,22 69,43
Brasil 24,04 23,73 22,09 23,88
Chile 5,29 4,16 4,42 4,39
Colômbia 4,51 4,55 4,07 1,87
Fonte: International Energy Agency (2003b)
22
Capítulo 3
A TECNOLOGIA DO CARVÃO LIMPO
O termo “ Tecnologia do Carvão Limpo (CCT) ” pode ser identificado como uma
família de inovações tecnológicas que são ambientalmente superiores às tecnologias
atualmente usadas. Esse termo descreve uma nova geração de processos industriais de geração
de eletricidade e combustíveis derivados do carvão com vistas a aumentar a eficiência dos
processos e minimizar os impactos ambientais causados pela combustão do carvão, buscando
como resultado final a geração de maior quantidade de energia de cada tonelada de carvão
queimado.
O programa está sendo desenvolvido através de parcerias entre governos e setores
privados para melhorar as tecnologias de instalações existentes e desenvolver tecnologias
avançadas para futuras instalações, sendo que as principais metas são obter equipamentos
avançados de controle de poluição e sistemas de geração de potência mais avançados,
eficientes e super-limpo (U.S Department of Energy, 2004). Sabendo que existem previsões
de que o uso do carvão deverá se manter e inclusive aumentar em algumas regiões, é vital
encontrar caminhos para a sua utilização, dentro de novos padrões de exigências tecnológicas
e ambientais. A Figura 7 apresenta uma projeção do suprimento de energia mundial pelo
conjunto das fontes energéticas e para o carvão.
23
Figura 7: Suprimento de Energia Prevista pelo Conjunto das Fontes Energéticas e pelo Carvão
Fonte: (National Mining Association, 2003)
O programa Tecnologia do Carvão Limpo original, o qual desenvolvido em 1986
pelos Estados Unidos, fundamentado na comercialização de processos que auxiliaram a
redução de óxido de enxofre e de óxido de nitrogênio demonstrou melhores alternativas em
termos ambientais para as caldeiras de carvão pulverizado tradicionais. Novos programas,
assim como a Iniciativa de Potência do Carvão Limpo (CCPI), são essenciais no processo
para o progresso do programa original (CCT), encontrando soluções para redução de emissões
de mercúrio; redução ou eliminação das emissões de dióxido de carbono e aumento da
eficiência do combustível. Como uma perspectiva de longo-prazo está previstas pesquisas
direcionadas para o desenvolvimento de combustíveis de hidrogênio baseado no carvão, pois
a junção desta com tecnologias de captura podem possibilitar grande uso do carvão com
baixas emissões (National Mining Association, 2003).
Como um exemplo de metas a serem alcançadas, em fevereiro de 2002 o presidente
norte-americano George W. Bush propôs mais redução nas emissões dos principais poluentes
emitidos por instalações de potência com caldeira a carvão. Os percentuais de redução
previstos para o ano de 2018 são os seguintes: corte de 73% em dióxido de enxofre (SO
2
) dos
níveis atuais de 11 milhões de toneladas, corte de 67% em óxido de nitrogênio (NO
X
) dos
níveis atuais de 5 milhões de toneladas e corte de 69% em mercúrio (Hg) dos níveis atuais de
48 toneladas (U.S Department of Energy, 2004). A Figura 8 representa o custo do programa
Tecnologia do Carvão Limpo original.
24
Figura 8: Custo do Programa Tecnologia do Carvão Limpo Original
Fonte: (National Mining Association, 2003)
Esse programa está voltado principalmente para desenvolver conceitos inovadores que
possam ser readaptados para os 320.000 MW brutos da existente carga de base da capacidade
de geração de potência com caldeira a carvão nos Estados Unidos (U.S Department of
Energy, 2004). Os principais tópicos incluídos nas metas deste programa estão descritos
abaixo:
3.1 CONTROLES AVANÇADOS DE ÓXIDO DE NITROGÊNIO
Neste tópico pode-se destacar, por exemplo, os queimadores de baixo NO
X
e sistemas
de queima secundária, que podem prevenir a formação de NO
X
no processo de combustão,
processos químicos que reduzam o NO
X
já formado dos gases de combustores de carvão e
combustão com aumento de oxigênio, que desloca uma porção do nitrogênio carregado no ar
em um combustor de baixo NO
X
(U.S Department of Energy, 2004).
Além da queima de combustíveis fósseis em altas temperaturas em sistemas industriais,
existem outras fontes de geração do NO
X
. Por exemplo, a gasolina utilizada nos automóveis é
a maior fonte de NO
X
nos Estados Unidos, pois os sistemas para geração de potência com
caldeira a carvão respondem por cerca de 25% das emissões anuais de NO
X
(U.S Department
of Energy, 2004). A Figura 9 mostra as principais fontes de NO
X
.
25
Figura 9: Principais Fontes de NO
X
Fonte: U.S Enviromental Protection Agency (2003)
Durante a combustão do carvão, a formação de NO origina-se de três diferentes fontes,
a saber: NO térmico, NO rápido e NO combustível. Essas três fontes podem ser distinguidas
teoricamente, mas na prática não é possível quantificar a contribuição de cada fonte (Van der
Lans et al., 1997).
O NO térmico se forma em temperaturas acima de 1700K pela reação do N
2
com o O
2
,
ambos provenientes do ar de combustão, pois altas temperaturas são requeridas para quebrar a
forte tripla ligação na molécula de nitrogênio. O mecanismo de reações é o seguinte (Van der
Lans et al., 1997):
N
2
+ O ↔ NO + N (1)
N + O
2
↔ NO + O (2)
sendo que para chamas ricas em combustível a seguinte reação também é válida:
N + OH ↔ NO + H (3)
Os queimadores de baixo NO
X
são designados para trabalhar em temperaturas abaixo de
1800K e por isso a contribuição de NO térmico para o total de NO é pequena, embora para
temperaturas de pico da chama a formação de NO pode contribuir para o total de NO emitido
(Van der Lans et al., 1997).
26
As taxas de formação de NO na combustão de combustíveis fósseis podem exceder as
taxas atribuídas à oxidação direta de N
2
através do mecanismo térmico, especialmente em
condições ricas de combustíveis. Este NO formado foi chamado de NO rápido, desde que a
formação de NO foi confirmada em regiões próximas à região da chama (Fenimore apud José,
2004).
O NO rápido resulta, principalmente, do radical CH, que é uma espécie intermediária
que é gerada através de uma reação complexa. O radical CH reage com nitrogênio do ar de
combustão formando cianeto de hidrogênio, o qual em reações posteriores é transformado em
NO (José, 2004).
CH + N
2
→ HCN + N → ... → NO (4)
A energia de ativação da reação (4) é muito menor do que a reação limitante para o NO
térmico da reação (1). Assim, o NO rápido é formado em temperaturas relativamente baixas
(em torno de 1000K).
A conversão de nitrogênio quimicamente ligado ao combustível em NO é observado,
principalmente, na combustão de carvão, por que o carvão possui no mínimo cerca de 1% em
massa de nitrogênio. Os compostos contendo nitrogênio evaporam durante o processo de
gaseificação e resultam na formação de NO na fase gasosa. Cianeto de hidrogênio (HCN) é o
principal produto quando o nitrogênio está contido em anéis aromáticos, e amônia (NH
3
)
quando o nitrogênio está contido em aminas. HCN e NH
3
são oxidados a NO, mas também
podem ser reduzidos a N
2
através de reações paralelas (José, 2003):
HCN / NH
3
+ O
2
→ NO + ... (5)
NO + HCN / NH
3
→ N
2
+ ... (6)
3.2 CONTROLES DE MERCÚRIO
Esse item refere-se a tecnologias que incorporam o seguinte: (1) sorventes e agentes
oxidantes que transformam formas gasosas de mercúrio liberadas durante a queima do carvão,
27
em formas que podem ser capturados pelos filtros de gases e outros equipamentos de remoção
de particulados e (2) agentes oxidantes que trabalham externamente a um lavador de gás
úmido para capturar mercúrio no sulfato dos sub-produtos. O esforço também inclui o
desenvolvimento de maneiras para medir emissões de mercúrio instantaneamente e
continuamente de maneira que operadores de plantas podem validar a eficácia das tecnologias
de controle (U.S Department of Energy, 2004)
Existem pequenas quantidades de mercúrio no carvão (em ppm) e em outros
combustíveis fósseis, e quando este queima, vapor de mercúrio pode ser liberado para a
atmosfera, onde pode permanecer por um ano ou mais, expandindo com correntes de ar para
vastas regiões do globo. Grandes níveis de concentração de mercúrio podem ter um efeito
tóxico no sistema nervoso de seres humanos. O termo “mad hatter” deriva do fato que
mercúrio foi usado em curtumes de couro nos séculos passados, e algumas pessoas
desenvolveram distúrbios nervosos, a partir da exposição contínua a grandes níveis de
mercúrio (U.S Department of Energy, 2004). A Figura 10 apresenta as emissões de mercúrio
em um contexto global.
Figura 10: Emissões Globais de Mercúrio
Fonte: U.S Enviromental Protection Agency (2004)
A meta a curto-prazo é para que sejam desenvolvidas tecnologias que possam alcançar
50 a 70% de captura de mercúrio, com custos menores em cerca de 75% do que a atual
tecnologia de injeção de carvão ativado pulverizado. A longo prazo, a meta é desenvolver
tecnologias avançadas que possam alcançar 90% de captura, e tenham custos de 50 a 75% do
custo atual das tecnologias hoje empregadas e que podem estar disponíveis a partir de 2010
(U.S Department of Energy, 2004).
28
3.3 CONTROLE DE PARTICULADOS
Refere-se a controles que podem encontrar padrões de qualidade do ar ambiente para
partículas microscópicas chamadas “PM2,5” (partículas com 2,5µm de diâmetro). Os
departamentos de pesquisa e energia estão desenvolvendo maneiras para melhorar os
equipamentos de captura de particulados como os filtros, precipitadores eletrostáticos, ou
híbridos de ambos equipamentos, de maneira que eles possam ser efetivos na captura de
pequenas partículas (U.S Department of Energy, 2004).
Material particulado (PM) descreve aerossóis de pequenas partículas sólidas, assim
como sujeira, solo, névoa, cinzas, tão igualmente como gotículas de líquido que são suspensas
na atmosfera. Algumas partículas são grandes ou escuras o suficiente para serem vistas como
fuligem ou fumaça. Outras são tão pequenas que podem ser vistas apenas com microscópio
eficaz. Material particulado pode ser emitido de chaminés de fábricas e usinas termelétricas,
exaustão de veículos, queima de lenha, atividades de construção, agricultura e fontes naturais
como os vulcões (U.S Department of Energy, 2004). A Figura 11 representa uma partícula
“PM2,5” como um fio de cabelo humano aumentado em 1000 vezes.
Figura 11: Partícula PM2,5 Semelhante a um Fio de Cabelo Humano
Fonte: U.S Department of Energy (2004)
Matéria particulada primária é gerada por uma variedade de processos químicos e
físicos. Esta é emitida na atmosfera diretamente da combustão, processos industriais,
emissões fugitivas e fontes naturais. Matéria particulada secundária é formada na atmosfera
pela condensação dos gases. Durante a combustão do carvão, matéria mineral (impurezas
inorgânicas) é convertida para cinza, sendo que esta é descarregada no fundo da fornalha
como cinza de fundo. As partículas suspensas nos gases são conhecidas como resíduos das
cinzas, pois estes constituem a matéria particulada primária, a qual entra no equipamento de
29
controle de matéria particulada. Essa matéria particulada é referida como “PM”, “PM10”,
“PM2,5”(matéria particulada (PM) com um diâmetro aerodinâmico equivalente de 10µm ou
menos e 2,5µm ou menos respectivamente) (IEA Clean Coal Centre, 2004).
3.4 UTILIZAÇÃO DOS SUB-PRODUTOS DA COMBUSTÃO
A utilização dos sub-produtos da combustão fundamenta-se em pesquisas para
desenvolver maneiras de aumentar a reciclagem de carbono e outros produtos residuais de
centrais de potência, que muitas vezes, em grande parte destas, são jogados fora. O
Departamento de Energia dos Estados Unidos está estudando a composição química destes
produtos e desenvolvendo maneiras de separar carbono e outros elementos dos produtos e
expandir seu uso comercial. De acordo com o Departamento de Energia Americano (U.S.
Department of Energy, 2004), são gerados anualmente nos Estados Unidos cerca de 100
milhões de toneladas de sub-produtos da combustão do carvão, dos quais apenas 30% são
aproveitados de alguma forma.
O maior uso dos resíduos das cinzas é como adições ao cimento, ao concreto e aos
produtos de concreto. Muitos especialistas crêem que os sub-produtos gerados nos Estados
Unidos representam um vasto recurso não usado. Os sub-produtos da combustão podem
reforçar materiais de construção e reduzir o custo geral do produto. Os subprodutos ricos em
gesso dos sistemas de lavagem podem prover nutrientes de plantas e aumentar a fertilidade do
solo em muitas aplicações na agricultura. Subprodutos da combustão do carvão podem ser
usados para imobilizar resíduos perigosos para uma segura disposição (U.S Departement of
Energy, 2004).
Grande uso de subprodutos da combustão do carvão pode auxiliar a diminuir as
preocupações com gases que contribuem para o efeito estufa. Usando os resíduos das cinzas
para a fabricação de cimento, por exemplo, reduz-se a necessidade de calcinação do calcário,
um processo que requer uma grande quantidade de calor tipicamente provida pela queima de
combustíveis fósseis. Para toda tonelada de resíduos das cinzas usada no concreto,
aproximadamente 0,8 toneladas de dióxido de carbono (CO
2
) são impedidas de serem
liberadas para a atmosfera. A meta do Departamento de Energia dos Estados Unidos é
30
aumentar o uso dos subprodutos de 30% para 50% para o ano de 2010 com o objetivo de
assegurar que a indústria geradora de energia elétrica continue a adotar tecnologias mais
avançadas e limpas para o uso do carvão (U.S Department of Energy, 2004).
3.5 O GERENCIAMENTO DA ÁGUA
O gerenciamento da água compreende a pesquisa para desenvolver tecnologias mais
eficientes que possam reutilizar a água de resfriamento de usinas termelétricas a carvão e de
outros processos, pois o mesmo busca também obter um conhecimento mais amplo das
características químicas e físicas de lagoas de minas e também das vertentes de água que
ficam localizadas próximas das centrais de potência com caldeiras a carvão.
As usinas termelétricas respondem pelo segundo grande uso de água nos Estados
Unidos, pois isso representa 39% de toda a água utilizada para fins de abastecimentos
industrial, comercial e doméstico, naquele país. Aproximadamente 75% da água é utilizada
em usinas termoelétricas baseadas em combustíveis fósseis. A demanda de água para o setor
de utilidades elétricas compete com a demanda de água para outros setores da economia.
Desta maneira, a disponibilidade de adequado suprimento de água para uso nas usinas
termelétricas e o impacto de suas operações na qualidade da água estão recebendo aumentada
atenção (U.S Department of Energy, 2004).
Para alcançar todas as metas colocadas acima, muitos esforços em pesquisa e
desenvolvimento estão sendo feitos em tecnologias de geração de potência emergentes, as
quais são comentadas adiante.
A força que impulsiona o desenvolvimento de novas tecnologias para a combustão do
carvão está na necessidade de criar significantes melhorias em áreas vitais, tais como o
melhor uso do combustível, desenvolvimento tecnológico dos sistemas de queima e das
próprias caldeiras, bem como a minimização de impactos ambientais. O carvão permanece
como uma opção atrativa como fonte estável de suprimento de energia para muitas décadas,
visto que seu baixo custo, comparado com o de outros combustíveis, é certamente sustentado
por suas enormes reservas mundiais (Osborne et al., 1996). O esquema mostrado na Figura 12
31
apresenta vantagens e desvantagens que devem ser observadas quando se considera o
potencial do carvão em termos do mesmo continuar a ser a maior fonte de combustível para
geração de potência no futuro.
Figura 12: Vantagens e Desvantagens do Uso do Carvão
Fonte: Osborne et al. (1996)
O maior problema relacionado ao uso do carvão é o seu potencial de poluição, o qual
requer melhorias na eficiência dos equipamentos utilizados na usinas termoelétricas, com o
fim de reduzir as emissões de dióxido de carbono e outras emissões de poluentes.
Conseqüentemente, o desenvolvimento tecnológico para melhorar a eficiência de caldeiras
que operem com o carvão mineral está sendo procurado. As principais tecnologias em franco
desenvolvimento são: a combustão em leito fluidizado pressurizado (PFBC) e a gaseificação
integrada ao ciclo combinado (IGCC), (Osborne et al. 1996).
32
Em relação aos futuros progressos com tecnologias de gaseificação, os quais
possibilitam a obtenção de combustível para células combustíveis, pode-se dizer que o
desenvolvimento e comercialização de sistemas de combustão em leito fluidizado atmosférico
(principalmente o de leito circulante) foi parte de um passado bem sucedido (Osborne et al.,
1996). A Figura 13 mostra a trajetórias destas tecnologias acompanhando o aumento de sua
eficiência.
1940 1960 1980 2000 2020
0
10
20
30
40
50
60
70
I
G
C
C
(
l
i
m
p
e
z
a
d
o
g
á
s
f
r
i
o
)
IG
C
C (l
i
mpeza do
gá
s
quent
e)
P
F
B
C
IGHAT
IGMCFC
AGMCFC
PF e
FDG
ca
l
d
e
ir
a
s supercr
í
tic
a
s
c
a
ld
eir
a
s d
e
c
a
rvã
o
p
u
l
ve
r
iz
a
d
o
m
o
d
ern
a
s
Eficiência Térmica (%)
Ano
Figura 13: Trajetória das Tecnologias e de Eficiência Térmica
Fonte: Osborne et al. (1996).
Com relação às Tecnologias do Carvão Limpo (CCT), os resultados de pesquisas e do
desenvolvimento tecnológico alcançados nos últimos 20 anos tem resultado em mais de 20
novas tecnologias, as quais apresentam custo mais baixo, maior eficiência e melhor
compatibilidade ambiental. Essas tecnologias refletem resultados alcançados em usinas
termelétricas, usinas siderúrgicas, fábricas de cimento e ainda em outros setores industriais
(National Mining Association, 2003). As inovações em tecnologias baseadas no carvão são
ambientalmente superiores e mais eficientes operacionalmente que as tecnologias atuais, e de
um modo geral pode-se agrupá-las nas seguintes categorias: combustão, pós-combustão e
conversão (liquefação e gaseificação).
33
3.6 COMBUSTÃO
Nesta categoria podem ser citados os dois tipos principais de combustão para carvão, a
combustão de carvão pulverizado e a combustão em leito fluidizado. A combustão do carvão
pulverizado (mais detalhada no Capítulo 4) é o sistema mais antigo de combustão do carvão,
pois este tem alcançado grandes progressos com relação ao passado devido principalmente à
utilização de avançados sistemas de queima. Apesar das novas tecnologias em uso e em
desenvolvimento, mais de 90% da eletricidade gerada a partir do carvão no mundo é ainda
baseada na combustão do carvão pulverizado.
Uma vez que o uso do carvão mineral para geração de potência em função das suas
reservas, deve ter a sua utilização por muitos anos ainda, os métodos de combustão devem
avançar em termos de dominar a atual combustão de carvão pulverizado em caldeiras
subcríticas e supercríticas. Os atuais projetos supercríticos (pressão do vapor acima de 210
bar) apresentam eficiência de 43%. A maior tendência para o futuro é o projeto
ultrasupercrítico baseado em altas pressões e temperaturas (por exemplo 37,5 MPa e 700°C)
para os projetos de avançadas plantas de potência na Europa, apresentando eficiência de 55%
ou mais (Henderson, 2003). A obtenção de tal nível é fortemente dependente da engenharia,
assim como do projeto das turbinas e o desenvolvimento de materiais que suportem tais
temperaturas do vapor. A Figura 14 mostra um simples esquema da combustão do carvão
pulverizado.
Figura 14: Esquema da Combustão do Carvão Pulverizado
Fonte: UND University of North Dakota (2004).
34
A combustão em leito fluidizado (FBC) constitui uma opção viável para a geração de
potência, pois estas unidades operam com competitiva eficiência, com menores custos que
unidades atuais e com níveis de emissão abaixo dos definidos na legislação ambiental
(National Energy Technology Laboratory, 2004).
A Combustão em Leito Fluidizado é uma tecnologia para a combustão do carvão em
avançado estágio de demonstração, pois apresenta grandes vantagens sobre outros sistemas de
combustão. Duas das principais vantagens desta tecnologia é a grande flexibilidade de
combustível e o controle do óxido de enxofre (SO
X
) feito no próprio leito através da utilização
de um sorvente (geralmente o calcário), não necessitando de equipamentos de pós-combustão
como os lavadores de gás (scrubbers).
A Combustão em Leito Fluidizado é uma tecnologia que se apresenta muito adequada à
queima de carvões “pobres” (altos teores de inertes e baixo poder calorífico, e carvões com
alto teor de cinza) (PPE/COPPE/UFRJ, 2001). A Figura 15 mostra um esquema de leito
fluidizado.
Figura 15: Esquema de Leito Fluidizado
Fonte: National Mining Association (2003)
3.7 PÓS-COMBUSTÃO
O termo pós-combustão representa o grupo das tecnologias utilizadas geralmente para o
controle de poluentes após a combustão do carvão, ou seja, o controle feito através do
35
tratamento dos gases da combustão. Como exemplo destas tecnologias pode-se citar os
lavadores de gás ou scrubbers (dessulfurização dos gases), limpeza química ou precipitadores
para remover grandes quantidades de enxofre, outras impurezas e material particulado (poeira
e cinzas) de emissões antes de eles serem liberados para a atmosfera (National Mining
Association, 2003). A Figura 16 mostra o esquema de uma destas tecnologias, ou seja, um
lavador de gás úmido usado em uma central termoelétrica (Souza e Moreira, 2001).
Figura 16: Esquema de um Lavador de Gás Úmido (Wet Scrubber ou Wet FDG)
Fonte: Souza e Moreira (2001)
3.8 CONVERSÃO
Conversão significa, por exemplo, o uso de calor e pressão para converter carvão em um
gás ou líquido, os quais podem passar por um sistema de limpeza para serem mais refinados
para o seu uso. Um exemplo desta tecnologia pode ser a gaseificação integrada a um ciclo
combinado (IGCC) e outros processos de gasificação ou liquefação. A gaseificação se
constitui na melhor de todas as alternativas para a combustão do carvão, pois esta tecnologia é
bastante eficiente e limpa (National Mining Association, 2003).
36
O processo de conversão denominado de gaseificação do carvão apresenta as seguintes
características: melhor tecnologia para conversão de carvão em potência limpa e eficiente,
químicos, fertilizantes e combustíveis; baixo NO
X
, SO
X
e material particulado; baixa
quantidade de resíduos sólidos e baixo custo para remoção de mercúrio e SO
X
; baixo custo de
investimento e custo competitivo com outras tecnologias. A gaseificação está recebendo apoio
e incentivo de muitos grupos ambientais, pois a mesma se constitui em uma grande promessa
para o futuro, sendo conhecida como conversão direta de carvão a hidrogênio (Eastman
Gasification Services Company, 2003). A Figura 17 mostra o esquema simplificado do
processo de gasificação.
Figura 17: Esquema Simplificado do Processo de Gaseificação
Fonte: Eastman Gasification Services Company (2001)
37
Capítulo 4
TECNOLOGIAS PARA A COMBUSTÃO DO CARVÃO
Combustão é uma das tecnologias mais antigas da humanidade. Atualmente, a maior
parte da energia consumida no mundo (por exemplo: em transporte, geração de energia
elétrica, aquecimento) é fornecida por processos de combustão. Deste modo, o conhecimento
desse processo é de grande importância para muitas áreas (José, 2001).
Combustão é o processo que prevalece na utilização da energia fóssil, e no caso do
carvão, ele é o principal combustível fóssil utilizado para a geração de potência elétrica. O
carvão, devido ao seu baixo custo e grande disponibilidade, deve ser ainda utilizado por
algumas centenas de anos, como o principal energético, pois os sistemas de combustão a
carvão para geração de potência devem atender às seguintes demandas (Beér, 2000):
• baixo grau de carbono “não queimado” com o mínimo de excesso de ar;
• ausência de excessiva fusão da escória na câmara de combustão de grandes caldeiras;
• operações com fácil remoção de cinzas e baixa emissão de NO
X
a partir de modificações
dos processos de combustão;
• aceitação da variação da qualidade do carvão sem significante redução da eficiência da
combustão e disponibilidade da caldeira da usina.
Dentre as várias tecnologias para a combustão do carvão (algumas amplamente usadas e
outras ainda em fase de pesquisa ou demonstração), pode-se enumerar como principais as
38
seguintes: a combustão do carvão pulverizado, a combustão em leito fluidizado e a
gaseificação do carvão, as quais serão discutidas a seguir.
4.1 COMBUSTÃO DO CARVÃO PULVERIZADO
O sistema de Combustão do Carvão Pulverizado é o mais amplamente usado no mundo
e o mesmo é baseado em muitas décadas de experiência. Neste tipo de combustão, o carvão é
secado e fundamentado em uma granulação específica, que depende do grau de
carbonificação do carvão e, consequentemente, da sua reatividade. O sistema de preparação -
alimentação, secagem e moagem do carvão e o transporte pneumático do carvão pulverizado
para os queimadores está totalmente integrado com a caldeira. Para carvões com baixa
reatividade, a granulometria das partículas é diminuída para criar uma grande área de
superfície específica do carvão, assim como para melhorar as condições de ignição e
combustão (Beér, 2000).
O carvão pulverizado é pneumaticamente transportado para os queimadores e injetado
na forma de jato de partículas na câmara de combustão. O ar de transporte que carrega o
carvão do moinho para os queimadores é uma pequena fração do ar de combustão total, sendo
sua temperatura limitada a aproximadamente 100°C por razões de segurança contra a ignição
e explosão do moinho e da tubulação de transporte entre o moinho e os queimadores (Beér,
2000).
A partir da injeção na câmara de combustão, o jato de carga das partículas de carvão
mistura-se com os produtos quentes da combustão, os quais aumentam sua temperatura (Beér,
2000). O restante do ar de combustão, geralmente pré-aquecido, é injetado separadamente e
misturado com o jato de combustível queimando na câmara de combustão. A Figura 18
representa a estrutura de um equipamento de teste para verificar as características da
combustão do carvão no Japão.
39
Figura 18: Típica Caldeira a carvão pulverizado com Combustão Estagiada
Fonte: (CRIEPI News, 2004)
Na combustão de carvão pulverizado as partículas queimam em suspensão, criando
chamas e liberando calor na câmara de combustão, sendo que a temperatura de chama do
carvão usualmente alcançada se encontra em torno de 1500°C. O calor liberado na câmara de
combustão é transferido, principalmente por radiação e convecção, para os tubos de água que
estão localizados nas paredes da câmara de combustão. Gases quentes movem-se para a parte
de cima da fornalha e mais calor e extraído pelos tubos do superaquecedor, que está
localizado próximo ao topo da câmara de combustão. Finalmente, mais calor é extraído
usualmente em um economizador para aquecer a água antes que esta entre nos tubos da
caldeira e os gases da combustão então sigam para a chaminé (heat and power, 2004).
A configuração das caldeiras de carvão pulverizado geralmente varia de acordo com a
posição a qual os queimadores são montados nas mesmas. De uma maneira geral as
configurações podem ser basicamente de três tipos: 1) caldeiras com queima na parede
frontal, 2) caldeiras com queima em paredes opostas e 3) caldeiras com queima tangencial
(queimadores montados nos cantos da caldeira), nos quais os queimadores são ajustados, por
exemplo, segundo a variação do ângulo de inclinação (IEA Clean Coal Centre 2004). A
Figura 19 ilustra exemplos de configurações de caldeiras com queima na parede e queima
tangencial, juntamente com a configuração da chama segundo a posição dos queimadores.
40
Figura 19: Queimadores e Configuração de Chama
Fonte: U.S Department of Energy (1996)
Na combustão de carvão pulverizado a qualidade do carvão possui grande influência na
eficiência da combustão. Experimentos feitos mostram que a temperatura de chama dos gases
não é fortemente dependente da localização dos queimadores na fornalha. Para a temperatura
na fornalha experimentos mostram que para carvões com baixa quantidade de voláteis (por
exemplo, um carvão betuminoso da África do Sul), a temperatura é maior do que para carvões
com alta quantidade de voláteis. Para caldeiras com queima tangencial o perfil de temperatura
radial na fornalha é alta no centro e baixa próximo das paredes, pois nesta localização o perfil
de temperatura é dominado pelo resfriamento das paredes da fornalha (Van der Lans et al.,
1998).
A quantidade de voláteis no carvão não exerce grande influência na temperatura de
chama, pois isto mostra que a mistura limita a razão de combustão do carvão. As temperaturas
na fornalha são maiores em caldeiras que apresentam uma maior razão de mistura entre
combustível e ar e uma maior qualidade, ou seja, caldeiras de maior capacidade ou maior
potência. Em um caso mais particular as diferenças de temperatura entre carvões são
pequenas para caldeiras que possuem um material refratário de revestimento das paredes, pois
41
a temperatura deste está próximo da temperatura dos gases. Neste caso, a transferência de
calor por convecção é a mais importante, sendo que a diferença de temperatura entre os
carvões é fortemente influenciada pela capacidade de calor do refratário. Durante um dia de
teste a temperatura do refratário aumenta continuamente, resultando em um aumento da
temperatura na fornalha durante o dia (Van der Lans et al., 1998)
4.2 A COMBUSTÃO EM LEITO FLUIDIZADO
A combustão em leito fluidizado é uma tecnologia de combustão que constitui uma
opção viável para a geração de potência no futuro. As unidades FBC operam com competitiva
eficiência, menores custos que as unidades atuais e com emissões de NO
X
e SO
X
abaixo dos
padrões estabelecidos. Os sistemas de combustão de leito fluidizado são classificados segundo
dois critérios básicos, sendo eles a pressão de operação e a velocidade de fluidização. Quanto
à pressão de operação tem-se sistemas atmosféricos (unidades operando próximo a pressão
atmosférica) e sistemas pressurizados (altas pressões de operação). Com relação à velocidade
de fluidização, pode-se ter leito borbulhante (baixa velocidade do ar de fluidização) e leito
circulante (alta velocidade do ar de fluidização) (National Energy Technology Laboratory,
2004).
No sistema de combustão em leito fluidizado, o carvão e um sorvente (usualmente
calcário) são introduzidos juntos de maneira que o carvão represente de 1 a 3% do leito. Esta
tecnologia apresenta várias vantagens sobre as demais, sendo algumas delas as seguintes:
• temperaturas de operação mais baixas do que em caldeiras de Carvão Pulverizado;
• podem queimar ampla faixa de combustíveis, desde carvões de alto e baixo grau até
resíduos;
• possibilidade de controle de SO
X
no próprio leito;
• menor emissão de poluentes devido à baixa temperatura de combustão;
• menor gasto com a diminuição do tamanho do combustível.
42
O termo “Leito Fluidizado” reflete o estado de matéria particulada mantida em livre
movimento por uma corrente de ar introduzida no fundo do leito. O estado de qualquer
sistema de partículas é limitado por duas variáveis: a velocidade para a mínima condição de
fluidização e a velocidade de suspensão (heat and power, 2004).
Quando o sistema está operando entre estes dois pontos de referência este é conhecido
como um leito fluidizado borbulhante, pois este é uma mistura de partículas de areia e cinzas
grossas do combustível. Grãos de cinza podem ser removidos pelo fundo do leito ou pela
suspensão com os gases, uma vez que as partículas de cinza podem ser reduzidas de tamanho
pela ação erosiva da areia. O calor da combustão é recuperado via trocadores de calor dentro
do leito e outros equipamentos padrões das caldeiras. O ar requerido para fluidização e
combustão é alimentado via um distribuidor de ar, o qual é comumente uma bandeja de bocais
cujo projeto é classificado pelo fabricante (heat and power, 2004).
Em uma seção acima do leito conhecida como bordo livre, onde o diâmetro é maior que
o do leito, a reduzida velocidade assegura que as partículas sólidas retornem ao leito por
gravidade. Ar adicional para pós-combustão de componentes gasosos do combustível,
conhecido como ar secundário, é introduzido na seção de bordo livre para assegurar completo
carbono não queimado (heat and power, 2004).
Quando um sistema de combustão de leito fluidizado é projetado para operar acima da
velocidade de suspensão, este é conhecido como leito fluidizado circulante. Neste sistema,
um grande ciclone é usado para separar os gases das partículas em suspensão, as quais são
retornadas para o fundo do leito fluidizado. As partículas recirculadas passam direto a
resfriadores de areia antes de passarem no leito e o calor recuperado é usado para aumentar a
elevação do vapor. Por esta razão combustores de leito fluidizado circulante usualmente
dispensam trocadores de calor dentro do leito, os quais podem sofrer erosão e eventual falha
(heat and power, 2004).
Ainda para os sistemas atmosféricos, pode-se destacar que as caldeiras de leito
fluidizado circulante podem queimar combustíveis com baixo conteúdo de matéria volátil e
baixa temperatura de fusão das cinzas, pois isto é devido à baixa temperatura de operação
(850-900°C) que possibilita queimar combustíveis com conteúdo de cinzas acima de 70%. As
caldeiras de leito fluidizado circulante apresentam maior eficiência térmica, maior retenção de
43
SO2 pela maior interação entre partículas e maior tempo de residência. Neste caso, porém, um
elevado nível de sólidos gerados leva à necessidade de se promover uma maior separação de
partículas e a sua reciclagem parcial à caldeira (Parivesh, 2002 ). A Figura 20 mostra o
esquema de uma caldeira atmosférica com leito fluidizado circulante.
Figura 20: Esquema de Caldeira Atmosférica com Leito Fluidizado Circulante
Fonte: National Mining Association (2003)
A combustão em leito fluidizado pressurizada é uma avançada tecnologia de ciclo
combinado para geração de potência, a qual possibilita geração de potência limpa e eficiente
do carvão e de outros combustíveis. Um combustor de leito fluidizado, operando com alta
pressão (geralmente de 1,2 a 1,6 MPa), queima o carvão na presença de ar e de um sorvente
(calcário ou dolomita). A pressão no combustor é suprida com ar pressurizado do compressor
da turbina a gás, pois este é forçado direto ao leito inerte o qual se fluidiza. Em um leito
fluidizado pressurizado as mudanças no processo de combustão conduzem a uma grande
eficiência de combustão. Os gases da combustão passam por um sistema de limpeza para
reduzir sua concentração de particulados primeiramente para expansão em uma turbina a gás.
O gás então passa direto a um economizador em direção à chaminé.
O vapor para o ciclo a vapor é gerado em duas localizações principais: primeiro, no
feixe de tubos imersos no combustor de leito fluidizado e, segundo, no economizador, o qual
44
recebe o calor do gás de exaustão ainda quente da turbina a gás. Os combustores de leito
fluidizado, assim como os atmosféricos, apresentam sistemas com leito borbulhante e com
leito circulante, sendo os de leito borbulhante os mais desenvolvidos e com maior número de
plantas em demonstração. A Figura 21 mostra o esquema básico de combustão em leito
fluidizado pressurizado.
Figura 21: Esquema da Combustão em Leito Fluidizado Pressurizado
Fonte: Australian COAL Association (2004)
4.3 A GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO
A gaseificação se constitui na melhor de todas as alternativas para a combustão do
carvão, pois esta tecnologia, que depende de converter o carvão em outros produtos, é
bastante eficiente e limpa. Melhor que a combustão direta do carvão, um gaseificador de
carvão reage carvão com vapor e controla a quantidade de ar ou oxigênio sob altas
temperaturas e pressões. O calor e pressão quebram as ligações da estrutura molecular do
carvão, pois a reação com o vapor forma um gás conhecido como gás de síntese que é
composto principalmente de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H
2
), o qual é queimado
em uma turbina a gás para produzir eletricidade. Quando o gás é usado para produzir
45
eletricidade, é utilizado o sistema de ciclo combinado com gaseificação integrada (IGCC)
(Australian COAL Association, 2004).
O ciclo combinado com gaseificação integrada (IGCC) é o mais conhecido destes
sistemas, pois neste os gases passam por um sistema de limpeza e então são alimentados para
o combustor da turbina a gás. No processo de gaseificação, quase todo o enxofre é convertido
para sulfeto de hidrogênio e este é então recuperado, e a eficiência do ciclo é aumentada para
45%, apresentando redução nas emissões de NOx e SOx acima de 95% (Australian COAL
Association, 2004).
Avanços no próprio gaseificador para aumentar a eficiência, confiabilidade,
flexibilidade e economia de material de alimentação são cruciais para melhoramentos no
sistema de gasificação. Avançados materiais refratários e novos processos de instrumentação
estão sendo desenvolvidos para aumentar a confiabilidade e disponibilidade do sistema,
controle operacional e desempenho geral do sistema (Australian COAL Association, 2004).
O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) tem voltado suas atenções em
futuros conceitos de gaseificação que oferecem significativos melhoramentos na eficiência e
flexibilidade de combustíveis. A configuração de gaseificadores que adaptam uma grande
mudança na composição, poder calorífico, conteúdo de cinzas e outros fatores dos
combustíveis está sendo investigada.
O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) tem voltado suas atenções em
futuros conceitos de gaseificação que oferecem significativos melhoramentos na eficiência e
flexibilidade de combustíveis. A configuração de gaseificadores que adaptam uma grande
mudança na composição, poder calorífico, conteúdo de cinzas e outros fatores dos
combustíveis está sendo investigada. A Figura 22 mostra um sistema com ciclo IGCC
acoplado a um combustor.
46
Figura 22: Ciclo IGCC Acoplado a um Combustor
Fonte: Australian COAL Association (2004)
47
Capítulo 5
TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DE POLUENTES
O tipo de tecnologia de controle de emissões empregado para uma aplicação específica
depende dos padrões ambientais de emissões estabelecidos pelos órgãos competentes. As
emissões de poluentes dependem do combustível queimado e do sistema de combustão (Kitto,
1996)
5.1 O CONTROLE DE ÓXIDO DE NITROGÊNIO
A queima de combustíveis fósseis produz uma série de poluentes do ar, dentre eles o
óxido de nitrogênio (NO
X
). Carvão pulverizado é utilizado em larga escala para geração de
eletricidade. Durante a combustão do carvão, óxido de nitrogênio é formado, o qual pode ser
emitido para a atmosfera. Óxido de nitrogênio é um poluente, sendo em muitos países os
limites de emissão atualmente regulados pela legislação ambiental (Van der Lans et al.,
1997).
A quantidade de matéria volátil presente no carvão é muito importante, influenciando
significativamente na produção de NO
X
. A emissão de NO
X
tende a aumentar com o aumento
do conteúdo de voláteis para condições de combustão não estagiada. Para condições de
combustão estagiada, as emissões diminuem com o aumento do conteúdo de voláteis
(Makino, 2000). A quantidade de NO
X
formado na combustão do carvão é uma função do
48
conteúdo de nitrogênio presente no carvão, da temperatura de chama, da quantidade e
distribuição do ar durante a combustão e da estrutura da chama (Energy Information
Administration/Electric Power Monthly, 1998).
A concentração de óxidos de nitrogênio nos gases de combustão é produto da reação do
nitrogênio atmosférico com oxigênio durante a queima. A concentração aumenta
exponencialmente com o aumento da temperatura de combustão e aumenta linearmente com o
acréscimo da concentração de oxigênio. A influência do nitrogênio do combustível na
formação do NO
x dos gases de combustão é pequena, podendo ser mais forte em temperaturas
de combustão maiores que 1500°C (NOx térmico). Em fornalhas de temperaturas altas
(carvão mineral) prevalece a formação de NO
x térmico (que usa basicamente para a reação o
N
2 atmosférico) e em fornalhas de zonas de temperaturas baixas (carvão betuminoso)
prevalece a formação do NO
x do combustível (PPE/COPPE/UFRJ, 2001).
O controle de NO
X
pode ser feito através de dois métodos: métodos pré-combustão ou
preventivos (controle antes da sua formação) e métodos pós-combustão ou corretivos
(controle do NO
X
através do tratamento dos gases da combustão).
O controle através dos métodos pré-combustão podem ser feitos por quatro principais
tecnologias descritas abaixo:
5.1.1 Queimadores de Baixo NO
X
Queimadores são equipamentos de mistura projetados para assegurar ignição,
estabilidade de chama e combustão completa do carbono do carvão ao longo do seu caminho
na câmara de combustão (Beér, 2000). A operação nos queimadores de baix o NO
X
com
reduzido ar na zona primária de combustão pode conduzir a perdas econômicas devido a uma
maior quantidade de carbono não queimado, fundição da escória na zona de combustão e
acelerada corrosão. A diminuição da granulometria do carvão e o cuidadoso controle da
distribuição de ar/combustível podem ajudar a diminuir a quantidade de carbono não
queimado. O projeto de queimadores, assim como a disposição e operação dos mesmos
podem ser modificadas para minimizar a combustão incompleta do carbono, a fundição da
escoria e a corrosão do equipamento. Os tubos na zona dos queimadores também podem ser
revestidos com materiais resistentes à corrosão (U S Department of Energy, 1996).
49
Os queimadores são constituídos de uma entrada central de ar primário e uma entrada
anular de ar secundário. Em queimadores industriais, a entrada de ar primário também é de
forma anular devido à presença de um queimador piloto ou uma lança de óleo no centro. Os
queimadores mais modernos são equipados com uma entrada de ar terciário, coaxial com a
entrada de ar secundário (Beér, 2000). A Figura 23 mostra o esquema de um avançado
queimador de baixo NO
X
.
Figura 23: Esquema de Avançado Queimador de Baixo NO
X
Fonte: U.S Department of Energy (1996)
O carvão é misturado com o ar primário e transportado diretamente ao centro do
queimador com 15 a 20 m/s. A velocidade é alta o suficiente para prevenir a deposição do
carvão nas paredes do tubo e baixa o suficiente para ignição estável. A temperatura do ar é
geralmente 70°C e a quantidade é em torno de 20% do ar de combustão total. O restante do ar
é adicionado como ar secundário e/ou terciário direto a uma entrada coaxial e em movimento
ciclônico para estabilizar a zona de fluxo reversa (Beér, 2000).
A seguir serão descritos alguns parâmetros do processo que influenciam a formação de
NO
X
nos queimadores de baixo NO
X
:
a) razão de liberação: a razão de nitrogênio liberado em proporção com a razão de perda de
massa é uma função do tipo de carvão e da temperatura. A fração de nitrogênio liberado de
carvões de baixo grau de carbonificação é muito menor que a fração de massa liberada e
50
também menor que a liberação inicial de carbono. Para carvões de alto grau de carbonificação
a fração de nitrogênio liberado e relativamente maior que a perda de massa (Bexter et al.,
1995 apud Van der Lans et al., 1997).
Mudanças na razão de nitrogênio liberado são atribuídas a combinação de ambas
diferenças entre a estrutura química do carvão e o perfil da temperatura durante a combustão.
O esquema abaixo mostra o principal padrão de reação da conversão do nitrogênio do
combustível para NO e N
2
(Van der Lans et al., 1997).
+ Ox +H +H +NO → N
2
Voláteis do Nitrogênio → HCH/CN → NCO → NHi → N → ↓
do Combustível ↑ +OH,O
2
→ NO
↑----------------------------------------------------------↓
b) espécies de voláteis do nitrogênio: a produção relativa de HCN e NH
3
durante a
desvolatilização depende da estequiometria local. Em experimentos feitos com relativamente
grandes concentrações de O
2
observou-se um aumento na concentração de NH
3
. Carvões de
baixo grau de carbonificação produzem uma maior concentração de NH
3
, pois estes contêm
mais nitrogênio e oxigênio que carvões de alto grau de carbonificação. A eficiência de
conversão do nitrogênio do combustível para NO em altas temperaturas (1750-2300 K) é
independente do combustível e fortemente dependente do ambiente de combustão local (Van
der Lans et al., 1997).
c) propriedades do carvão: A conversão a NO das espécies de nitrogênio contidas nos
voláteis é mais eficiente do que a conversão do nitrogênio do combustível. A combustão
estagiada reduz a formação de NO. Além disso, o uso de um combustível com baixo conteúdo
de voláteis também contribui para essa redução. Usualmente a diferença entre grau de
carbonificação causa uma diferença na temperatura e tempo de residência na zona rica em
combustível, influenciando indiretamente a liberação do nitrogênio e as razões de reação.
Carvões de baixo grau de carbonificação com grande quantidade de voláteis conduzem a
grandes emissões de NO sob condições não-estagiada (Van der lans et al., 1997).
Para a combustão não estagiada há uma clara relação existente entre o conteúdo de
nitrogênio da matéria volátil e as emissões de NO. Para combustão estagiada, portanto, a
51
relação não é mais muito clara e a variação nas emissões é muito pequena entre os carvões. A
configuração ótima do queimador mostra-se como uma função do tipo de carvão (Morgan,
1990 apud Van der Lans et al., 1997).
d) estequiometria e tempo de residência: condições sub-estequiométricas são requeridas para
diminuir as emissões de NO da combustão do carvão. Investigações mostram que a ótima
razão de ar/combustível fica em torno de 0,7. A quantidade de NO produzido pode ser
reduzida para mais de 50%, quando comparada com uma estequiometria de 1,15 no primeiro
estágio (Van der Lans et al., 1997). A concentração de NO é claramente uma função do tempo
de residência para as estequiometrias de 0,6 e 0,8 com o tempo de residência na faixa de 0,1 –
2 s (Bose et al., 1988 apud Van der Lans et al., 1997).
Nos queimadores de baixo NO
X
não é possível distinguir claramente a zona rica em
combustível, na qual o tempo de residência é de difícil acesso. A ótima estequiometria no
primeiro estágio e a quantidade de ar adicionada no segundo estágio devem ser mantidas o
mais baixo possível, com o propósito de se ter um longo tempo de residência (Van der Lans et
al., 1997).
e) temperatura: o efeito da temperatura na zona primária de combustão na emissão de NO é
uma função da estequiometria e do tipo de carvão. Para altas temperaturas, a quantidade de
voláteis é maior, mas a emissão de NO pode ser controlada. Em baixa razão ar/combustível,
com um longo tempo de residência, a produção de espécies voláteis do nitrogênio é baixa e a
conversão destas para NO é baixa e pode ser considerada proporcional à conversão do
nitrogênio do carvão para NO (Van der Lans et al., 1997).
Para altas razões ar/combustível a emissão de NO aumenta devido a um aumento na
produção de voláteis e um aumento na conversão destes para NO (Spliethoff et al., 1996 apud
Van der Lans et al., 1997).
A conversão do nitrogênio do carvão para NO para temperaturas acima de 1000°C é
levemente influenciada pela temperatura. A contribuição do nitrogênio do char para o total de
NO está, portanto, relacionada com a temperatura pela produção de char. O tipo de carvão
constitui um fator muito importante, pois este determina a produção de voláteis (Van der Lans
et al., 1997).
52
f) o parâmetro de giro: várias técnicas podem ser usadas para estabilizar o giro, como o uso
de pás radiais em aplicações industriais para ar secundário e terciário e o uso de pás axiais
giratórias para ar primário. O parâmetro de giro é uma relação adimensional utilizada para
quantificar a intensidade da zona de recirculação interna (IRZ), pois o mesmo é descrito
matematicamente como a relação entre os momentos angular e axial, os quais são
conservados em jato livre segundo a equação (Van der Lans et al., 1997):
R
x
G
φ
G
(7)
na qual G
ϕ
é o momento angular, G
X
é o momento axial e R é o raio do queimador. G
X
e G
ϕ
podem ser calculados do perfil de velocidades:
(8)
∫
=
R
0
drrπ2Up(Wr)G
ϕ
(9)
∫∫
+=
RR
0
0
drrπ2pdrrπ2UpUG
x
Nas quais U e W são as componentes de velocidade axial e tangencial respectivamente, p é a
pressão estática e r o raio. Para o cálculo correto do impulso axial, a pressão da parede deve
também ser levada em conta para jatos confinados.
O parâmetro de giro não é uma medida universal para o fenômeno de fluxo, uma vez
que fluxos com o mesmo parâmetro de giro, os quais podem ser estabilizados com diferentes
tipos de giradores, podem apresentar variações no perfil da mistura e nas características do
fluxo reverso. Considerando que um parâmetro de giro universal não está presente, torna-se
difícil a comparação dos resultados de diferentes instalações de testes experimentais. Portanto,
o parâmetro de giro é um critério de similaridade significante para jatos produzidos por fontes
de giro geometricamente semelhantes (Van der Lans
et al., 1997).
g) velocidades do ar primário e secundário: a velocidade do ar primário determina a
distância de penetração da corrente na zona de recirculação interna (IRZ) antes que esta seja
53
defletida radialmente e para trás para mistura com o ar secundário. Frequentemente o
momento da razão de fluxo (Mr) entre o ar primário e o ar secundário é tido como um
parâmetro para caracterização das condições de entrada:
2
ss
2
s
2
pp
2
p
Uρr
Uρr
Mr
= (10)
na qual r é o raio, U a velocidade média axial,
ρ a densidade, os subscrito p é referente ao ar
primário e s ao ar secundário.
Uma alta velocidade do ar primário pode aumentar a chama e a mistura de ar com o
carvão, oferecendo grandes emissões de NO. Um aumento no parâmetro de giro conduz a
uma redução nas emissões de NO. Tais fatos mostram que as velocidades do ar primário e
secundário e o parâmetro de giro não podem ser regulados independentemente. A
estequiometria do estágio primário muda com a velocidade, pois isto pode ter uma influência
na emissão de NO. A influência da velocidade do ar primário não pode ser considerada
independente de outros parâmetros do queimador. O fluxo de ar secundário está fortemente
relacionado com a estequiometria, pois uma mudança no fluxo de ar secundário não é possível
sem mudar a estequiometria, a menos que ar terciário seja usado (Van der Lans
et al., 1997).
O parâmetro de giro tem uma maior influência na conversão do nitrogênio do
combustível para NO, HCN e NH
3
. Por exemplo, para as razões de ar/combustivel de 1,0 e
1,32, uma redução de 50% nas emissões de NO é alcançada quando o parâmetro de giro varia
de 0 a 1, pois a partir de 1 a influência deste parâmetro é pequena. Para uma estequiometria de
0,66, as emissões de NO diminuem linearmente com o parâmetro de giro variando na faixa de
0 a 3 (Harding
et al., 1982 apud Van der Lans et al., 1997).
h) ar terciário: o ar terciário pode ser injetado diretamente a uma entrada anular do
queimador, paralelo ao ar secundário ou muitas vezes mais abaixo da fornalha (esse chamado
de
ar da combustão estagiada, ACE). O ar terciário possibilita a mudança na velocidade do ar
secundário independentemente da estequiometria geral, aumentando a razão de fluxo do ar
terciário, enquanto diminui a razão de fluxo do ar secundário resulta em redução de NO. (Van
der Lans
et al., 1997). Experimentos feitos com a maioria do ar injetado como ar terciário
54
mostram melhores resultados. A quantidade ótima de ar terciário é uma função do calor
extraído da parede da fornalha. (Kimoto
et al., 1995 apud Van der Lans et al., 1997).
A influência do giro depende da estequiometria próximo ao queimador e das condições
de entrada do ar (geometria, momento). Portanto, não há uma tendência geral a ser formulada:
giro aumenta a mistura e estabiliza a chama, mas a formação de NO depende da combinação
entre a geometria do injetor de carvão e as velocidades do ar. Deve-se ter em mente que a
penetração do carvão na zona de recirculação interna é o principal parâmetro para ser
executado de modo a se ter baixas emissões de NO (Van der Lans
et al., 1997).
i) tamanho das partículas: o diâmetro do orifício e a razão de momentos são os dois fatores
de maior importância na penetração das partículas na zona reversa de fluxo interna. Os
valores de emissões podem ser altos ou baixos para pequenas e grandes partículas,
dependendo das condições de operação, como o tipo de orifício do queimador (anular, central)
e o tipo de combustão (estagiada na fornalha ou estagiada no queimador) (Abbas
et al., 1993
apud Van der Lans et al., 1997).
Para combustão estagiada na fornalha, a influência do tamanho das partículas diminui
com o tempo de residência e com a baixa estequiometria da zona primária. Grandes partículas
podem formar mais NO devido a um baixo tempo de residência na zona primária, combinado
com um baixo carbono não queimado quando elas alcançam o segundo estágio rico em
oxigênio. Para combustão estagiada no queimador, as emissões de NO são altas quando
referidas para orifícios anular e oblíquo, tendo uma tendência contrária para orifício central.
Em estudos nos quais a razão de momentos é alta não há mudança nas emissões com o
tamanho das partículas (Maier
et al., 1994 apud Van der Lans et al., 1997).
5.1.2 A Combustão Estagiada
Essa tecnologia é “implementada” pela injeção de uma porção do ar total de combustão
(geralmente de 10 a 25%) direto a pontos de alimentação localizados acima dos queimadores.
A combustão estagiada é uma técnica muito efetiva na redução de NO
X
e pode ser usada para
todos os combustíveis e na maioria dos sistemas de combustão. Tipicamente 10 a 25% do ar
total de combustão é desviado para os pontos de alimentação de ar da combustão estagiada,
possibilitando que os queimadores operem em uma condição sub-estequiométrica, reduzindo
55
a formação de NO
X
no estágio inicial da combustão. Com o uso da combustão estagiada a
temperatura dos gases é reduzida fazendo com que todo o CO e H
2
sejam rapidamente
oxidados para CO
2
e H
2
O, minimizando a formação de NO
X
térmico (Moore, 2000).
A colocação de um sistema de combustão estagiada em caldeiras existentes requer a
adição de um duto de ar, perfurações nas paredes da fornalha para os pontos de alimentação
de ar e um possível aumento da capacidade dos ventiladores para o suprimento de ar.
Geralmente a retroajustagem envolve detalhamento e estudo de lugares específicos usando
CFD (Computational Fluid Dynamic) para avaliar a compatibilidade com projeto de caldeiras
existentes, materiais e restrições de operação. Dentre alguns problemas operacionais da
combustão estagiada pode-se incluir a diminuição da eficiência de combustão e a deterioração
das condições finais do vapor (Moore, 2000). A Figura 24 mostra os sistemas ACE e ACEA e
o efeito da velocidade de injeção.
Figura 24: Comparação entre OFA Convencional e Avançado
Fonte: U.S Department of Energy (1996)
Em um sistema de combustão estagiada mais avançada (ACEA) o ar é desviado da
tubulação do ar secundário, sendo que a este sistema incorporam-se quatro amortecedores de
controle de fluxo nos cantos da caixa de vento do sistema de combustão estagiada, e quatro
orifícios de ar para combustão estagiada em ambas as paredes da frente e do fundo da
56
fornalha. Para melhorar a mistura, o sistema de ACEA aumenta a velocidade de injeção do
ACE comparado com outros sistemas de ACE (U.S Department of Energy, 1996).
5.1.3 A Combustão Secundária
No processo de combustão secundária, parte do combustível de entrada da caldeira
(tipicamente 10 a 25%) é adicionado em uma zona de queima separada. O combustível rico
em condições reduzidas nesta zona conduz para a redução da formação de NOx na zona
normal de combustão. Para completar a combustão é injetado ar sobre a zona de combustão
secundária (OFA descrito acima) de maneira que tem-se então três zonas distintas na fornalha:
1) zona de combustão com uma razão normal ar/combustível; 2) zona de combustão
secundária, onde o combustível adicional resulta em condições de combustível rico; e 3) zona
de queima completa do carbono (cauterização), onde o OFA completa a combustão (National
Energy Technology Laboratory, 2004). A Figura 25 mostra o esquema do processo de
combustão secundária.
Figura 25: Esquema Simplificado do Processo de Combustão Secundária
Fonte: U.S Enviromental Protection Agency (2003)
57
5.1.4 A Recirculação dos Gases
Nesta tecnologia, 20 a 30% dos gases da combustão (350 a 400°C) são recirculados e
misturados com o ar de combustão, pois a resultante diluição da chama diminui a temperatura
e disponibilidade do oxigênio, reduzindo assim a formação de NOx térmico. Quando a
recirculação é usada em queimadores de baixo NOx, os gases são recirculados sujeitos a
restrição operacional de estabilidade e impacto da chama. A instalação da recirculação em
unidades de caldeira a carvão existentes envolve a instalação de sistema de coleta dos gases,
duto de trabalho adicional, ventilador e equipamento de coleta dos resíduos das cinzas.
A distribuição do calor na fornalha pode ser afetada pela quantidade de gases, sendo que
uma recirculação excessiva leva a uma instabilidade de chama e aumento da temperatura da
corrente (IEA Clean Coal Centre, 2004). A recirculação sozinha apresenta uma baixa
eficiência na redução de NOx, sendo necessário a sua utilização em conjunto com outros
métodos de controle de NOx. Cabe destacar que o processo de recirculação é usado como um
condutor do combustível para a combustão secundária com a finalidade de aumentar a
penetração e mistura na zona de combustão secundária.
A seguir serão descritas as duas principais tecnologias de pós-combustão para o controle
de NO
X
através do tratamento dos gases da combustão.
5.1.5 A Redução Catalítica Seletiva
Esse método envolve a reação do NO
X
com NH
3
dentro de um leito catalítico em
condições apropriadas de temperatura (200 a 400
°C). Espécies de NO
X
reagem com NH
3
de
acordo com várias reações, sendo as dominantes (Radojevic, 1998):
4NO + 4NH
3
+ O
2
→ 4N
2
+ 6H
2
O (11)
6NO
2
+ 8NH
3
→ 7N
2
+ 12H
2
O (12)
O NO
X
dos gases está principalmente na forma NO, embora pouco NO
2
está também
presente. A amônia é quimicamente absorvida nos locais da superfície ativa do catalisador,
58
onde esta reage com o NO
X
da fase gás. A eficiência de remoção de NO
X
de sistemas de SCR
é de 70 a 90%. Vários catalisadores diferentes, operando sob diferentes faixas de temperatura
encontram-se disponíveis (Radojevic, 1998). A Figura 26 esquematiza o processo de SCR
com o sistema de alta-névoa.
Figura 26: Esquema do Processo de SCR
Fonte: Coal Utilization Research Council (2004)
A maioria dos catalisadores usados em plantas de potência com caldeira a carvão
consistem de misturas de vanádio (catalisador ativo) e titânio (usado para dispersar e apoiar o
vanádio), portanto, a composição final do catalisador consiste de muitos metais ativos e
materiais de apoio para encontrar requerimentos específicos para cada instalação de sistemas
de SCR. A geometria do catalisador pode ser uma placa plana ou pode ser em forma de
colméia (IEA Clean Coal Centre, 2004).
Em aplicações industriais, o leito catalítico pode ser instalado em várias localizações:
i) sistema alta-névoa: antes do precipitador eletrostático e da unidade de FDG.
ii) sistema baixa-névoa: após o precipitador eletrostático mas antes da unidade FDG.
iii) sistema cauda-final: após o precipitador e a unidade FDG.
59
O sistema de alta névoa é atualmente o mais amplamente usado, pois neste o reagente é
vaporizado, diluído com o ar e injetado nos gases à frente do leito catalítico (Radojevic,
1998).
5.1.6 A Redução Catalítica não Seletiva
No processo de SNCR o NO
X
dos gases é reduzido para N
2
pela reação com NH
3
ou
uréia, CO(NH
2
)
2
, a uma alta temperatura (900 a 1000°C). As reações químicas gerais
envolvidas são as mesmas que ocorrem em SCR, portanto, o processo é feito em um local
com altas temperaturas sem a necessidade de um catalisador. No caso de uréia a reação geral
para redução de NO é dada por (Radojevic, 1998):
H
2
NCONH
2
+ 2NO +
2
1
O
2
→ 2N
2
+ CO
2
+ 2H
2
O (13)
Em aplicações práticas, aditivo NH
3
é injetado nos gases mais próximo da zona de
combustão do que sistemas SCR. A eficiência do processo de SNCR depende de vários
fatores incluindo a temperatura, nível de NO
X
, mistura do gás com o fluxo de reagente, razão
NH
3
/NO
X
e tempo de reação. Em aplicações práticas é essencial a obtenção de uma
distribuição uniforme do aditivo nos gases dentro de uma zona de temperatura apropriada.
Geralmente eficiências de remoção de NO
X
de 30 a 70% são reportadas, mas eficiências tão
grande quanto 80% podem ser alcançadas (Radojevic, 1998).
O processo de SNCR é mais adequado para o uso em plantas existentes, visto que o
mesmo não necessita de leito catalítico. Apenas equipamentos de armazenagem e injeção são
necessários, resultando em um menor custo capital comparado a sistemas SCR. Os custos de
operação são compatíveis com os de SCR (Radojevic, 1998). A Figura 27 mostra o esquema
simples de um sistema de SNCR empregando uréia em uma central termoelétrica.
60
Figura 27: Processo de SNCR em uma Central Termoelétrica
Fonte: Souza e Morreira (2002)
5.2 O CONTROLE DE ÓXIDO DE ENXOFRE
A combustão de combustíveis fósseis para aquecimento e geração de energia é a maior
fonte de emissões de SO
X
para o ambiente. O SO
X
é altamente solúvel na água e, portanto, é
facilmente evaporado e absorvido pelas vias respiratórias. O controle de óxidos de enxofre
pode ser realizado através de várias tecnologias, sendo estas aplicáveis principalmente nas
fases de combustão e de pós-combustão.
Durante a fase de combustão, o controle de SO
X
pode ser realizado pelo emprego da
combustão em leito fluidizado (descrita no Capítulo 4), a qual emprega um sorvente para a
captura do enxofre no próprio leito fluidizado.
Para a fase de pós-combustão, tecnologias específicas estão disponíveis atualmente para
controle das emissões de SO
X
, as quais podem alcançar de 90 a 95% de eficiência. Um grande
número de tecnologias de controle de SO
X
vem sendo empregadas desde a introdução das
mesmas na indústria de potência com caldeira a carvão na década de 1970. A tecnologia mais
amplamente utilizada é o sistema de lavagem úmida (
Wet Scrubbing). A segunda tecnologia
mais utilizada é a lavagem seca ou lavagem por atomização a seco (
Dry Scrubbing ou Spray
Dry Scrubbing
) (Kitto, 1996).
61
5.2.1 Os Lavadores Úmidos ( Wet Scrubbing ou wet FDG)
Dessulfurização dos gases (FDG) é uma tecnologia de controle que remove SOx dos
gases pela reação destes com um sorvente alcalino, geralmente cal ou calcário. Em “Wet”
FDG, a tecnologia mais comum, o sorvente está contido em um lodo de água que é atomizado
em um recipiente absorvedor no qual o gás flui diretamente. Processos de Wet FDG
tipicamente removem de 90-97% do enxofre dos gases, pois os mesmos podem ser
configurados para produzirem gesso de elevada qualidade para uso em construções (IEA
Clean Coal Centre, 2004).
Nos sistemas de lavagem úmida, tratamento da água residual é requerido. Esses
sorventes são favorecidos pela sua disponibilidade e relativo baixo custo. A reação química
geral que ocorre com o calcário ou cal pode ser expressa de uma maneira simples como:
SO
2
+ CaCO
3
→ CaSO
3
+ CO
2
(14)
O ar dos gases produz alguma oxidação e o produto final desta reação é uma mistura
úmida de sulfeto e sulfato de cálcio. Um forçado grau de oxidação envolvendo a injeção de ar
resulta em um sub-produto de valor comercial, o gesso, pela seguinte reação:
SO
2
+ CaCO
3
+
2
1
O
2
+ 2H
2
O → CaSO
4
2H
2
O + CO
2
(15)
Sistemas Wet FDG tem provido custo efetivo e grande eficiência de remoção de SO
X
(90 a 98%) para uma faixa de carvões de alto e baixo enxofre de plantas de potência de
utilidades elétricas.
Melhoramentos no projeto e eficiência têm conduzido a uma significativa redução no
custo capital inicial e no consumo de potência de operação nos últimos anos. Portanto, os
sistemas para conversão do lodo residual úmido em um subproduto comercial ou em um
material seguro exibem uma complexidade adicional, a qual faz o sistema Wet FDG menos
atrativo para aplicações industriais (Kitto, 1996). A Figura 28 mostra um exemplo de sistema
Wet FDG.
62
Figura 28: Sistema Wet FDG ou Wet Scrubber
Fonte: Coal Utilization Research Council (2004)
5.2.2 Os Lavadores Seco (dry scrubbing)
O termo “dry scrubbing” refere-se a uma classe de processos FDG nos quais um lodo
aquoso ou uma solução de reagente alcalino é atomizada nos gases de uma caldeira de tal
maneira que a água evapora imediatamente dentro do lavador e os produtos da reação são
removidos essencialmente como um pó seco. Entre algumas vantagens dos lavadores seco
pode-se citar material de construção barato, produto residual seco, ausência de água residual,
baixa demanda de água e controle de processo simples. As desvantagens incluem uso menos
eficiente do reagente, a exclusão de calcário como uma opção de reagente e uma menor
eficiência de remoção do SO
X
(Kitto, 1996).
Por causa da combinação destas forças e fraquezas, os lavadores secos têm se tornado
importante em mercados selecionados, incluindo muitas aplicações em caldeiras industriais.
Existem várias maneiras simples para classificar os lavadores secos incluindo o tipo de
sorvente usado, o método de atomização, o tipo de coletor de pó usado e os aspectos gerais do
próprio lavador seco. O reagente mais utilizado em lavadores seco é o CaO. Os lavadores
63
secos empregam 2 tipos de atomizadores (de disco rotativo ou de fluido duplo) (Kitto, 1996).
A Figura 29 ilustra o esquema de um lavador por atomização seco.
Figura 29: Lavador de Gás por Atomização a Seco
Fonte: PPE/COPPE/UFRJ (2001)
5.2.3 A Injeção de Sorvente
O processo de imjeção de sorvente inclui todas as tecnologias onde o sorvente é
adicionado seco ou levemente úmido dentro dos limites da caldeira existente (injeção na
fornalha) ou no duto de trabalho (injeção no duto). Igualmente, esses processos necessitam de
poucos equipamentos novos e, desta maneira, são mais adequados para operações de
retroajustagem. Em geral, o nível de remoção de SO
X
é relativamente baixo e o consumo de
sorvente é alto. Assim, processos de injeção de sorvente parecem mais aplicáveis para
caldeiras com espaço limitado (Kitto, 1996)
Em processos de injeção de sorvente na fornalha, este é injetado com o combustível,
próximo dos queimadores, na parte de cima da fornalha, e em uma outra localização mais
próxima do economizador. Em processos de injeção no duto, o sorvente pode ser injetado em
contra-corrente do equipamento de controle de particulados (precipitador ou filtro), sendo a
localização antes ou após o equipamento. A eficiência de remoção do SO
X
depende das
propriedades químicas do reagente, tamanho e distribuição do reagente, temperatura dos gases
e tempo de residência (Kitto, 2000). A Figura 30 mostra um esquema de injeção de sorvente
na fornalha.
64
Figura 30: Esquema de Injeção de Sorvente na Fornalha
Fonte: The World Bank Group (2004)
Os processos de injeção de sorvente afetam as propriedades dos particulados e estes, por
sua vez afetam a desempenho do precipitador ou filtro, sendo muitas vezes necessária a
injeção de amônia, umidificação ou condicionamento dos gases para manter a desempenho
destes equipamentos (The World Bank Group, 2004). A Figura 31 mostra um esquema da
injeção de sorvente no duto após o equipamento de controle de particulados.
Figura 31: Esquema de Injeção de Sorvente no Duto
Fonte: The World Bank Group (2004)
65
5.3 O CONTROLE DE PARTICULADOS
Matéria particulada primária é gerada por uma variedade de processos químicos e
físicos. Esta é emitida diretamente na atmosfera pelos processos de combustão, processos
industriais, emissões fugitivas e fontes naturais. Matéria particulada secundária é formada na
atmosfera da condensação dos gases e é predominantemente contida em fina extensão.
Durante a combustão do carvão, matéria mineral (impurezas inorgânicas) é convertida para
cinza, sendo que esta é descarregada no fundo da fornalha como cinza de fundo. As partículas
suspensas nos gases são conhecidas como resíduos das cinzas, pois estes constituem a matéria
particulada primária, a qual entra no equipamento de controle de material particulado. Essa
matéria particulada é referida como “PM”, “PM10”, “PM2.5”(matéria particulada (PM) com
um diâmetro aerodinâmico equivalente de 10 microns ou menos e 2,5 microns ou menos,
respectivamente) (IEA Clean Coal Centre, 2004).
O material particulado, por ser um dos principais materiais a ser controlado pela
legislação ambiental, possui uma variada gama de tecnologias de controle, algumas delas
bastante antigas e tradicionais. Entre as tecnologias mais aplicadas em escala comercial em
centrais de potência tem-se os ciclones, os precipitadores eletrostáticos e os filtros de manga.
5.3.1 Os Ciclones
Os ciclones ou multiciclones são equipamentos para separação sólido-gás e podem ser
usados extensivamente para separar as grandes partículas da corrente dos gases. O fluxo
ciclônico do gás dentro do coletor e a força centrífuga nos particulados conduz as partículas
para fora dos gases. Tubos abaixo dos ciclones coletam o particulado e alimentam um sistema
de separação de cinzas. Os ciclones são mais efetivos para grandes partículas, pois para
pequenas partículas a eficiência de separação cai consideravelmente para menos de 90%
(Kitto, 2000). A Figura 32 mostra o princípio de funcionamento de um ciclone.
66
Figura 32: Principio de Funcionamento do Ciclone
Fonte: PPE/COPPE/UFRJ (2001)
Com os padrões de emissões atuais, o ciclone pode não ser extensamente usado como
equipamento de controle primário. Entretanto, com o aumento das caldeiras de leito
fluidizado, os ciclones podem ter um aumento na sua parcela de utilização, no qual um
ciclone de grande eficiência será usado em série com outro ciclone para controlar as emissões
de particulados dentro de limites estabelecidos (Kitto, 2000).
5.3.2 Os Precipitadores Eletrostáticos (EPS)
Um precipitador eletrostático é um equipamento de controle de particulados que usa
corrente elétrica para mover as partículas para fora do fluxo circulante dos gases e sobre as
placas do coletor. No centro de fluxo do gás estão instalados eletrodos de polaridade negativa
que produzem corrente elétrica e efeito corona, isto é, ionizam o gás que está à sua volta. As
partículas carregadas são aprisionadas em eletrodos coletores e o material coletado sofre
agitação mecânica ou é retirado e depositado no coletor de fundo (U.S Enviromental
Protection Agency, 1999). A Figura 33 mostra um esquema da seqüência do processo de
captura das partículas em um precipitador eletrostático.
67
Figura 33: Esquema de Funcionamento de um Precipitador Eletrostático
Fonte: PPE/COPPE/UFRJ (2001)
Os precipitadores eletrostáticos podem apresentar-se em várias configurações, entre
elas, a configuração de placa e arame e de placa plana. Quanto à localização dos
precipitadores pode-se ter basicamente os precipitadores de superfície fria e de superfície
quente. Os precipitadores de superfície fria ficam localizados após o pré-aquecedor de ar
(temperatura de operação na faixa de 130 a 180
°C) e os de superfície quente ficam localizados
antes do pré-aquecedor de ar (temperatura de operação na faixa de 300 a 450
°) (IEA Clean
Coal Centre, 2004).
EPS podem ser projetados (ou dimensionados) para atender todas os exigências de
controle de particulados. Vários fatores que afetam o dimensionamento de EPS incluem:
a) combustível e característica das cinzas - refere-se ao combustível e os constituintes das
cinzas. Constituintes como mistura, enxofre, sódio e potássio favorecem a coleção das cinzas
e a redução do tamanho do equipamento, ao passo que os constituintes cálcio, silício e
magnésio dificultam a captura das cinzas e aumentam o tamanho do equipamento (Kitto,
2000).
b) Condições de operação - a temperatura do gás tem um efeito direto nas partículas dos
resíduos das cinzas e no volume de fluxo que passa diretamente ao precipitador. Os EPS
possuem duas faixas de temperaturas ótimas (abaixo de 150
°C e acima de 315°). Operações
em grandes faixas podem comprometer o desempenho devido a complicações de outros
fatores. O fluxo de gás afeta diretamente o dimensionamento. A máxima eficiência do EPS é
68
alcançada quando o fluxo de gás esta distribuído uniformemente em relação à seção
transversal da unidade (Kitto, 2000).
c) tamanho da partícula e carregamento - o tamanho da partícula afeta o projeto e
desempenho do EPS. Um EPS é menos eficiente para partículas pequenas do que para
partículas grandes. Aplicação de EPS com grande percentagem de partículas pequenas pode
necessitar de mais superfície de coleta ou menor velocidade do gás para alcançar baixas
emissões na saída (Kitto, 2000). Na Figura 34 está ilustrado o esquema geral de um
precipitador eletrostático de placa e arame.
Figura 34: Processo de Captura EPS de Placa e Arame
Fonte: U.S Enviromental Protection Agency (1999)
Os EPS´s representam a mais eficiente tecnologia para o controle de particulados
disponível atualmente e podem ser suporte de trabalho das tecnologias disponíveis para
aplicações em caldeiras dos próximos 30 anos. Internacionalmente o EPS pode também ser
escolhido como principal equipamento de controle de particulados. As principais vantagens
do EPS são grande eficiência de captura, alta confiabilidade, baixa queda de pressão do gás,
resistência a umidade e variações de temperatura e pouca manutenção (Kitto, 2000).
69
5.3.3 Os Filtros de Mangas
Filtro de mangas é um equipamento para a captura de material particulado que utiliza o
principio da interseção das partículas quando estas passam pelo material poroso das mangas
carregadas pelo gás. Um filtro de mangas é composto de um compartimento múltiplo cercado,
com cada compartimento contendo um grande número de mangas de pano de pequenos
diâmetros suportadas verticalmente. O gás passa direto ao material poroso das mangas, as
quais separam as partículas dos gases.
Uma entrada oposta ao vácuo distribui o gás para cada um dos compartimentos para
limpeza. Uma saída oposta ao vácuo coleta o gás limpo de cada um dos compartimentos e
direciona este para um ventilador de fluxo induzido. Registros de entrada e saída possibilitam
o isolamento de cada compartimento para limpeza e manutenção das mangas. Cada
compartimento possui um alimentador para entrada de gás semelhante ao de um equipamento
de captura e remoção de particulados convencional (Kitto, 2000).
As mangas individuais são fechadas em uma extremidade e conectadas a uma chapa
tubular na outra para permitir que o gás passe direto à seção da manga. A camada de pó
acumulada nas mangas é chamada de torta de pó. A captura de particulados é feita por meio
da interseção direta através do contato direto entre o fluxo de material particulado e as mangas
do filtro. Forças de menor intensidade as quais auxiliam a captura são a difusão, força
eletrostática e gravidade. Uma vez formada, a camada de pó facilita a maior parte da captura
(Kitto, 2000).
As mangas devem ser limpas periodicamente para manter a queda de pressão dentro de
limites aceitáveis e remover os particulados, embora uma camada de pó seja mantida para
aumentar a eficiência de captura do material particulado. Cada compartimento deve ser limpo
sequencialmente. Um dos parâmetros chave do projeto é a razão proporcional de ar ou fluxo
de gás para a área de pano (ou razão A/C), a qual está voltada para: 1) diminuir o tamanho e
custo da unidade, 2) prover período razoável entre os ciclos de limpeza, e 3) otimizar a vida e
substituição da manga. O material mais comum para a confecção das mangas é fibra de vidro,
principalmente em unidades com caldeira a carvão. A Figura 35 mostra o esquema e princípio
de funcionamento de um filtro de manga.
70
Figura 35: Esquema e Princípio de um Filtro de Manga
Fonte: PPE/COPPE/UFRJ (2001)
5.4 O CONTROLE DE MERCÚRIO
A habilidade para a captura de mercúrio dos gases em centrais de potência que utilizam
caldeira a carvão é fortemente dependente da forma (ou espécie) de mercúrio na corrente dos
gases. Durante a combustão, o mercúrio no carvão é volatilizado e convertido para a forma
elementar vapor (Hg
0
) nas regiões de alta temperatura das caldeiras. Quando os gases são
resfriados ocorrem muitas reações complexas que acabam convertendo o mercúrio elementar
para fase de mercúrio iônico (HG
+2
) e também para a forma de material particulado (HG
P
). A
divisão do mercúrio nestas três fases pode possuir considerável influência na viabilidade de
tecnologias específicas de captura (U.S Enviromental Protection Agency, 2004).
A divisão do mercúrio nos gases é influenciada por diversos fatores incluindo o tipo de
carvão a ser queimado, tempo/perfil de temperatura na corrente dos gases, a composição dos
gases (incluindo o conteúdo de cloro), a composição dos resíduos das cinzas (isto é, carbono
não queimado, cálcio, ferro), as características físicas dos resíduos das cinzas (isto é, área
superficial, porosidade) e equipamentos de controle de poluição existentes. Em geral, a
71
maioria do mercúrio na fase vapor em caldeiras de queima de carvão betuminoso é Hg
+2
e
para carvão sub-betuminoso e linhito é Hg
0
(U.S Enviromental Protection Agency, 2004).
5.4.1 O Controle Pelos Equipamentos Existentes
Dados da EPA (Information Collection Request (ICR)) tem revelado que muitas centrais
de potência possuem a captura de mercúrio como um benefício indireto das tecnologias de
controle de poluição existentes, pois estas oferecem uma boa oportunidade para a captura de
mercúrio. Isso inclui a captura de mercúrio como material particulado (Hg
P
) no equipamento
de controle de material particulado (PM) e a captura de mercúrio na fase iônica (Hg
+2
) no
sistema de dissulfurização (FDG) ou sistema de lavagem (Wet scrubbers) (U.S Enviromental
Protection Agency, 2004).
Dados adicionais têm também mostrado que o uso da redução catalítica seletiva(SCR)
para controle de NOx aumenta consideravelmente a oxidação do mercúrio da fase elementar
(Hg
0
) para a forma ionizada (Hg
+2
), resultando assim em um aumento de captura no sistema
de lavagem (
Wet scrubber), principalmente para carvão betuminoso (U.S Enviromental
protection Agency, 2004). A Figura 36 mostra uma configuração típica destes equipamentos
de controle de poluição do ar.
Figura 36: Configuração Típica de Equipamento de Controle de Poluição do Ar
Fonte: U.S Enviromental Protection Agency (2004)
Para plantas de potência que empregam apenas precipitador eletrostático (ESP), o nível
de captura de mercúrio é menor do que plantas que empregam Filtros (FF), pois em plantas
que empregam ambos controle de particulados e controle de SOx o nível de captura é
consideravelmente maior. Convém observar que, para plantas que utilizam o carvão
72
betuminoso, os níveis de captura de mercúrio são maiores do que plantas que utilizam carvão
sub-betuminoso e linhito (U.S Enviromental Protection Agency, 2004).
A eficiência de remoção de mercúrio de alguns equipamentos de controle de poluição
são: precipitadores e filtros 24%, sistema de dessulfurização (
scrubbers) 34% e a combinação
de redução catalítica seletiva (SCR) com
wet scrubber pode alcançar 80% de remoção. A
seguir será descrito um dos métodos específicos para o controle de mercúrio, que é a injeção
de carbono ativado pulverizado (ACI).
5.4.2 A Injeção de Carbono Ativado
Controles específicos para mercúrio, notavelmente a injeção de carbono ativado (ACI)
são usados em combustores de resíduos municipais (CWM) e em incineradores de resíduos
médicos (IWM) nos Estados Unidos e na Europa. Na tecnologia ICA, o sorvente carbono
ativado pulverizado (CAP) é injetado na corrente dos gases em uma localização do duto
precedendo o equipamento de controle de particulados, o qual pode ser um precipitador ou um
filtro. O sorvente CAP mistura-se com o mercúrio no duto dos gases, sendo que
subsequentemente o mercúrio contendo o CAP é capturado no equipamento de controle de
particulados. Grande remoção de mercúrio é obtida com um filtro comparativamente ao
precipitador, pois isto é devido ao contato aumentado entre as partículas e o gás na torta do
filtro segundo a superfície do pano (U.S Enviromental Protection Agency, 2004).
A ICA é a mais estudada das tecnologias de controle específico para mercúrio devido a
sua alta eficiência. Portanto, a experiência com aplicações de ICA em MWC e MWI não pode
ser diretamente transferida para aplicações em caldeira a carvão por diversas razões, a saber:
Em geral, a concentração de mercúrio nos gases de MWC e MWI e bem maior do que em
sistemas com caldeira a carvão, e é conhecido que a remoção de mercúrio pela ACI é limitada
pela transferência de massa (isto é, a transferência de mercúrio da massa de gases para a
superfície das partículas de carbono). A transferência de massa é grande para grandes
concentrações de mercúrio nos gases de MWC e MWI, e baseado nestas diferenças a
quantidade de mercúrio capturado por unidade de massa de carbono ativado (CA) injetado
pode ser grande quando comparado com sistemas de caldeira a carvão (U.S Enviromental
Protection Agency, 2004). A Figura 37 mostra um esquema da injeção de carbono ativado
para o controle de mercúrio.
73
Figura 37: Esquema de Injeção de Carbono Ativado para Controle de Mercúrio
Fonte: U.S Enviromental Protection Agency (2004)
O conteúdo de cloro (Cl) nos gases de CWM e IWM é maior do que em sistemas com
caldeira a carvão, principalmente em caldeiras que queimam carvões de baixo grau de
carbonificação, e isso acaba por afetar o desempenho da injeção de carbono ativado (ACI). O
desempenho de ACI em CWM e IWM não é equivalente à sistemas de caldeira a carvão (U.S
Enviromental Protection Agency, 2004).
74
Capítulo 6
ESTUDO DE CASO: AS CALDEIRAS DE LEITO
FLUIDIZADO
A combustão em leito fluidizado não é uma tecnologia nova. No ano de 1920, o
cientista alemão Fritz Wincler fez as primeiras experiências utilizando para estas produtos
gasosos de combustão e partículas de coque. Desde então, a solução técnica continuou em
progresso, mas o desenvolvimento da combustão de produtos sólidos em leito fluidizado não
teve grandes progressos até meados de 1970 (Karppanen, 2000). A Figura 38 mostra um
esquema da idéia básica de um leito fluidizado.
Figura 38: Fluxo do Processo da Combustão em Leito Fluidizado
Fonte: Part2 Outline de CCT (2004)
A idéia básica da combustão em leito fluidizado é a fluidização do material do leito
(normalmente areia com cinza do combustível e possível material sorvente) pela introdução
75
do ar primário de fluidização diretamente no fundo da câmara de combustão. Neste capítulo
será estudada a combustão em leito fluidizado atmosférica (AFBC), com uma atenção
especial às caldeiras com leito fluidizado circulante (CFBC) devido à grande tendência de
aumento dessas unidades em paises que mais utilizam o carvão como fonte de energia.
6.1 CALDEIRAS DE LEITO FLUIDIZADO BORBULHANTE
Neste tipo de caldeira, as superfícies de transferência de calor são colocadas no leito
para alcançar a desejada absorção de calor e para manter a temperatura do leito. Para
combustíveis com baixo poder calorífico a área de superfície pode ser mínima ou ausente. A
temperatura do leito permanece uniforme, como resultado da vigorosa mistura de gases e
sólidos. As caldeiras de leito fluidizado borbulhante são mais recomendadas para a queima de
combustíveis com alto teor de umidade e baixo poder calorífico como, por exemplo, lodos e
biomassa com grande conteúdo de umidade.
Essas unidades normalmente operam com uma velocidade de fluidização na faixa de 1 –
3 m/s para a carga máxima. Esse tipo de gerador de vapor requer um combustível com
tamanho de partícula menor que 6 mm, com tamanho médio de partícula entre 3 e 6 mm.
Essas unidades podem operar com mais de 30% de partículas com tamanho menor que 1 mm.
A razão de calor liberado é de 2 MW/m
2
de área do leito. A eficiência térmica deste tipo de
gerador de vapor se encontra entre 82 e 86%.
Unidades BFBC são capazes de capturar mais de 85% do enxofre pela injeção de
calcário no leito. Algumas unidades incorporam um sistema de reciclagem de cinzas debaixo
do economizador. Isso maximiza a eficiência da combustão e captura de enxofre. A
quantidade de sólidos que pode ser reciclada é limitada para aproximadamente 25% do peso
do gás de combustão.
Esses tipos de geradores de vapor estão disponíveis nas capacidades de 0,5 a 150 t/h. A
construção além de 150 t/h torna-se inviável devido à grande área de leito requerida,
resultando em grande tamanho da fornalha. Atualmente, o tamanho máximo de uma caldeira
de leito fluidizado borbulhante para geração de vapor em operação no mundo é de 200 t/h.
76
Geradores de vapor BFBC são mais aceitáveis para substituir geradores de vapor com queima
com grelha mecânica devido à grande eficiência, grande flexibilidade de combustível e baixo
nível de emissões que pode ser alcançado. Um exemplo típico de caldeira de leito fluidizado
borbulhante da Babcock & Wilcox com abertura de fundo é mostrado na Figura 39.
Figura 39: Exemplo de Projeto BFB da Babcock & Wilcox
Fonte: Kraft (1998)
6.2 CALDEIRAS DE LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE
Uma caldeira de leito fluidizado circulante é um equipamento para geração de vapor
pela queima de combustíveis fósseis em uma câmara de combustão operada sob uma condição
hidrodinâmica especial. Finos sólidos são suspensos diretamente à fornalha com uma
velocidade que excede a velocidade terminal de partículas médias, com um grau de refluxo de
sólidos adequado para assegurar uniformidade de temperatura na câmara de combustão
(Karppanen, 2000).
77
Os pioneiros na utilização da tecnologia de leito fluidizado circulante são a companhia
Lurgi na Alemanha e a Ahlstron na Finlândia. Ambas companhias fizeram suas primeiras
instalações no ano de 1970, sendo a principal diferença entre as caldeiras da Lurgi e Ahlstron
o uso de um trocador de calor externo nas caldeiras da Lurgi. Sendo assim, nas caldeiras da
Ahlstron o calor requerido é absorvido inteiramente pelas paredes da fornalha. O terceiro
desenvolvimento contemporâneo foi o do Laboratório Memorial Battelle nos U.S.A.
Diferentemente da Lurgi e Ahlstron, Battelle usa uma alta velocidade do gás no combustor e
chama essa caldeira de Caldeira Multi-Sólido (Basu e Fraser, 1991 apud Karppanen, 2000).
Durante os anos de 1980 a 1990, o processo de combustão em leito fluidizado circulante
ganhou grande popularidade. A principal razão do aumento do interesse e grande número de
instalações é a flexibilidade de combustível e a positiva influência ambiental. As vantagens
incluem grande eficiência de combustão, baixa emissão de NO
X
e SO
X
e a habilidade para
queimar uma ampla variedade de combustíveis (Basu e Fraser, 1991 apud Karppanen, 2000).
Ainda como duas vantagens adicionais destas caldeiras podem-se citar a economia de espaço
devido à ausência de unidades de dessulfurização, desnitrificação e unidade para pulverização
do combustível e a facilidade de manutenção (Part2 Ouline of CCT).
O número de caldeiras de leito fluidizado circulante tem aumentado rapidamente.
Atualmente, são mais de 500 unidades em operação ou em construção. Aproximadamente
55% da capacidade total de vapor estimada mundialmente é para ser usada em co-geração, e
aproximadamente 30% é para uso em usinas termoelétricas. As unidades de combustão em
leito fluidizado circulante estão em operação em muitos países, com muitos destes apostando
nessa tecnologia para resolver problemas ambientais, problemas de resíduos e de
combustíveis (Grace
et al., 1997 apud Karppanen, 2000). Praticamente o domínio do mercado
em termos de tecnologia em caldeiras está na mão de grandes fabricantes, como a Foster
Wheeler, Lurgi, Steinmuller, Alstom e Babcock e Wilcox.
6.3 DESCRIÇÃO DAS CALDEIRAS
As caldeiras de leito fluidizado apresentam três componentes principais na sua
configuração geral, mas os demais componentes variam de fabricante para fabricante de
78
acordo com o projeto de cada um. Os três componentes principais são a fornalha, o ciclone
separador e o tubo para recirculação dos sólidos. Geralmente a fornalha é fechada com tubos
resfriados a água e uma membrana a prova de gás. A seção de baixo da câmara de combustão
é revestida com material refratário com passagens para introdução de combustível, calcário, ar
secundário, cinza reciclada, um ou mais queimadores de gás ou óleo para partida e drenagem
das cinzas de fundo.
O ciclone separador pode ser resfriado a água, resfriado a vapor ou sem resfriamento,
sendo utilizado para separar os sólidos em suspensão nos gases quentes e retorná-los
novamente ao leito. A velocidade do gás empregada em um leito fluidizado circulante se situa
usualmente na faixa de 4,5 a 6 m/s. A alimentação de ar nestas caldeiras é feita de várias
formas, sendo elas, ar primário, ar secundário, ar de transporte para alimentação de calcário e
combustível, ar para o tubo de retorno e ar para o classificador de cinzas.
O classificador das cinzas de fundo é projetado para remover grandes partículas do leito
e reciclar pequenas partículas de volta para a fornalha. Para o caso de carvões de baixo grau
de carbonificação a temperatura do leito pode eventualmente ser menor que 800
°C. A
granulometria do calcário varia de 0 a 1 mm com tamanho médio de 1 a 3 mm e de 0 a 1 mm
com tamanho médio de 0,1 e 0,3 mm, respectivamente (Karppanen, 2000).
A configuração básica das caldeiras de leito fluidizado circulante dos maiores
fabricantes, como a Lurgi e a Foster Wheeler, são similares, com os principais componentes
sendo a fornalha com paredes d´ água, ciclone, tubo de retorno e passagem secundária. As
principais diferenças de projeto estão no trocador de calor externo, projeto de grelha e sistema
de manuseio de cinzas. Usualmente o trocador de calor externo é um aspecto de projeto da
Lurgi, ao passo que o projeto da Foster Wheeler possui um trocador de calor interno
(INTREX). Existem projetos de fabricantes nos quais o ciclone está localizado dentro da
fornalha, pois neste caso o mesmo é totalmente resfriado a água operando com circulação
natural semelhante às paredes da fornalha (Karppanen, 2000).
A maior diferença entre as caldeiras de leito fluidizado circulante no mercado atual está
no tipo de separador de sólidos empregado por cada fabricante. Caldeiras de leito fluidizado
circulante com grandes ciclones separadores conectados na saída da fornalha (tipo ciclone
79
quente) foram introduzidas em meados de 1970 e estão sendo oferecidas por vários
fabricantes de caldeiras (Belin et al., 2001).
Serão descritas a seguir algumas configurações de caldeiras utilizadas por alguns países,
segundo os principais fabricantes e também segundo as características de seus carvões.
Como um exemplo de aplicação da tecnologia Lurgi apresenta-se um exemplo de
configuração utilizada pela Índia para a queima de seus carvões. Os carvões indianos são
caracterizados pelo alto conteúdo de cinzas (>30%), grande percentual de voláteis (>15%),
cinzas altamente abrasivas, baixo conteúdo de álcalis e baixo conteúdo de enxofre. Na parte
oeste da Índia o lenhito possui alto conteúdo de enxofre (Rajaran, 1999). A Tabela 11 mostra
a análise do carvão sub-betuminoso e dos dois principais depósitos de lenhito na Índia.
Tabela 11: Análise dos Carvões da Índia
Propriedades Sub-Betuminoso Lenhito (Surat) Lenhito (Katuch)
Umidade (%)
2 – 5 10 – 50 30 – 35
Cinza (%)
30 – 45 7 – 48 21 – 35
Carbono Fixo (%)
35 – 40 14 – 40 13 – 18
Matéria Volátil (%)
15 – 20 25 – 44 22 – 26
Enxofre (%)
0,3 – 0,5 0,36 – 2,5 3 – 5
Poder Calorif. (kJ/kg)
14650 – 18420 10470 – 23000 8370 – 13400
Fonte: Rajaran (1999)
Devido ao grande conteúdo de cinza abrasiva dos combustíveis, medidas devem ser
tomadas para minimizar o potencial de erosão na fornalha, como também na passagem
secundária. Devido ao baixo álcali no combustível, o potencial de fusão da escória é mínimo.
Enquanto injeção de calcário não é necessária para combustíveis com baixo teor de enxofre,
combustíveis com alto conteúdo de enxofre requerem considerável injeção adicional de
calcário (Rajaran, 1999).
No processo baseado na tecnologia Lurgi, 40% do ar de combustão é introduzido como
ar primário de fluidização e o restante é adicionado como ar secundário por meio de múltiplos
pontos de alimentação nas paredes da fornalha. Calor é recuperado do sistema em três áreas
especiais (Rajaran, 1999):
80
• nas paredes d´água da parte superior do combustor, onde calor é recuperado da circulação
dos sólidos.
• no trocador de calor de leito fluidizado externo pelo desvio de parte dos sólidos coletados no
ciclone e fluidização destes para manter o fluxo de sólidos e transferência de calor para o
superaquecedor, reaquecedor e superfície do evaporador.
• na parte de transferência de calor por convecção, onde calor é removido dos gases pelo
superaquecedor, reaquecedor, economizador e pré-aquecedores de ar
A Figura 40 mostra o esquema de fluxo do processo da configuração de uma caldeira de leito
fluidizado utilizada na Índia.
Figura 40: Esquemático Fluxo do Processo
Fonte: Rajaran (1999)
Como um segundo exemplo cita-se as caldeiras de leito fluidizado circulante da
Babcock e Wilcox, as quais entraram no mercado na década de 1980, e desde então, têm
ganhado grande aceitação. O aspecto principal destas caldeiras é a presença de um separador
de sólidos de duplo estágio. O separador primário consiste de elementos verticais em forma de
U arranjados na saída da fornalha, pois os mesmos coletam a massa de sólidos e os retornam
para a fornalha por gravidade. O estágio de separação secundário consiste de um multiciclone
81
coletor de pó, localizado na região de baixa temperatura dos gases na passagem de convecção
da caldeira, onde as temperaturas variam dentro da faixa de 250 a 510
°C (Belin et al., 2001).
O separador com vigas em U está presente em três gerações de caldeiras de leito
fluidizado circulante da Babcock e Wilcox:
geração 1 (iniciada em 1986), com todas as vigas em U (11 fileiras) instaladas externamente à
fornalha com toda a reciclagem dos sólidos feita através de válvulas em L não mecânicas e
não controláveis.
geração 2 (iniciada em 1989), com duas fileiras de vigas em U dentro da fornalha
descarregando as partículas coletadas (sob 70% da entrada de sólidos) diretamente à fornalha
e sete fileiras de vigas em U externamente à fornalha com reciclagem dos sólidos direto a
válvulas em L.
geração 3 (iniciada em 1996), com 2 fileiras de vigas em U dentro da fornalha e 3 ou 4
fileiras de vigas em U externas com todos os sólidos reciclados internamente dentro da
fornalha (atualmente oferecido separador “IR CFB”) (Belin et al., 2001). A Figura 41 mostra
uma vista dos separadores de sólidos usados nas caldeiras da Babcock & Wilcox.
Figura 41: Separadores de Sólidos (a) Primário e (b) Secundário
Fonte: Belin et al. (2001)
Como resultado, grande simplificação e redução de custos podem ser alcançadas com o
separador de vigas em U. Avanços no projeto do separador multiciclone possibilitaram
melhorias na eficiência, no aumento da confiabilidade etc. Componentes como as pás
82
rotativas do ciclone são feitas de um material de grande dureza (Belin
et al., 2001). O projeto
do separador de sólidos é o aspecto que exerce maior impacto na configuração da caldeira,
uso do sorvente e combustível, flexibilidade operacional e confiabilidade.
A eficiência de separação do separador de sólidos de duplo estágio é consideravelmente
alta devido à grande eficiência dos elementos de separação internos do multiciclone. Com
isso, tem-se melhor transferência de calor, controle de temperatura e utilização do carbono e
sorvente. A temperatura é controlada através da variação da carga e variação do combustível
e/ou das propriedades do sorvente pelo controle da razão de reciclagem dos sólidos no
multiciclone. Essas caldeiras não necessitam de potência auxiliar e nem de ventiladores de
alta pressão para fluidização dos sólidos de retorno (Belin et al, 2001).
Os gases saindo da fornalha para o separador de vigas em U colocado transversalmente
a fornalha assegura padrão de fluxo de gás uniforme bi-dimensional. Isso possibilita a
colocação de superfícies dentro da fornalha como necessárias sob toda a largura e altura total
da fornalha, incluindo a região adjacente à parede do fundo da parte de cima da fornalha.
Vigas em U e multiciclones possuem alta confiabilidade e baixa manutenção, visto que
estes não apresentam componentes de manutenção intensiva. Uma vez que o separador de
vigas em U está dentro da caldeira tem-se configuração de caldeira mais compacta e redução
de custos. Esse aspecto é especialmente importante para retroajustagem das obsoletas
caldeiras de carvão pulverizado com a tecnologia de leito fluidizado em aplicações de
repotenciação, nas quais a conservação da caldeira existente é desejada (Belin, 2001).
A quantidade de refratário usado nas caldeiras de leito fluidizado circulante da Babcock
e Wilcox é cerca de 80 a 90% menor do que o usado para caldeiras de capacidade similar com
ciclone quente não resfriado, e de 40 a 50% em caldeiras de leito fluidizado com ciclone
resfriado. Para as caldeiras da Babcock e Wilcox o tempo de ignição não está limitado pela
razão de aumento da temperatura do refratário.
Mundialmente, muitas caldeiras antigas com queima de carvão pulverizado estão em
operação. O desempenho destas caldeiras diminui com o tempo devido à baixa qualidade do
combustível. Algumas destas unidades estão deterioradas por causa da variação nas condições
do combustível (umidade, cinzas, enxofre e poder calorífico). Melhoria das caldeiras
83
existentes e envelhecidas que usam o carvão pulverizado é uma das necessidades urgentes em
muitos países, por causa da pressão econômica e ambiental (Kavidass
et al., 1999). A Figura
42 mostra a configuração geral de uma caldeira da Babcock & Wilcox, juntamente com uma
vista do separador de vigas em U e do distribuidor de ar.
Figura 42: Configuração Geral de uma Caldeira da Babcock & Wilcox
Fonte: Belin et al. (2001)
A repotenciação das caldeiras de leito fluidizado circulante com recirculação interna
tem um potencial para estender a vida de uma instalação antiga em mais de 20 a 25 anos. A
Babcock e Wilcox têm realizado um extensivo estudo da viabilidade de repotencialização de
várias caldeiras de carvão pulverizado para diferentes clientes nos Estados Unidos, China,
Índia, Ucrânia e Tailândia. Esses estudos mostram claramente que combustão em leito
fluidizado com recirculação interna (IR.FBC) é uma opção economicamente viável para
utilizar o carvão existente, reduzir emissões, eliminar a grande manutenção dos
84
pulverizadores e reduzir o uso de combustíveis auxiliares, como óleo ou gás (Kavidass
et al.,
1999).
Na Rússia, uma das principais necessidades com relação à energia é desenvolver
tecnologias ambientalmente e economicamente eficientes. Um grande número de antigas
caldeiras de carvão pulverizado com capacidade de vapor de 170 a 240 t/h necessitam ser
reconstruídas. Os padrões ambientais atuais e a possibilidade de queima de carvão de baixo
grau fazem mais atrativo o uso da tecnologia de leito fluidizado circulante. Os resultados de
estudos e comparações de tecnologias mostraram que existe uma perspectiva para o uso de
caldeiras de leito fluidizado circulante. (Ryabov e Nadirov, 1999).
Na Rússia, muitas caldeiras com capacidade de produção de vapor em torno de 200 t/h
foram feitas entre 1950 e 1960 para a queima de diferentes combustíveis sólidos. A má
condição de muitas dessas caldeiras torna necessária a sua reabilitação com instalação de
equipamentos de controle de poluição. A maioria dos carvões para centrais de potência é de
baixo grau de carbonificação, possuindo várias composições e diferentes propriedades
(Ryabov e Nadirov, 1999).
O custo capital para repotenciação das centrais de potência térmica existentes com
caldeiras de leito fluidizado circulante é 2,5 vezes menor do que o custo da construção de
novas centrais de potência. O custo capital específico de instalação com caldeiras de leito
fluidizado circulante é estimado na faixa de 400 a 600 U$/kW. A diferença de custo entre
caldeiras de leito fluidizado e caldeiras de carvão pulverizado depende de vários fatores,
incluindo tamanho da caldeira, tipo de carvão, qualidade do sorvente e seu custo, e padrões de
emissão, os quais definem o custo capital e de operação (Ryabov e Nadirov, 1999).
Na Ucrânia, as caldeiras operam com queima de combustível auxiliar (óleo combustível
ou gás natural) para suprir de 20 a 25% do calor requerido, como conseqüência da baixa
qualidade do combustível. Outro problema com as caldeiras existentes na Ucrânia é a
dificuldade para controlar as emissões de NO
X
e SO
X
, pois a configuração das instalações
existentes torna difícil ou até mesmo impossível a instalação de equipamentos para o controle
de poluentes. Novas instalações baseadas em combustíveis fósseis não serão construídas na
Ucrânia em um futuro próximo, pois a principal ênfase é a repotenciação e reabilitação das
instalações existentes (Belin
et al., 1998).
85
Outro exemplo do emprego das caldeiras de leito fluidizado circulante é o considerável
número dessas unidades na Polônia. Naquele país, os fabricantes de caldeiras de leito
fluidizado dispõem de diversos projetos de leito fluidizado para potência ou para geração de
calor incluindo um leito fluidizado típico projetado pela Alhstrom Pyropower com ciclones
revestidos com refratário e ciclones resfriados a vapor. A Foster Weeler é pioneiro no uso
comercial de grande escala de caldeiras de leito fluidizado circulante compacto na Polônia.
A Figura 43 mostra o esquema de uma caldeira compacta usada na Polônia.
Figura 43: Exemplo de Caldeira Compacta Usada na Polônia
Fonte: Nowak (2003)
Quando comparadas com unidades típicas de leito fluidizado circulante em operação, os
aspectos exclusivos dos blocos compactos de leito fluidizado circulante são os seguintes
(Nowak, 2003):
• Separadores resfriados a vapor em vez de ciclones quentes;
• Diferente orientação da caldeira e localização dos queimadores de partida (abaixo da placa
oposta ao vácuo);
86
• O uso de um trocador de calor integrado (INTREX).
• Separador resfriador para as cinzas de fundo;
• Aquecedores de ar tipo rotativo em vez de aquecedor de ar tubular.
6.4 FLUIDIZAÇÃO
Fluidização é a operação pela qual partículas sólidas são transformadas em um estado
fluídico por completa suspensão em um gás ou líquido (Kunii e Levenspiel, 1991 apud
Karppanen, 2000). A fluidização pode ser introduzida pelo uso de varias formas de contato
entre um grupo de sólidos e o fluído (Kunii e Levenspiel, 1991 apud Karppanen, 2000). A
Figura 44 mostra uma descrição simplificada onde 4 fases de fluidização são especificadas
(Raiko
et al., 1995 apud Karppanen, 2000).
Figura 44: Principais Fases de Fluidização
Fonte: Rayko et al. (1995) apud Karppanen (2000)
A velocidade superficial para a mínima condição de fluidização (u
mf
) pode ser
frequentemente introduzida pelo uso da assim chamada equação de Ergun´s (Hovard, 1983,
Kunni e Levespiel, 1991, Rayko
et al., 1995 apud Karppanen, 2000).
87
Ar
θε
1,75
ReRe
2
θε
)ε(1
150
mf
2
mfmf
3
mf
mf
=+
−
q (16)
na qual Re
mf
é o número de Reynolds para a mínima condição de fluidização, definido como
g
mfgp
mf
µ
uρd
Re =
(17)
e Arq é o número de Arquimedes definido como
2
g
gsg
3
p
µ
g)ρ(ρρd
Arq
−
=
(18)
na qual
ε
mf
é a fração de volume para a mínima fluidização (-)
θ é a esfericidade dos sólidos no leito (-)
µ
g
é a viscosidade do gás (kg/m.s)
ρ
g
é a densidade do gás (kg/m
3
)
ρ
s
é a densidade dos sólidos (kg/m
3
)
d
p
é o diâmetro médio da partícula (m)
g é a aceleração da gravidade (m/s
2
)
A velocidade mínima de fluidização não é o modo de operação de um leito fluidizado
circulante e este está mais concentrado na fluidização rápida. No contexto do seu uso em
caldeiras de leito fluidizado circulante o leito fluidizado rápido pode ser definido como (Basu
e Fraser, 1991 apud Karppanen, 2000).
Leito fluidizado rápido é caracterizado por possuir uma grande velocidade capaz de
manter a suspensão do gás-sólido, onde partículas, decantadas pelo gás de fluidização sob a
velocidade terminal de partículas simples são recuperadas e retornadas para a fornalha com
uma razão suficientemente grande para causar um grau de refluxo de sólidos que assegure um
nível mínimo de uniformidade de temperatura na fornalha. A velocidade terminal u
t
para
partículas pode ser escrita como (Raiko, 1995 apud Karppanen, 2000).
u
t
=
g.
CD
1)(s
d
3
4
p
−
(19)
88
na qual
s =
g
s
δ
δ
(20)
e CD é o fator de resistência, dependente do número de Reynolds, calculado por meio da
seguinte equação (Mao
et al., 2004):
CD =
(
)
0,687
emf
emf
R0,151
R
24
+ ,
< 1000 (21)
emf
R
0,44 ,
≥ 1000
emf
R
Apesar da velocidade de fluidização do ar primário, o tamanho das partículas do leito
material tem um importante efeito no processo de fluidização do leito. Naturalmente, uma fina
fração do material do leito pode ser fluidizada e decantada mais facilmente do que grandes
partículas. Quando sólidos com uma ampla distribuição de tamanho e diferentes densidades
são fluidizados, segregação de sólidos pode ocorrer (Grace et al., 1997 apud Karppanen,
2000).
Leito fluidizado circulante exibe hidrodinâmica muito complexa, causada pelas
iterações entre a fase gás e sólido. O movimento do gás e sólido é dirigido por mecanismos
que são difíceis de se identificar e descrever. Embora o movimento de gás e sólido dentro da
fornalha seja complicado e dependa de variáveis separadas, as principais correntes de sólidos
podem ser descritas pelo modelo simplificado apresentado na Figura 45.
Figura 45: Movimento das Partículas Dentro de um Leito Fluidizado
Fonte: Karppanen (2000)
89
Na Figura 45 tem-se o movimento das partículas dentro de um reator de leito fluidizado
circulante, onde a densidade dos sólidos aumenta próximo às paredes por causa da baixa
velocidade do gás. Parte das partículas juntam-se para formar aglomerados de partículas
conhecidos como clusters, pois estes estão circulando no sentido descendente e formam
circulação de material interno dentro do reator ou fornalha.
6.5 COMBUSTÃO E TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Um projeto típico se inicia com as especificações do combustível e do vapor e com a
regulação ambiental do local. O projetista, então, usa os conhecimentos teóricos e experiência
prática para determinar a geometria e tamanho dos vários componentes da caldeira. Uma
caldeira, projetada para um carvão específico, pode ser requerida para operar em condições
fora de projeto e com outros combustíveis. O operador como o projetista deve, portanto,
conhecer o desempenho da caldeira sob estas condições (Basu, 1999).
O desempenho da caldeira, o qual é medido em termos dos parâmetros do vapor,
utilização do combustível e geração de poluentes, é obtido por meio da modelagem do
desempenho da caldeira. Embora as caldeiras de leito fluidizado sejam flexíveis aos diferentes
combustíveis, a composição do combustível exerce alguns efeitos no tamanho da fornalha. O
baixo poder calorífico do combustível é o principal parâmetro de influência no tamanho da
fornalha (Basu, 1999).
Pontos de alimentação do combustível são projetados para assegurar igual distribuição
da combustão das partículas. Um combustível mais reativo (alto conteúdo de voláteis) queima
rapidamente próximo do ponto de alimentação. Desta maneira, este pode requerer mais pontos
de alimentação do que pode ser requerido para um combustível menos reativo. As indústrias
de caldeiras geralmente provêm mais alimentadores do que os necessários. Isso é feito para
operações de prontidão (Basu, 1999).
As partículas de carvão injetadas em um leito fluidizado passam pela seguinte seqüência
de eventos (Basu, 1999);
90
• Aquecimento e secagem;
• Desvolatilização e combustão de voláteis;
• Diminuição e fragmentação primária;
• Combustão do carvão com fragmentação secundária e atrito.
Esse processo é mostrado qualitativamente na Figura 46 , a qual mostra a ordem de magnitude
do tempo feito em cada passo.
Figura 46: Seqüência de Eventos de Combustão de uma Partícula de Carvão
Fonte: Karppanen (2000)
A combustão do carvão geralmente se inicia após a liberação dos voláteis, as vezes é
uma sobreposição dos dois processos. Durante a combustão de uma partícula de carvão, o
oxigênio da massa da corrente de ar da câmara de combustão é transportado para a superfície
da partícula. O oxigênio entra então em uma reação de oxidação com o carbono na superfície
do carvão para produzir CO e CO
2
segundo os três mecanismos de combustão mostrados a
seguir (Ross e Davidson, 1982 apud Basu, 1999):
Modelo I: neste modelo prevalece um fluxo com baixo número de Reynolds, grandes
partículas de carvão (> 1mm) ou para altas temperaturas (900 a 1300°C), representado
conforme a equação abaixo
C + O
2
→ CO
2
+ 394 kJ/mol (22)
91
Modelo II: aqui o oxigênio difunde para a superfície do carbono e produz CO e CO
2
. CO e
CO
2
difundem fora da superfície do carbono. A reação com o CO encontra-se mais em uma
fase gás com o oxigênio vindo da massa de gás e forma CO
2
. Neste modelo ocorrem as
seguintes reações de superfície:
C +
2
1
O
2
→ CO + 111 kJ/mol (23)
C + O
2
→ CO
2
+ 394 kJ/mol (24)
e a seguinte reação na fase gás:
CO +
2
1
O
2
→ CO
2
(25)
Modelo III: neste modelo o oxigênio não reage na superfície do carbono. Esse reage com o
CO em uma fase gás fora da superfície do carbono. Uma parte do CO
2
formado difunde atrás
da superfície do carbono para ser reduzido para CO (teoria do duplo filme).
C +
2
1
O
2
→ CO + 111 kJ/mol (26)
com a seguinte reação na superfície do carvão:
C + CO
2
→ 2CO – 172 kJ/mol (27)
e a seguinte reação na fase gás:
CO +
2
1
O
2
→ CO
2
(28)
A reação de oxidação do carvão pode ser representada para todos os três mecanismos
como:
92
22
CO1
Φ
2
CO
Φ
2
2 O
Φ
1
C
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−→+
(29)
O fator de mecanismo Φ é igual a 1 para o transporte da superfície (Modelo I) e igual a
2 para o transporte de CO (
Modelos II e III) (Rajan e Wen, 1980 apud Basu, 1999). A Figura
47 representa os três mecanismos de combustão do carvão comentados acima.
Figura 47: Diferentes Modelos de Mecanismos de Combustão do Carbono
Fonte: Basu (1999)
A câmara de combustão de uma caldeira de leito fluidizado pode ser dividida em três
zonas distintas. Essas zonas são a zona de baixo (localizada abaixo do nível de ar secundário),
a zona de cima (localizada acima do nível de ar secundário) e o separador de gás/sólidos
quente.
A zona de baixo, fluidizada pelo ar primário, recebe o carvão ou mistura de
combustíveis do sistema de alimentação juntamente com o carbono e carvão não queimados
do ciclone. A desvolatilização e combustão parcial ocorrem nesta zona, a qual é usualmente
deficiente em oxigênio. O ar secundário é adicionado na interface entre as zonas superior e
inferior da câmara de combustão. Partículas de carvão, transportadas para a zona superior, são
expostas a um ambiente rico em oxigênio, onde ocorre a maior parte da combustão. Às vezes,
parte da combustão ocorre no ciclone, a qual causa desnecessariamente alta temperatura no
mesmo (Basu e Fraser, 1991 apud Karppanen, 2000).
Em um leito fluidizado, transferência de calor para as paredes é o resultado de
convecção/condução das partículas caindo ao longo das paredes, radiação térmica e
convecção do gás para as áreas de superfície não revestidas. O mecanismo de
93
convecção/condução de partículas é o processo no qual partículas movem-se para a superfície
de transferência de calor como uma conseqüência do periódico e aleatório movimento no leito
(Golriz, 1996 apud Karppanen, 2000).
A superpadronização da transferência de calor em um leito fluidizado está ainda em um
estágio de desenvolvimento. Densidade de suspensão parece ser o fator mais significativo,
influenciando a transferência de calor. O efeito direto do tamanho da partícula é evidente com
curta superfície de transferência de calor, mas este não é significativo com longas superfícies
similar a estas usadas em caldeiras comerciais (Basu e Nag, 1996 apud Karppanen, 2000).
6.6 EXEMPLO DE CÁLCULO
Neste item será desenvolvido um exemplo simplificado da modelagem de combustão
em leito fluidizado, especialmente com relação à emissão de poluentes. Para iniciar o
processo de modelagem são necessários alguns cálculos preliminares para a montagem da
equação de combustão, sendo necessário para a mesma a razão de alimentação de sorvente
(calcário) segundo as equações abaixo (Leckner, 1998).
ϕ = mc PCI (30)
na qual
ϕ é o calor disponível no carvão (kJ/s)
PCI é o poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg)
mc é a razão de alimentação de carvão (kg/s)
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
=
s
Ca
M
MY
PCI
φ
mf
S
CaCOS
3
(31)
na qual
mf é a razão de alimentação de calcário
Y
S
é a fração em massa de enxofre no carvão em base seca
M
CaCO3
é a massa molecular do calcário
94
M
S
é a massa molecular do enxofre
Ca/s é a razão cálcio/enxofre
Para o calcário, o seguinte cálculo deve ser feito, em função da sua razão de
alimentação calculada (mf), a qual se decompõe em CaO e CO
2
com a temperatura de
calcinação, como mostrado na equação abaixo:
CaCO
3
→ CaO + CO
2
(32)
mf nCaO nCO
2
M
CaCO3
M
CaO
M
CO2
com
3CaCO
CaO
M
Mmf
nCaO = (33)
3CaCO
2CO
2
M
Mmf
nCO = (34)
O cálculo do número de moles para a montagem da equação de combustão é feito
segundo a equação geral abaixo:
n
, i
=
iM,
mC Y
i,
(35)
Com base nestes dados, a equação de combustão toma a seguinte forma, considerando o
cálculo estequiométrico (w = 0).
[nC + nH
2
+ nS + nO
2
+ nN
2
]
Comb
+ [nO
2
+ nN
2
]
ar
+ mf.CaCO
3
→
aCO
2
+ bH
2
O + cSO
2
+ wO
2
+ EN
2
+ nCaO + nCO
2
(36)
sendo
a = nC
, b = nH
2 ,
c = nS, w = 0, E = nN
2, comb
+ nN
2, ar
(37)
sendo
nO
2, ar
= ( a + 0,5.b + c + nCO
2
) – nO
2
(38)
95
nN
2, ar
= 3,76 nO
2, ar
(39)
A Equação 36 está na forma estequiométrica, sendo que para o presente trabalho será
feito o cálculo considerando 4% de O
2
livre nos gases da combustão. Para a equação de
combustão com O
2
livre segue-se o cálculo do coeficiente “w” da seguinte forma:
Soma = ( a + c + E + nCO
2
) (40)
w4,76soma
w
livreO%
2
+
= (41)
Faz-se agora novamente a aplicação das Equações 36 e 37 para calcular novamente a
quantidade de oxigênio e de nitrogênio do ar de combustão da seguinte forma:
nO
2, ar
= nO
2, ar
+ w (42)
e
nN
2, ar
= 3,76 nO
2, ar
(43)
Para iniciar-mos a modelagem do processo de combustão o procedimento de cálculo
seguirá as seguintes etapas:
6.6.1 Desvolatilização e Combustão de Voláteis
Quando carvão é introduzido em uma caldeira de leito fluidizado, esse decompõe-se em
duas partes: matéria volátil rica em hidrogênio e char. O char permanece no leito e queima
lentamente. Dois passos podem ser considerados, ou seja, decomposição e combustão dos
voláteis. Na região densa da caldeira (região localizada abaixo do ponto de injeção do ar
secundário) ocorre a liberação dos constituintes do carvão como carbono, hidrogênio,
oxigênio, nitrogênio, enxofre e cinzas. Para representar o processo de combustão dos voláteis,
três principais reações são consideradas (Legros
et al., 1998):
C +
2
1
O
2
→ CO (44)
96
S + O
2
→ SO
2
(45)
H
2
+
2
1
O
2
→ H
2
O (46)
Na reação da Equação 44, uma fração de carbono dos voláteis reage com oxigênio para
formar CO apenas durante a combustão de voláteis por causa da redução do oxigênio na
região de baixo (região densa) da caldeira. Para a reação da Equação 45, o enxofre no carvão
é assumido para ser convertido para SO
2
durante o processo de combustão dos voláteis. Na
reação da Equação 46 o hidrogênio é totalmente consumido durante o processo de combustão
dos voláteis. A massa de voláteis inicial gerada pelo carvão é calculada da seguinte maneira:
m
V
= mC
100
Y
V
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
(47)
na qual m
C
é a massa de carvão sendo alimentada na caldeira.
A volatilização do combustível sólido é presumida para seguir o primeiro passo do
mecanismo do tipo reação irreversível da seguinte maneira (Zhubrin, 2001):
1kg de carvão = Y
V
kg de voláteis + ( 1 – Y
V
) kg de char (48)
na qual Y
V
é a fração em massa de voláteis no carvão, normalmente especificado na
composição química do carvão.
Para o modelo de desvolatilização, a seguinte equação pode ser usada para expressar a
razão de consumo ou emissão de voláteis ( Costa, 1998):
)2Q0,81Q0,4(mv
dt
dmv
+−= (49)
na qual
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
100
Y
mv
V
(50)
97
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
P
5
T
104600
exp2.101Q
(51)
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
P
7
T
167400
exp.103,12Q
(52)
O valor de dmv/dt pode ser utilizado para estimar a razão de geração de voláteis através
da equação (Chen
et al.,1997):
R
V
=
carvão
ρ
dt
dmv
(53)
na qual a densidade do carvão é estimada através de dados de outro carvão obtido da literatura
(Chirone
et al., 1999), levando-se em conta principalmente o conteúdo de carbono do carvão
da seguinte forma:
ρ
carvão
=
1C
Ccarvão
Y
Y1ρ
(54)
na qual
ρ
carvão
1 e Y
C1
representam, respectivamente, a densidade e fração em massa de
carbono do carvão adotado da literatura e Y
C
é a fração em massa de carbono do carvão usado
neste trabalho.
A razão de consumo de carvão pode ser calculada da razão de geração de voláteis com a
seguinte equação:
R
carvão
=
V
V
Y
R
(55)
Nas Equações 51 e 52 a temperatura T
p
refere-se à temperatura da partícula de carvão
no momento da desvolatilização, sendo a mesma adotada com base em dados sugeridos pela
literatura.
98
6.6.2 A Combustão do Char
A partícula de char resultante do processo de desvolatilização consiste de uma fração do
permanecente carbono (1 – C
Vol
) e cinza apenas. Para a combustão do char, dois principais
componentes (CO e CO
2
) são considerados como produtos principais da combustão do carvão
representados pelas equações abaixo (Legros
et al., 1998):
C +
2
1
O
2
→ CO (56)
CO +
2
1
O
2
→ CO
2
(57)
C + CO
2
→ 2CO (58)
A reação das Equações 56 e 58 é heterogênea, ao passo que da Equação 56 é
homogênea. Desde que a temperatura de queima da partícula não é suficientemente alta em
uma caldeira de leito fluidizado circulante, o efeito da reação da Equação 58 na razão de
combustão é baixo e, portanto, esta reação pode ser negligenciada no modelo. Na Equação 56
tem-se uma reação gás-sólido com uma mudança química feita em ambas as superfícies
interna e externa da partícula de char (Legros
et al., 1998).
A razão de geração de char pode também ser calculada em função da geração de
voláteis e do conteúdo de matéria volátil no carvão pela equação abaixo:
R
char
=
V
VV
Y
R)Y1(
−
(59)
A partícula de char queima gerando óxidos de carbono segundo a equação geral abaixo
(Chen
et al., 2001):
22
CO
2α
2
CO
2α
α2
O2 x C
2α
1α
2
+
+
+
→+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
+
(60)
com
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
P
T
7200
exp720α
(61)
99
e
x2 =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+ 2α
2
0.5
2α
α2
(62)
Com o valor de
α, a Equação 60 pode ser balanceada e em seguida adaptada para a
situação deste trabalho. A temperatura da partícula de char T
p
para o cálculo de α pode ser
variada para verificar o comportamento do consumo de oxigênio e a geração de CO e de CO
2
devido à combustão do char.
Deve-se acrescentar que a temperatura T
p
para o cálculo de α é feita como sendo a
temperatura do leito acrescida de 100 K, como sugerido pela literatura (Hua
et al., 2004).
Como exemplo podemos definir que para uma temperatura do leito de 750
°C a temperatura
da partícula T
p
será igual a 750 + 273 + 100, resultando em uma temperatura T
p
de 1123 K.
O consumo de oxigênio e a produção de CO e de CO
2
gerados pela combustão do char
são calculados utilizando as equações abaixo (Zhubrin, 2001):
C
2OChar
2OG,
M
MnC2x
R
= (63)
C
COChar
COG,
M
MnC
2α
α2
R
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
=
(64)
C
2COChar
2COG,
M
MnC
2α
2
R
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
= (65)
O número de moles de carbono na Equação 60 é a quantidade de carbono na massa de
char e o mesmo é determinado através de (Legros
et al., 1998):
C
Vol
=
100
YYY
S2HV
−
−
(66)
100
C
Char
= 1 – C
Vol
(67)
e assim
m
Char
= mC
100
Y
1
V
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
− (68)
nC
Char
= C
Char
m
Char
(69)
nas quais C
Vol
é a fração de carbono na matéria volátil, C
Char
é a fração de carbono no char e
nC
Char
é o número de moles de carbono na massa de char.
6.6.3 Formação do NO
X
O modelo de emissões de NO
X
será desenvolvido considerando-se as emissões de uma
forma geral, partindo-se do pressuposto que em leito fluidizado a única fonte das mesmas é o
nitrogênio do combustível. O NO
X
térmico será negligenciado pelo fato de que a temperatura
no leito não favorece a formação do mesmo.
A equação geral a ser usada para avaliar as emissões de NO
X
em função da temperatura
e razão de ar primário para combustível é a seguinte (Jensen e Johnsson, 1997):
NO
emissão
=
()
0,2
2SO
0,40,7
N
0,7
0
0,8
p
b
2
CHYU100
T
5336
exp10.9,14
−
−−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
φ
(70)
na qual φ
p
é a razão de ar primário para combustível, U
0
é a velocidade superficial do gás,
C
SO2
é concentração de SO
2
em ppmv e H é a altura expandida do leito. Estas variáveis para o
presente trabalho são estimadas segundo as equações apresentadas abaixo:
φ
p
=
mC
0,6
28
nN
32
nO
ar,2ar,2
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
(71)
g
6
2SO
V
10c
C =
(72)
101
A altura expandida do leito H para o caso deste trabalho é definida com base em dados
usados na literatura para uma caldeira de 1,6 MW.
6.6.4 A Absorção de Enxofre
Para a absorção do enxofre será assumido que SO
2
é o único produto da combustão dos
compostos do enxofre, o qual espalha-se no exterior da frente da combustão e reage com CaO
na camada de cinza externa formando CaSO
4
segundo as reações das equações abaixo:
CaCO
3
→ CaO + CO
2
(73)
CaO + SO
2
+ O
2
→ CaSO
4
(74)
Sendo que a Equação 73 representa a reação de calcinação do calcário, ao passo que a
Equação 74 representa a reação de sulfatação.
Para analisar de uma forma mais simplificada a calcinação do calcário, ou seja, a
conversão do CaCO
3
para CaO, será feito o cálculo para a Equação 73 através da utilização do
método da energia livre de Gibbs para determinação da temperatura para a qual o processo de
calcinação ocorre.
Para iniciar o cálculo determina-se primeiramente a variação da energia livre de Gibbs
para a reação da Equação 73 que representa a calcinação do CaCO
3
.
∆G = ∆H – T ∆S (75)
na qual
∆H = ( hf + ∆h )
i
e ∆S = ( sf + ∆s )
i
(76)
sendo que hf
i
e sf
i
representam a entalpia e entropia de formação de cada componente da
reação e são obtidas da literatura (Carvalho
et al., 1998). As variações de entalpia e entropia
∆h
i
e ∆s
i
são calculadas como segue:
∆h
i
= e ∆s
∫
b
0
T
T
i
dTCp(T)
i
=
∫
b
0
T
T
i
dT
T
Cp(T)
(77)
102
As equações para o cálculo do calor específico Cp(T)
i
são adotados de acordo com os
dados disponíveis na literatura para cada componente na reação (Perry, 1999). Reescrevendo
as equações apresentadas acima obtém-se a seguinte equação para a variação da energia livre
de Gibbs para a Equação 72:
∆G1 = [ ( hf + ∆h )
CaO
+ ( hf + ∆h )
CO2
– ( hf + ∆h )
CaCO3
] (78)
– T
b
[ ( sf + ∆s )
CaO
+ ( sf + ∆s )
CO2
– ( sf + ∆s )
CaCO3
]
A variação da energia livre de Gibbs, ∆G1, nos fornece a informação sobre a
temperatura que o processo de calcinação ocorre, pois esta temperatura é aquela para a qual a
Equação 78 apresenta um valor negativo. Após a obtenção da temperatura de calcinação
calcula-se o calor total de reação a ser fornecido para o processo de calcinação, iniciando pelo
cálculo do calor de formação padrão para 298 K, como segue:
∆H
(298)
= hf
CaO
+ hf
CO2
– hf
CaCO3
(79)
A Equação 79 mostra o calor de reação padrão para a temperatura de 298 K, pois este é
calculado a partir da entalpia de formação dos produtos subtraindo a entalpia de formação do
reagente para a reação da Equação 73. Deve-se salientar que o valor do calor na equação
acima (em kJ / kg ) é válido para uma massa de 1 kg de CaCO
3
, sendo que para a massa de
CaCO
3
calculada neste trabalho faz-se a conversão como mostrado abaixo:
∆H
real
=
1
mfH
(298)
∆
(80)
O cálculo do calor total de reação a ser fornecido para o processo de calcinação é feito
através da soma do calor de reação padrão e do calor necessário para levar o calcário da
temperatura de 298 K até a temperatura de calcinação determinada pela Equação 79. O calor
necessário para levar o calcário à temperatura de calcinação é a diferença de entalpia para o
mesmo determinada pela Equação 77, dando a seguinte expressão para o calor total:
(
)
100
∆h∆h∆h
∆H∆H
3CaCO2COCaO
realtotal
−
+
+=
(81)
103
A concentração de SO
2
no fundo da caldeira pode ser calculada da razão de formação de
SO
2
da matéria volátil e do fluxo volumétrico dos gases como segue (Shimizu et al., 2002):
g
VS
0
V
100
Y
32100
Y
mC
C =
(82)
A quantidade de SO
2
gerado de uma forma geral na região densa da caldeira pode
também ser calculada pela equação abaixo (Legros
et al., 1998):
d
S
0
HA32
100
Y
mC
R = (83)
na qual H
d
representa a altura da região densa da caldeira.
A eficiência de remoção de enxofre para as caldeiras de leito fluidizado circulante pode
ser calculada em função da temperatura para vários valores de Ca/S. As equações abaixo
foram obtidas através de regressão polinomial feita em função de dados experimentais
apresentados pela literatura (Zevenboven, 2004).
RS =
( Ca/S = 1) (84)
2
bb
T2250,00T7055,3225,1455 −+−
RS =
( Ca/S = 2) (85)
2
bb
T260,00T294,48,1680 −+−
RS =
( Ca/S = 3) (86)
2
bb
T20,00T292,39,1257 −+−
Para estimar a conversão do CaCO
3
para CaSO
4
a Equação 73 pode ser trabalhada em
função da constante de equilíbrio da reação para as temperaturas de interesse da seguinte
forma:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
b
eq
TR
1∆G
expK
(87)
na qual a constante K
eq
pode ser escrita em termos das frações molares dos reagentes e
produtos da reação (CaCO
3
, CaO e CO
2
) para saber qual a quantidade da massa de CaCO
3
que
reage para uma dada temperatura como segue:
104
()
mf
xmf
mf
x0,44
mf
x0,56
fmolar
fmolarfmolar
fmolar
fmolar
K
44,056,0
3CaCO
2COCaO
reagentes
produtos
eq
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=== (88)
na qual x representa a quantidade de CaCO
3
que reage com relação a massa inicial mf, sendo
que os valores 0,56 e 0,44 representam as proporções de CaO e de CO
2
com relação a
quantidade x com base nas suas respectivas massas moleculares.
Para determinar as quantidades de CaO e CO
2
com relação a quantidade x aplica-se
novamente as Equações 33 e 34, e assim a conversão do CaCO
3
para CaSO
4
é dada pela
seguinte expressão (Cheng
et al., 2004).
()
CaO
3SO
3CaCO
CaO
3CaCO
M
mfCaO%
M
M
Mx
x
X
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
(89)
na qual
M é o massa molecular da espécie
%CaO é o percentual de CaO presente no calcário
mf é a vazão total de calcário alimentada no leito
Para o modelo de cálculo apresentado, a Tabela 12 fornece os parâmetros utilizados
para fazer os cálculos com o programa Mathsoft Mathcad, que se encontra discriminado no
apêndice A deste trabalho. Neste apêndice também se encontra, além do cálculo, uma breve
descrição sobre a obtenção dos dados para fazer o cálculo teórico.
105
Tabela 12: Dados Utilizados para o Modelo
A 29,26 m
2
H
d
3 m
H 1,15 m
mC 5,20 kg/s
PCI 23735,61 kJ/kg
Ca / S 2
%O
2
livre 4%
R 8,314 kJ/kmol.K
P 101325 Pa
T
b
1123 K
U
0
3,5 m/s
V
cal
731,5 m
3
Yc 61,92
Y
H2
3,00
Y
S
0,1
Y
O2
15,08
Y
N2
0,98
Y
V
41,59
Y
W
17,42
Y
A
1,50
6.6.5 Resultados
Para os resultados obtidos, mencionam-se alguns aspectos observados, iniciando-se pelo
processo de combustão do char a partir dos resultados apresentados na Tabela 12:
106
Tabela 13: Resultados para a combustão do char
Temperatura K
(°C)
Consumo de O
2
( kmol / s )
Geração de CO
( kmol / s )
Geração de CO
2
( kmol / s )
1123 ( 750 ) 0,415168 0,269995 0,358717
1173 ( 800 ) 0,415168 0,31774 0,321203
1223 ( 850 ) 0,415168 0,36308 0,285579
1273 ( 900 ) 0,415168 0,404896 0,252723
Pelos resultados da tabela acima pode-se observar que o consumo de oxigênio
permanece constante devido ao balanço da equação. A geração de CO e de CO
2
varia com a
temperatura da partícula, sendo que a quantidade de CO gerada cresce à medida que a
temperatura sobe e a quantidade de CO
2
diminui. Em temperaturas mais baixas a quantidade
de CO
2
cresce enquanto a quantidade de CO diminui.
Para as emissões de NO
X
, pode-se confirmar alguns resultados obtidos pela literatura
para as emissões de uma maneira geral para as caldeiras de leito fluidizado. O gráfico
mostrado na Figura 48 mostra o comportamento geral das emissões com a temperatura.
700 750 800 850 900 950
120
140
160
180
200
220
240
Emissão de NO
x
( ppmv )
Temperatura ( K )
NOx
Figura 48: Comportamento das Emissões de NO
X
com a Temperatura
Os resultados apresentados na Figura 48 mostram que com o aumento da temperatura as
emissões de NO
X
diminuem. Esse fato pode parecer estranho mas, segundo Jensen e Johnsson
(1997) a diminuição das emissões com o aumento da temperatura foi observada em
experimentos feitos para altas razões de ar primário/combustível, como é o caso do exemplo
de cálculo deste trabalho.
107
A influência da razão de ar primário/combustível para quatro temperaturas testadas
também pode ser analisada através da Figura 49. Como pode ser observada no gráfico desta
Figura, a diminuição da razão ar primário/combustível resulta em uma diminuição das
emissões de NO
X
. Pode ser observado que para a temperatura mais comum em leito
fluidizado (850 °C) a emissão de NO
X
fica em torno de 145 ppmv para a razão de ar primário
para combustível deste trabalho.
As emissões de NO
X
mostradas aqui podem apresentar variações dependendo de outros
fatores, tais como excesso de ar e o diâmetro de partículas, pois a intenção aqui é mostrar que,
independentemente das condições a serem usadas, as emissões de NO
X
em caldeiras de leito
fluidizado ficam muito abaixo de padrões definidos por legislações ambientais, o que reforça
a tendência para o aumento do uso da tecnologia de leito fluidizado.
23456
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
Emissão de NO
x
( ppmv )
Razão de equivalência φ
T
b
= 750
T
b
= 800
T
b
= 850
T
b
= 900
Figura 49: Influência da Razão de ar Primário para Combustível nas Emissões de NO
X
Com a eficiência de remoção de SO
2
para as caldeiras de leito fluidizado circulante
obtida através da regressão linear pela aplicação das Equações 84, 85 e 86, pode-se confirmar
os resultados obtidos para as três situações analisadas através da Figura 50.
108
700 750 800 850 900 950
50
60
70
80
90
100
RS = -1257,9 + 3,292*Tb - 0,002*Tb^2
RS = -1680,8 + 4,294*Tb - 0,0026*Tb^2
RS = -1455,225 + 3,7055*Tb - 0,00225*Tb^2
RS (%)
Temperatura (ºC)
Ca/S=1
Ca/S=2
Ca/S=3
Figura 50: Eficiência de Remoção de SO
2
Da Figura 50 pode-se observar que para a razão Ca/S de 2 (a mais utilizada em leito
fluidizado) tem-se uma eficiência de remoção de aproximadamente 90% para uma
temperatura característica de 850 °C.
Para a conversão do CaCO
3
, os resultados estão mostrados na Figura 51, pois pode ser
observado que a conversão aumenta com a temperatura, atingindo um valor de
aproximadamente 55% para uma temperatura típica de leito fluidizado de 850°C.
700 750 800 850 900 950
10
20
30
40
50
60
Conversão do CaCO
3
para CaSO
4
Temperatura (°C)
X
CaCO3
Figura 51: Conversão do CaO com a Temperatura
109
Capítulo 7
CONCLUSÕES
Com base na pesquisa desenvolvida, e considerando que o uso do carvão mineral é um
assunto complexo, pode-se destacar as seguintes conclusões principais:
• A combustão do carvão, objeto de muitas críticas, não representa mais uma grande ameaça
para o mundo, devido às tecnologias avançadas empregadas atualmente por países
desenvolvidos que dependem do mesmo como fonte de energia. Essas tecnologias podem
controlar as emissões de poluentes até mesmo abaixo dos padrões definidos.
• Embora tendo algumas contradições, o uso do carvão mineral apresenta uma forte tendência
para continuar, pois existem grandes reservas e muitos países desenvolvidos que dependem do
mesmo para sua sobrevivência, principalmente na América do Norte, Europa e Ásia.
• Tecnologias mais antigas, como a combustão do carvão pulverizado, ainda são responsáveis
por mais de 90% da energia gerada a partir do carvão. Apesar da sua grande eficiência e de
muitas décadas de experiência, a mesma apresenta a tendência de ser substituída por
tecnologias mais avançadas em função das várias vantagens destas.
• A combustão em leito fluidizado e a gaseificação são as duas principais tecnologias que
estão atualmente conquistando espaço. A combustão em leito fluidizado vem sendo a opção
mais viável para substituir principalmente a combustão de carvão pulverizado, pois a mesma
110
apresenta vantagens com relação a custo, requerimento de espaço, flexibilidade de
combustíveis e emissão de poluentes.
• A combustão em leito fluidizado é uma excelente tecnologia aplicada para a repotenciação
de antigas caldeiras de carvão pulverizado que se encontram deterioradas pelo tempo devido à
baixa qualidade do carvão. Como um exemplo típico desta realidade pode citar a situação da
Rússia e da Ucrânia, onde esta prática se faz necessário em função dos altos custos e
dificuldades para o controle das emissões de poluentes de suas caldeiras.
• Além da grande eficiência para a queima de carvões e outros resíduos de baixa qualidade a
combustão em leito fluidizado está surgindo como a melhor alternativa para a queima de
resíduos com alto teor de enxofre como é o caso do coque originado da destilação de
petróleos pesados.
• Todas as tecnologias para combustão ou para controle de poluentes descritas neste trabalho
foram apresentadas de uma maneira geral. Em função da complexidade das mesmas,
recomenda-se o estudo aprofundado e isolado de cada uma delas em dissertações de mestrado
ou até mesmo teses de doutorado.
• Todos os avanços em tecnologias para a combustão e para controle de emissões são o
resultado de um grande esforço e muitos investimentos de parcerias de governos e setor
privado em programas de pesquisas e desenvolvimento.
• O objetivo do exemplo de cálculo apresentado não é analisar quantitativamente os
resultados apresentados. O principal objetivo é apresentar equações que possam servir de base
para o desenvolvimento de modelagens mais complexas em trabalhos futuros.
• Os resultados apresentados confirmam a grande tendência à utilização da tecnologia de leito
fluidizado em função da ausência de NO
X
térmico e do controle de SO
X
dentro do próprio
leito, tendo como principal atrativo uma significativa redução de custos e dos níveis de
emissões.
111
7.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Levando em consideração que a combustão do carvão mineral e um assunto muito
amplo e complexo, sendo que muitos dos mecanismos envolvidos na mesma ainda
permanecem indefinidos podem ser feitas algumas sugestões para trabalhos futuros:
Como um primeiro trabalho sugere-se um estudo para o desenvolvimento de um
programa computacional para simular o processo de combustão em uma caldeira de leito
fluidizado, envolvendo no mesmo a combustão, transferência de calor e emissão de poluentes.
Como uma segunda sugestão coloca-se o estudo detalhado de qualquer uma das
tecnologias para o controle de poluentes apresentadas neste trabalho, podendo também
envolver a modelagem de tais processos usando simulação computacional.
Como outra sugestão menciona-se o estudo para avaliação ou quantificação dos
principais metais pesados presentes na combustão do carvão, pois os mesmos representam um
problema do ponto de vista ambiental.
112
Apêndice A
DESCRIÇÃO DOS DADOS E CÁLCULO
A.1 DESCRIÇÃO DOS DADOS
Com o objetivo de esclarecer melhor os dados adotados para o exemplo de cálculo será
feito uma breve descrição sobre a obtenção dos mesmos. Os dados foram obtidos de
publicações científicas sobre a tecnologia de leito fluidizado ao longo de uma grande pesquisa
durante o desenvolvimento deste trabalho. A elaboração do cálculo se torna bastante difícil
devido à dificuldade de se obter os dados necessários para aplicação das equações,
considerando que aqui o cálculo é teórico em função da ausência de estrutura para obtenção
de dados experimentais.
O cálculo desenvolvido busca dar uma visão mais geral do processo de combustão do
carvão em leito fluidizado, com atenção voltada principalmente para a emissão de poluentes.
Através do cálculo pretende-se confirmar as imensas vantagens da combustão em leito
fluidizado sobre outros sistemas de combustão.
Os dados da caldeira foram obtidos da literatura (Meng
et al.,2002) a qual tratava sobre
o experimento em uma caldeira de leito fluidizado circulante para a queima de uma mistura de
carvão com lodo de uma fábrica de papel. Esta caldeira apresentava um dado base de 450t/dia
113
para utilização de apenas carvão como combustível, a qual apresentava uma razão de
alimentação de carvão de aproximadamente 5,20 kg/s.
Dentre outros dados desta caldeira estavam a altura total, altura de injeção de ar
secundário e área da seção transversal, sendo que para aproveitar os dados também foram
utilizados os dados do carvão que a mesma trazia (composição química e poder calorífico). A
Figura 52 mostra um simples esquema da caldeira de onde foram adotados os dados para o
cálculo.
Figura 52: Configuração da Caldeira de onde Foram Obtidos os Dados
Fonte: Meng et al. (2002)
Os outros dados referentes ao carvão e ao sorvente utilizado (calcário) foram obtidos de
valores sugeridos e usados por vários autores em modelagem de leito fluidizado. Os dados
referentes ao calcário CaCO
3
e do produto CaO resultante da sua calcinação não apresentam
variações significantes entre vários autores pesquisados, pois na maioria dos casos estes
valores são iguais.
114
A.2 LISTAGEM DO CÁLCULO FEITO NO MATHCAD
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Australian COAL Association. Clean coal Technologies.2004. Disponíve em:
<http://www.Australian coal.com.au/cleanTech.html>. Acesso em: 20 jun. 2004.
BAJAY, S. V., BADANHAN, L. F.
Energia no Brasil: Os próximos dez anos. Disponível
em: <
http://www.cgu.unicamp.br/energia2020/papers/paper_Bajay.pdf>. Acesso em: 10 jun.
2004.
BASU, P.
Combustion of Coal in circulatin Fluidized – bed Boilers: a review. Chemical
Engeneering Science., v.54, pp. 5547–5557, 1999.
BEÉR, J.M.
Combustion technology developments in power generation in response to
environmental challenges
. Progress in Energy and Combustion Science, v.26, pp.301-327,
2000.
BELIN, F., MARYAMCHIK, M., WALKER, D.J., WIETZKE, D.L.
Babcock & Wilcox
CFB Boilers – Design and Experience
. In: 16th International Conference on FBC, Reno.,
U.S.A., 2001.
BELIN, F., BABICHEV, L.A., LEVIN, M.M., MAYSTRENKO, A.Y.
CFB Combustion of
High - Ash Ukranian Antracito - Test Results and Design Implications
. In: Ukraine/U.S.
Joint Conference on Ukraine Clean Coal Power Plant Upgrade Opportunities, Kiev, Ukraine,
1998.
BORBA, R.F.
Carvão Mineral. BMB 2001. Disponível em:
<
http://www.dnpm.gov.br/portal/assets/galeriaDocumento/BalancoMineral2001/carvao.pdf>.
Acesso em: 16 mai. 2004.
CARVALHO, J. L. R, et al. Dados termodinâmicos para metalurgistas. Belo Horizonte:
Universidade Federal de Minas Gerais, 1977.
125
CHEN, Z., LIN, M., IGNOWSKI, J., KELLY, B., LINJEWILE, T.M., AGARWAL, P.K.
Mathematical Modeling of Fluidized bed Combustion.4: N
2
O and NO
X
Emissions from
the Combustion of Char
. Fuel, v.80, pp.1259-1272, 2001.
CHEN, C., KOJIMA, T.
Modeling of Sulfur Retention by Limestone in Coal Briquette.
Fuel Processing Technology, v.53, pp. 49-67, 1997.
CHENG, L., CHEN, B., LIU, N., LUO, Z., CEN, K. Effect of characteristic of sorbents on
their sulfur capture capability at a fluidized bed condition. Fuel, v.83, pp.925-932, 2004.
CHIRONE, R., MARZOCCHELLA, A., SALATINO, P., SCALA, F.
Fluidized bed
Combustion of High – Volatile Solid Fuels: An Assessment of Char Attrition an Volatile
Matter Segregation. In: Proceedings of the 15th International Conference on Fluidized bed
Combustion, Savannah, Georgia, 1999.
Coal Utilization Research Council.
Pollution Controls for Existing Power Plants, 2004.
Disponível em: <
http://www.coal.org/facts/pollution.htm> Acesso em: 15 jul. 2004.
Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica (CGTEN). ABINEE TEC SUL.
Painel:
Soluções em Energia – CARVÃO., 2004. Disponível em:
<
http://www.abinee.org.br/informac/arquivos/192.pdf>. Acesso em: 20 ago. 2004.
COSTA, V. J.
Modelo matemático para combustão do carvão pulverizado. 1998. 156 p.
Dissertação (Mestrado em Matemática) – Faculdade de Matemática, Universidade de Ijuí,
Ijuí.
CRIEPI News.
Advanced Coal Combustion Technology, v.396, pp.1-3, 2004.
Eastman Gasification Services Company.
Coal Gasification – Today´s Technology of
Choice and Tomorrow´s Bright Promise – AIChE East TN Section
, 2003. Disponível em:
<
http://www.tnengineering.net/AICHE/coalgas1003.pdf>. Acesso em: 10 jul. 2004.
Energy Information Administration / International Energy Outlook (EIA/EIO).
Coal., pp.75-
100, 2004.
126
Energy Information Administration/Electric Power Monthly (EIA/EPM).
Reducing Nitrogen
Oxide Emissions
, pp.11-19, 1998.
GOODGER, A. M.
Formation of Nitrogen Oxides in a Pulverized Coal Boiler. 2004. 130
p. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Faculdade de Engenharia e Levantamento –
Universidade do Sul de Queensland, Queensland.
GOMES, A. P.
Pílulas energéticas sobre carvão mineral. Disponível em:
<
http://www.geologo.com.br/pilulasdecarvao.asp>. Acesso em: 23 jan. 2004.
HAN, K., LU, C., CHENG, S., ZHAO, G., WANG, Y., ZHAO, J.
Effect of characteristics
of calcium-based sorbents on the sulfation kinetics
. Fuel, v.84, pp.1933-1939, 2005.
heat and power. Disponível em:
<
http://europa.eu.int/comm/energy_transport/atlas/htmlu/heat_and_power.html>. Acesso em:
13 set. 2004.
HENDERSON, C.
Clean Coal Technologies and Clean Coal Technologies Roadmaps.
Book Reviews, v.74, pp.270-271, 2003.
HUA, Y., FLAMANT, G., LU, J., GAUTHIER, D.
Modelling of axial and radial solid
segregation in a CFB boiler
. Chemical Engineering and Processing, v.43, pp.971-978, 2004.
ILUMINA – Instituto de Desenvolvimento Estratégico do Setor Energético, 2005. Disponível
em: <
http://www.ilumina.org.br/zpublisher/materias/default.asp?id=18235>. Acesso em: 20
dez. 2005.
International Energy Agency (IEA).
Coal information. IEA Statistics, pp.1-718, 2003a.
International Energy Agency.
International Coal Information, 2003b. Disponível em:
<
http://www.eia.doe.gov/emeu/international/coal.html>. Acesso em: 12 ago. 2004.
127
IEA Clean Coal Centre.
Pulverised coal combustion. 2004. Disponível em:
<
http://www.iea-coal.co.uk/site/database/cct%20databases/pcc.html>. Acesso em: 20 mai.
2004.
JENSEN, A., JOHNSSON, J.E., ANDRIES, J., LAUGHLIN, K., READ, G., MAYER, M.,
BAUMANN, H., BONN, B.
Formation and redution of NO
X
in pressurized fluidized bed
combustion of coal
. Fuel, v.74, pp.1555-1569, 1995.
JENSEN, A., JOHNSSON, J. E.
Modelling of NO
X
emissions from pressurized fluidized
bed combustion – a parameter study
. Chemical Engeneering Science. v.52, pp.1715-1731,
1997.
JOSÉ, H.J.
Combustão e Combustíveis. Florianópolis, 2004. 45p. Apostila (Química
Tecnológica Geral) – Engenharia Química e de Alimentos, Universidade Federal de Santa
Catarina.
KARPPANEN. E.
Advanced control of Industrial Circulating Fluidized bed Boiler Using
Fuzzi Logic
. 2000. 135 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de processos) –Faculdade de
Tecnologia – University de Oulu, Oulu.
KAVIDASS, S., ANDERSON, G.L., NORTON, G.S.
Why Build a Circulating Fluidized
bed Boiler to Generate Steam and Electric Power
. In: POWER – GEN, Bangkok,
Thailand, 2000.
KAVIDASS, S., WALKER, D.J., NORTON, G.S.
IR – CFB Repowering: A Cost Effective
Option for Older PC – Fired Boilers
. In: POWER – GEN International, New Orleans,
U.S.A., 1999.
KITTO, J.B.
Air Pollution Control for Industrial Boiler Sistems. In: ABMA Industrial
Boiler Sistems Conference, West Palm Beach, U.S.A.;1996.
KRAFT, D. L.
Bubbling Fluid Bed Boiler Emissions Firing Bark & Sludge. In: 1998
TAPPI Engeneering Conference, Atlanta, U. S. A, 1998.
128
LECKNER, B.
Fluidized bed Combustion: Mixing and Poluttant Limitation. Prog.
Energy Combust Sci, v.24, pp.31-61, 1998.
LEGROS, R., GHAREBAAGH, R.S., CHAOUKI, J., PARIS, J.
Simulation of Circulating
Fluidized bed Reactors Using ASPEN PLU
S. Fuel, v.77, p.327-337, 1998.
MAKINO, K. Technologies for NO
X
Redution in PC Fired Utility Boilers – A Manufacturers
Perspective. IFRF Combustion Journal, v.200007, pp.1-14, 2000.
MAO, D., EDWARDS, J.R., KUZNETSOV, A.V., SRIVASTAVA, R.K.
Three-dimensional
numerical simulation of a circulating fluidized bed reactor for multi-pollutant control
.
Chemical Engineering Science, v.59, pp.4279-4289, 2004.
MENG, Y. T., WU, K.T., HUANG, C.C., LEE, H.T.
Co-firing of paper mill sludge and
coal in an industrial circulating fluidized bed boiler
. Wast Management, v.22, pp.439-442,
2002.
MOORE, K.
Fuel Rich combustion: A low Cost NO
X
Control Means for Coal-Fired
Plants
. In: 25
th
International technical conference on Coal Utilization & Fuel Systems,
Sheraton Sand Key, U.S.A, 2000.
National Energy Technology Laboratory.
Combustion, 2004. Disponível em:
<
http://www.netl.doe.gov/coalpower/combustion/index.html>. Acesso em: 17 jun. 2004
National Mining Association
(NMA). Clen Coal Technology, 2003. Disponível em:
<http://www.nma.org/pdf/clean_coal_a.pdf >. Acesso em: 27 nov. 2004.
NOWAK, W.
Clean Coal Fluidized – bed Tecnology in Poland. Applied Energy. v.74, pp.
405 – 413, 2003.
OSBORNE, D.G., GRAHAM, J.M., ELLIOTT, L.K.
New Coal Utilization Tecnologies.
Minerals Engeneering, v.9, pp. 215-233, 1996.
129
Parivesh.
Clean Coal Combustion Tecnologies, 2002. Disponível em:
<
http://www.cpcb.nic.in/jun2000coal4.html>. Acesso em: 30 set. 2004.
PERRY, J. H. Chemical Engeneering Handbook. Mc Gran Hill Book Company. Versão
Eletrônica 1999.
PPE/COPPE/UFRJ.
Monitoração de Emissões de Gases de Efeito Estufa em Usinas
Termelétricas no Brasil
– Fase de Diagnóstico. Programa de planejamento Energético, p.1-
210, 2001.
RADOJEVIC, M.
Reduction of nitrogen óxides in flue gases. Enviromental Polluition,
v.102, pp. 685-689, 1998.
RAJARAN, S.
Design Features and Operating Experience of Circulating Fluidized bed
Boilers firing High Ash
Coals in Índia. In: Proceedings of the15th International Conference
Fluidized bed Combustion, ASME, Savannah., U.S.A., 1999.
RYABOV, G.A, NADIROV, I.I.
The Implication of CFB Technology for Repowering of
Old Pulverized Coal Boiler in Russia
. In: Proceedings of the15th International Conference
Fluidized bed Combustion, ASME, Savannah., U.S.A., 1999.
SHIMIZU, T., PEGLOW, M., YAMAGIWA, K., TANAKA, M., SAKUNO, S., MISAWA,
N., SUZUKI, N., UEDA, H., SASATSU, H., GOTOU, H.
A simplified model of SO
2
capture by limestone in 71 MWe pressurized fluidized bed combustor
. Chemical
Engineering Science. v.57, pp.1117-1128, 2002.
SOUZA, F. M., MOREIRA, F. J.
Tecnologias de Mitigação em Centrais Térmicas.
Produção e Planejamento de Energia Elétrica., p.1-28, 2002.
The World Bank Group.
Sorbent Injection Technology, 2004. Disponível em
<
http://www.worldbank.org/html/fpd/em/power/EA/mitigatn/aqsosoij.htm.> Acesso em: 27
ago. 2004.
130
U.S Department of Energy.
Coal, 2004. Disponível em:
<
http://www.energy.gov/energysources/coal.htm >. Acesso em: 09 jun. 2004.
U.S Department of Energy.
Reducing Emissions of Nitrogem Oxides via Low-NOx
Burners technologies
. Topical Report Number 5, pp. 1-26, 1996.
U.S Enviromental Protection Agency.
Coal-Fired Power Plants: Opportunities For Better
Pollutant Control
, 2003. Disponível em:
http://www.engr.pitt.edu/pcc/2003%20Plenary/Princiotta.pdf>. Acesso em: 12 ago. 2004.
UND University of North Dakota.
Pulverized Coal Combustion System, 2004. Disponível
em: <
http://www.undeerc.org/carrc/html/CoalCombustion.html#>. Acesso em: 15 set. 2004.
U.S Enviromental Protection Agency.
Controlling Power plant Emissions: Control
Tecnology
, 2004. Disponível em:
<
http://www.epa.gov/mercury/control_emissions/tecnology.htm>. Acesso em: 12 jan. 2005.
VAN der LANS, R.P., GLARBORG, P., JOHANSEN, K.D., KNUDSEN, P.,
HESSELMANN, G. HEPBURN, P.
Influence of coal quality on combustion performance.
Fuel, v.77, pp.1317-1328, 1998.
VAN Der LANS, R.P., GLARBORG, P., DAN-JOHANSEN, K.
Influence of processes
Parameters on Nitrogen Oxide Formation in Pulverized Coal Burners
. Prog. Energy
Combust. Sci, v.23, pp.349-377, 1997
World Coal Institute.
What is Coal?. Disponível em:
<
http://www.solidenergy.co.nz/download/WhatIsCoal.pdf>. Acesso em: 14 mar. 2004.
ZEVENBOVEN.
Sulfur. Disponível em <http://www.abo.fi/~rzevenho/sulphur_2.PDF>.
Acesso em: 23 out. 2005.
ZHUBRIN, S. V.
Fuel-Dust Flames in a Furnace, 2001. Disponível em:
<http://www.simuserve.com/cfd-shop/uslibr/reactive/fur-sing.htm>. Acesso em: 12 Jul.
2005.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
