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PAULO CONSTANTE RIGATO
ESTUDO DA COMPOSIÇÃO DA ALIMENTAÇÃO DE UM
INCINERADOR ROTATATIVO DE RESÍDUOS VISANDO
AUMENTO DA CAPACIDADE OPERACIONAL
SÃO CAETANO DO SUL
2008
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PAULO CONSTANTE RIGATO
ESTUDO DA COMPOSIÇÃO DA ALIMENTAÇÃO DE UM
INCINERADOR ROTATATIVO DE RESÍDUOS VISANDO
AUMENTO DA CAPACIDADE OPERACIONAL
SÃO CAETANO DO SUL
2008
Dissertação apresentada à Escola de Engenharia
Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá
de Tecnologia para obtenção do Título de Mestre
em Engenharia de Processos Químicos e
Bioquímicos.
Linha de Pesquisa: Análise e controle de
processos industriais
Orientador: Prof. Dr. Tah Wun Song
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Rigato, Paulo Constante
Estudo da composição da alimentação de um incinerador
rotativo de resíduos visando aumento da capacidade
operacional/ Paulo Constante Rigato. – São Caetano do Sul:
CEUN – IMT, 2008
63 p.
Trabalho de Pós- Graduação – Escola de Engenharia
Mauá do Centro Universitário do Instituto Mauá de
Tecnologia , São Caetano do Sul, 2008. Orientador :
Prof. Dr. Tah Wun Song.
1. Composição da alimentação 2. Incinerador Rotativo de
resíduos 3. Aumento da capacidade operacional I .
Rigato, Paulo Constante. II. Instituto Mauá de
Tecnologia . Centro Universitário. Escola de
Engenharia Mauá. III. Título.
À Rosana e Giovanna, que de diversas
maneiras me motivaram neste àrduo
trabalho.
Ao Mestre Tah pela dedicação e sabedoria
na orientação desta dissertação.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Tah Wun Song, que com paciência e dedicação não economizou esforços para que
o trabalho tivesse executado com esmero e consistência a fim de que a pesquisa possa
apresentar sua contribuição aos demais colegas da área.
À Margareth, que também , sempre nos motivou neste trabalho e expontaneidade ao nos
transmitir as informações e orientações necessárias ao andamento da montagem deste
trabalho.
“É sabido que para
dominar natureza é
preciso ser obediente a
ela”. (Francis
Bacon)
i
SUMÁRIO
RESUMO iii
“ABSTRACT” v
LISTA DE TABELAS vii
LISTA DE FIGURAS viii
NOMENCLATURA ix
1 INTRODUÇÃO 1
1.1 IMPORTÂNCIA E ABRANGÊNCIA DOS INCINERADORES 1
1.2 IMPORTÂNCIA DA COMPOSIÇÃO DE RESÍDUOS INCINERADOS 2
1.3 OBJETIVO 3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5
2.1 HISTÓRICO 5
2.2 HISTÓRICO DA INCINERAÇÃO NO BRASIL 10
2.3 INCINERAÇÃO NO BRASIL 11
2.4 A EVOLUÇÃO DA INCINERAÇÃO NO MUNDO 14
2.5 TIPOS DE INCINERADORES 16
2.6 FUNCIONAMENTO DE UM FORNO ROTATIVO 26
2.7 VARIÁVEIS DE OPERAÇÃO DE UM FORNO ROTATIVO 31
3 MATERIAIS E MÉTODOS 37
3.1 ESCOPO 37
3.2 DESCRIÇÃO DO INCINERADOR ESTUDADO 38
3.3 CARACTERIZAÇÃO DOS RESÍDUOS INCINERADOS 39
3.4 BALANÇO DE MASSA 41
3.5 METODOLOGIA DE CÁLCULO 44
ii
3.6 ESTUDO DE CASO 48
3.7 RESULTADOS OBTIDOS 52
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 58
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 60
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
63
iii
RESUMO
A incineração é um método de disposição de resíduos perigosos amplamente utilizado,
embora às vezes ainda questionado. As razões desse amplo uso são: reduz-se a
responsabilidade do gerenciamento ambiental comparado ao aterro, além da diminuição do
volume e da toxicidade dos resíduos. Embora a incineração tenha sido utilizada para
destruição de resíduos perigosos durante muitos anos, continua sendo objeto de estudos
específicos devido à grande variação na composição dos resíduos incinerados, do rigor das
condições de processo de incineração, aos altos custos de manutenção, a problemas
operacionais e à baixa confiabilidade dos equipamentos e a um número crescente de
restrições legais. Na sociedade atual, milhares de toneladas de resíduos são incinerados
diariamente, quer sejam de origem municipal, quer sejam de origem hospitalar ou industrial,
além dos chamados resíduos perigosos. Dada a larga prática da incineração como forma de
gerenciamento de resíduos, passa a ser importante estudar o processo de combustão dos
resíduos, principalmente líquidos e sólidos. O presente trabalho visa estudar uma
composição de alimentação mais adequada em um incinerador e sua influência no processo.
Entre os resíduos sólidos incluídos nesse estudo citam-se: polietileno, papel, resíduos
químicos, resíduos farmacêuticos, metais, lodos e materiais similares. Por apresentarem
características de queima distintas, devem ser previamente analisados e seus elementos
devem estar dentro dos padrões permissíveis de incineração relacionados na licença do
incinerador ora em estudo. No presente estudo, não estão inclusos os resíduos hospitalares
nem tampouco os resíduos municipais, embora na composição da mistura a ser queimada há
uma pequena parcela de lixo doméstico proveniente dos escritórios e cozinhas da indústria.
Neste trabalho, foi montada uma planilha eletrônica como uma ferramenta que ajude na
operação de um incinerador em sua capacidade plena, de modo a atender a legislação e não
exceder a capacidade do equipamento. A análise do estudo indicará a demanda do
combustível auxiliar durante o processo e o volume de gás de combustão gerado. Além
disso, calcula-se a temperatura atingida no processo a qual deve ser compatível com as
restrições do equipamento e da operação. O método foi aplicado em um estudo de caso a
partir de dados de uma unidade industrial típica. Observou-se que a diferença entre os
iv
valores experimentais e os previstos pelo modelo, para as temperaturas dos gases efluentes
do forno e da câmara de pós-combustão, foi relativamente pequena (inferior a 10%). Com
isso, pode-se considerar que há uma razoável consistência nos resultados calculados a partir
da modelagem feita. Um outro aspecto relevante que corrobora essa constatação foi o
aumento significativo na capacidade do sistema de incineração (de 170 kg/h para 800 kg/h),
após a implementação da metodologia proposta. Isso se deve a uma operação mais estável e
regular, com menos interrupções para ajustes no processo, em face de um planejamento
mais racional da mistura alimentada (previamente estudada através da planilha). O modelo
desenvolvido no presente trabalho, com devidas aplicações, pode ser aplicado para outros
tipos de incineradores, constitui uma ferramenta prática e útil no gerenciamento de um
sistema de incineração, e eventualmente pode ser usado para controle “on-line” e estudos de
otimização desses processos.
v
ABSTRACT
Incineration is a method largely used to dispose hazardous wastes although sometimes it has
been questioned. The reasons of its large acceptance are due to the decreasing of
responsibility in the environmental management when compared with landfill disposal
system, and the reduction of the volume and the toxicity of the hazardous wastes. Despite
the incineration has been used to destroy hazardous wastes during a lot of years, new
specific studies are still being carried out due to the great variety of the waste composition
and severity of the process conditions of incineration, high maintenance costs, operational
problems and low reliance of the equipments and a great number of legal restrictions.
Nowadays, thousands of tons of municipal, industrial or hospital hazardous wastes are
destroyed by incineration method. Due to the large practice of the incineration in
management of hazardous wastes it turns important to study the combustions process of the
wastes from different states: liquid, solid or gaseous. This work seeks to study a more
appropriate feed composition in to the incinerator and its influence. Municipal or hospitals
wastes are not included in the present study, although wastes coming from offices and
industrial kitchens are considered. Each waste has a specific composition of combustible
material that can be solid or liquid and burns with distinct combustion characteristics. The
basic components of the fluegas that cause influence in the environmental were considered
in the present work.
The hazardous wastes considered in the study include plastics, paper, chemical wastes,
pharmaceuticals, metals, sludge, no combustible materials. They are previously analyzed
and must accomplish with the patterns of legal emissions and the license of the actual
incinerator used in the present study. An electronic spreadsheet was prepared as a tool to
help the incinerator operation to attend legal and security requirements and to avoid
equipment damages. The study analysis will provide the auxiliary fuel demand and the
volume of the fluegas generated. The temperature elevation is calculated through the energy
balance and its value is compared to the characteristics so in this moment it is possible to
foresee the residence time and temperature that it will be reached.
The present proceeding is implemented into an operating plant, achieving a good agreement
between the predicted values of the exit gas temperature (from the kiln and the afterburner)
vi
and the experimental ones (deviation less than 10%). Although extremely simple, the
electronic spreadsheet provides a useful tool for a better management of the incineration
systems, improving its capacity (an effective increase of 4.7 times was accomplished after
its implementation in the industrial incinerator) and reducing the fuel expenditure. Suitable
adjustments may further its use into optimization studies and make possible an eventual
implementation into an automation or on-line control system.
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Características de alguns dos principais incineradores instalados no Brasil 12
Tabela 2.2 Tendências do tratamento térmico de resíduos sólidos na Alemanha 15
Tabela 2.3 Uso de incineração nos países desenvolvidos 16
Tabela 2.4 Aplicabilidade dos principais tipos de incineradores 20
Tabela 2.5 Impacto do poder calorífico e da umidade no desempenho de um forno 34
Tabela 3.1: condições de operação do incinerador 39
Tabela 3.2: Exemplo de planilha de análise de resíduos 41
Tabela 3.3: descrição dos resíduos incinerados 42
Tabela 3.4: exemplo 1 de balanço de energia e massa de incineração com alimentação
definida de residuos: caso de aplicação Tetracloroetileno (principal resíduo)
43
Tabela 3.5: exemplo 2 de balanço de energia e massa de incineração com alimentação
definida de residuos: caso de aplicação Enxofre (principal resíduo)
44
Tabela 3.6: resultados do estudo de caso I – tetracloroetileno 52
Tabela 3.7: resultados do estudo de caso II - caso enxofre 53
Tabela 3.8: comparativo dos resultados de temperatura calculado x obtido em processo –
caso tetracloroetileno
53
Tabela 3.9: comparativo dos resultados de temperatura calculado x obtido em processo –
caso enxofre
54
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Diagrama de blocos de um processo típico de incineração 1
Figura 2.1 Câmara de combustão fixa 8
Figura 2.2 Sistema de incineração com recuperação de calor 9
Figura 2.3 Câmara de combustão do incinerador de injeção líquida 17
Figura 2.4 Sistema de tubulação para transporte e injeção de líquidos 19
Figura 2.5 Câmara de combustão com leito fluidizado 24
Figura 2.6 Forno rotativo e câmara de pós-combustão 29
Figura 2.7 Vários sistemas de injeção de chama em forno rotativo 31
Figura 3.2 : Tela de CLP com controle de temperatura e combustão 55
Figura 3.3: Tratamento dos gases efluentes do incinerador 56
Figura 3.4: Vista geral do sistema de incineração 57
ix
NOMENCLATURA
√θ = Raiz quadrada do ângulo
cp – calor específico em kg/kg ° C
cp
cz
– calor específico das cinzas em kg/kg ° C
D= diâmetro interno em ft
Di= diâmetro interno do forno em mm
F= 1,0 – função de acumulação do leito de sólidos
H = calor latente de vaporização, kcal/kg
H
pci
= calor de combustão, kcal/kg
L= comprimento do Forno, ft
m- fluxo mássico em kg/h
m
a
– massa de água de combustão – kg/h
m
ag
–massa de água contaminada alimentada ao sistema, kg/h
m
ars
– massa de umidade presente no resíduo, kg/h
m
cz
– massa das cinzas efluentes, kg/h
m
il
–massa de inflamável líquido alimentado ao sistema, kg/h
m
r
– massa de resíduo total alimentado ao processo, kg/h
m
rg
– massa de resíduo geral alimentado, kg/h
m
rpl
– massa de resíduo plástico alimentado, kg/h
N – velocidade de rotação , rpm
PCIg- poder calorífico inferior do gás natural, kcal/m
3
Q – taxa de calor sensível, kcal/h
Q
ac
– poder calorífico da água contaminada, kcal/kg
Q
GN
- poder calorífico do gás natural, kcal/kg
Q
il
– poder calorífico do inflamável líquido, kcal/kg
Q
rg
– poder calorífico do resíduo geral, kcal/kg
Q
rpl
– poder calorífico do resíduo plástico, kcal/kg
Q
aevp—
taxa de calor cedido para evaporação da água de combustão, kcal/h
Q
ars
– taxa de calor cedido para evaporação da água presente no resíduo, kcal/h
Q
comb
– taxa de calor de combustão do gás natural, kcal/h
x
Q
cz
– taxa de calor devido às cinzas efluentes, kcal/h
Q
rad
– taxa de calor perdido por radiação, kcal/h
Q
tdis
– taxa de calor total dissipado, perdido, kcal/h
Q
tdisp
– taxa de calor total disponível, kcal/h
S – ângulo do forno, graus
T – temperatura -°C
Te- temperatura de entrada dos resíduos - ºC
Tf
cpc
– temperatura da câmara de combustão- ° C
Tf
r
– temperatura do forno rotativo- ° C
T
r
- tempo de residência em minutos
T
rf
- tempo de residência em segundos no forno rotativo em segundos.
V
GN
- volume de gás natural em m
3
/ h
V
GP
- vazão de gás de processo, Nm
3
/h
V
GPm
- vazão de gás de processo em massa, kg /h
∆T- diferença de temperatura
θ − ângulo dinâmico, graus da horizontal
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 IMPORTÂNCIA E ABRANGÊNCIA DOS INCINERADORES
A incineração é um processo de engenharia que emprega decomposição térmica via oxidação
térmica à alta temperatura (usualmente 900°C ou maior) para destruir a fração orgânica do
resíduo e reduzir o volume. Uma sinopse das principais etapas envolvidas no processo está
mostrada na figura 1.1.
Figura 1.1 – Diagrama de blocos de um processo típico de incineração
2
Geralmente, resíduos combustíveis ou resíduos com conteúdo significativo de orgânicos são
considerados os candidatos mais apropriados à incineração. Tecnicamente, contudo, qualquer
resíduo que contenha uma fração orgânica perigosa, não importando quão pequena seja essa
parcela, é um candidato funcional para a incineração. Por exemplo, quantidades significativas de
água contaminada foram incineradas nos Estados Unidos no começo dos anos 80 (Vogel et al.,
1983). Solos contaminados também estão sendo incinerados com freqüência. Environmental
Protection Agency (EPA), por exemplo, empregou um incinerador móvel para descontaminar 40
toneladas de solo do Missouri, que havia contaminado com 2 kg de compostos de dioxinas
cloradas (Tejada, 1985).
Diferentes tecnologias de incineração têm sido desenvolvidas para tratar os vários tipos e formas
físicas de resíduos perigosos. Os quatro projetos mais comuns de incineradores são os de injeção
líquida, às vezes combinado com incineração de gases e vapores, fornos rotativos, câmara fixa e
os de leito fluidizado.
O processo de seleção e projeto de sistemas de incineração de resíduos perigosos pode ser muito
complexo. Felizmente, existe uma experiência considerável na manufatura industrial e vários
guias úteis de projeto têm sido publicados (Brunner, 1991).
Atualmente, devido à sua abrangência nas aplicações, destaca-se cada vez mais a importância dos
processos de incineração de resíduos.
1.2 IMPORTÂNCIA DA COMPOSIÇÃO DE RESÍDUOS INCINERADOS
A composição das misturas alimentadas no incinerador é extremamente variável. Mas, por outro
lado, um balanceamento bem definido pode representar vantagens muito relevantes, tanto em
termos operacionais como econômicos.
No presente trabalho, será estudada uma composição de alimentação de resíduos com diferentes
características entre si, como poder calorífico, teores de enxofre, cloro, nitrogênio, flúor, metais e
diante da legislação existente, verificar se a vazão de resíduo alimentado no forno irá extrapolar o
máximo permitido pelo órgão ambiental, no caso deste estudo, a Cetesb. O objetivo deste
procedimento é garantir a eficiência da destruição, considerando as diferenças das características
dos resíduos alimentados, pois é justamente este balanceamento que irá permitir a eficiência e o
aumento da capacidade em termos de vazão mássica de alimentação.
3
1.3 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho visa estabelecer um sistema simples de cálculo dos valores das
variáveis mais importantes para acompanhar o processo de incineração bem como prever o
comportamento das temperaturas que serão atingidas, tanto no forno rotativo, quanto na câmara
de pós-combustão. Serão avaliados também o tempo de residência e as emissões dos principais
elementos de controle nos gases efluentes.
A metodologia desenvolvida será aplicada a um estudo de caso que envolve o incinerador
industrial da empresa Clariant, localizada na cidade de Suzano, estado de São Paulo.
Desta forma, o estudo tomará por base de um caso real de incineração, mostrando-se que é
possível, através de um ajuste adequado da alimentação, do monitoramento da temperatura no
forno e de um gerenciamento das emissões dos efluentes gasosos, conseguir aumentar a
capacidade de incineração, além de se garantir uma maior vida útil do equipamento. Os valores
típicos das temperaturas de operação são mantidos na faixa de 760 a 870°C. Requer-se ainda um
excesso de ar de 25 a 150% para que sejam satisfeitas as condições de queima e se garantir a
destruição integral dos resíduos. Por outro lado, o sistema refratário usado nas instalações
geralmente não suporta operar sob temperaturas acima de 1400
o
C, podendo causar o
descolamento dos tijolos. Com isso, graças a um controle mais apurado das condições
operacionais, principalmente da temperatura e do tempo de residência, a partir de um estudo da
melhor combinação dos resíduos alimentados, pode-se favorecer a maximização de uso do forno
sem danificá-lo, respeitando as emissões ambientais.
A metodologia desenvolvida no presente trabalho é relativamente simples de ser aplicada, pode
ser estendida para diferentes incineradores e serve como ferramenta de auxílio no gerenciamento
de um sistema de incineração de resíduos.
Dioxinas e furanos não serão consideradas no presente estudo, pois a sua formação e destruição
têm mecanismo específico e, portanto, constituem objeto de abordagem específica. As dioxinas e
furanos são membros de uma família de compostos conhecidos quimicamente por dibenzo-p-
dioxinas. Esta família caracteriza-se por ter três anéis, sendo dois anéis benzênicos interligados
por um par de átomos de oxigênio. Teoricamente, podem ocorrer de um a oito átomos de cloro
nas posições substituíveis da dioxina, de forma a possibilitar 75 possíveis congêneres de dioxinas
cloradas.
4
Os furanos são membros de uma família de compostos orgânicos conhecidos quimicamente
como dibenzofuranos. Eles têm estrutura similar às das dibenzo-p-dioxinas, exceto que os dois
anéis benzênicos são interligados por anel de cinco lados, contendo somente um átomo de
oxigênio.
Com exceção de padrões analíticos, as dioxinas e furanos não são fabricados intencionalmente.
Eles podem, contudo, ser gerados como subprodutos na fabricação de outros produtos químicos
(tais como alguns pesticidas) ou como um resultado da combustão incompleta ou da
recombinação de produtos exauridos na queima de misturas contendo certos compostos orgânicos
clorados (esta recombinação depende de fatores, tais como: temperatura variando entre 250°C e
400°C, presença de carbono, cloro, oxigênio, etc). Os limites permissíveis de emissões para
chaminés, específicos para dioxinas/furanos, são de 0,5 ng/m
3
TEQ (“total equivalent”) a 11% de
O
2
.
Então, devido aos aspectos muito específicos, o estudo das dioxinas e furanos não será
considerado no presente trabalho.
Os capítulos seguintes consistirão da Revisão Bibliográfica (Capítulo 2), onde serão apresentados
inicialmente um breve histórico do processo de incineração, a sua evolução no mundo, um
histórico e o panorama da incineração no Brasil. Em seguida, serão descritos os tipos de
incineradores mais utilizados, principalmente os de fornos rotativos. Ao final da Revisão
Bibliográfica, será feita uma discussão das variáveis de processo de incineração. No capítulo 3,
serão apresentados a metodologia de cálculo e o estudo de caso, com os respectivos dados de
entrada e resultados obtidos. No capítulo 4, será feita a discussão desses resultados e, por fim, no
capítulo 5, é apresentada uma sinopse com as considerações finais do trabalho.
5
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 HISTÓRICO
Purificação através de fogo é um conceito antigo, sendo que suas aplicações estão registradas nos
primeiros capítulos da história, desde citações na bíblia (Livro dos Reis, cap. 23:10) em que, nas
cercanias de Jerusalém, o entulho da cidade era queimado e o local utilizado para adoração de
deuses pagãos. Grupos nômades como o dos Beduínos com suas jornadas constantes de um local
a outro ignoravam as conseqüências do descarte de resíduos em locais abertos. Mesmo hoje em
dia, encontram-se, em comunidades desenvolvidas, pilhas de entulhos com odor desagradável.
Nos dias de hoje, inclusive nos Estados Unidos, o lixo é queimado em buracos ou sobre o solo.
Incluem-se aqui as queimadas de resíduos agrícolas e de resíduos domésticos em áreas rurais
(Hering e Greelly, 1921).
Na idade média foi introduzida uma inovação: “o vagão de fogo”. Foi o primeiro incinerador
móvel (Hering e Greelly, 1921), composto por um vagão retangular de madeira protegido
internamente por uma camada de argila. O vagão, puxado por cavalos, era transportado pelas ruas
e os moradores jogavam seus rejeitos dentro da “fogueira móvel”.
Hering e Greeley (1921) lembraram que o primeiro incinerador nos Estados Unidos foi
construído em 1885 na ilha do Governador em Nova York. Ainda em 1885, uma instalação
municipal foi construída em Allegheny City, no estado da Pennsylvania. Ambas as unidades
foram chamadas de crematório de lixo. Eles foram projetados para queimar lixo com carvão
como combustível auxiliar. As fornalhas operavam à baixa temperatura. Dificuldades freqüentes
eram causadas pela tentativa em reduzir os custos operacionais através da economia de
combustível auxiliar. O primeiro incinerador típico popularizado foi construído em 1887, em
Des Moines, no estado de Iowa . O lixo era lançado de uma parte superior até o final de uma
larga grelha horizontal onde era parcialmente seco, então era removido para um outro
compartimento onde era queimado. O combustível auxiliar era carvão ou óleo. Uma adaptação
desta fornalha foi construída em Ellwood, no estado de Indiana, em 1893. Uma variação deste
projeto foi construída em 1901 em Minneapolis. O resíduo era secado em uma caixa de aço,
suspensa sobre o fogo com circulação de água em tubos de aço. Camisa de aço com circulação de
água também era utilizada, para manter a temperatura baixa no equipamento, enquanto, no lado
do processo, a combustão ocorria à alta temperatura.
6
Este conceito de secar o lixo úmido antes da queima resultou em contínuo uso de grelha por
mais de 50 anos, cujo desenvolvimento mais detalhado será visto logo mais adiante, com os
respectivos desdobramentos das técnicas de secagem dos resíduos.
A incineração, como é conhecida atualmente, começou há cerca de 100 anos, quando o primeiro
incinerador de lixo doméstico foi instalado em Nottingham, na Inglaterra (Hering e Greelly,
1921). O uso da incineração nos Estados Unidos cresceu rapidamente a partir da primeira
instalação em Governor’s Island, Nova York, para mais de 200 unidades, em 1921. Muitos
incineradores apresentaram falhas devido à deficiência no projeto, operação inadequada e uso
insuficiente de combustível auxiliar.
Uma pequena instalação para queima de lixo foi incorporada ao sistema de geração de vapor em
Nova York, em 1903, seguida por duas de escala industrial, em 1906.
Um projeto inglês com capacidade de 300 toneladas por dia operava em 1910, em Milwaukee.
Naquela época, as instalações eram alimentadas manualmente, mas sistemas mecânicos foram
desenvolvidos de 1910 a 1920 e implementados nas unidades de Savannah, Atlanta e Toronto.
Todos os incineradores desse período foram montados com sistemas de caldeiras para geração de
vapor. O período de 1920 a 1950 apresentou o desenvolvimento gradual de alimentação de
carvão automático, o que conduziu à evolução de quatro modelos específicos. Um é uma
modificação da fornalha hemisférica, alimentada diretamente acima do centro da fornalha para
uma câmara circular, com ar frio e roletes de ferro fundido comum. Os braços rotativos agitam o
material, expondo as superfícies do material e permitindo que pequenos pedaços e cinzas caiam
pela grelha para o coletor de cinzas. Dois destes incineradores foram desenvolvidos com
capacidade de 100 a 200 ton/dia. Este tipo de incinerador tornou-se comum entre 1940 e 1955.
Um segundo modelo é uma modificação de câmara múltipla. Trata-se de uma grelha na forma de
um vertedouro. O mecanismo da unidade usada consiste na parcial rotação da seção longitudinal,
começando da grelha desde o topo até a parte baixa, sendo o material revolvido e expondo, então,
mais a superfície dos materiais em incineração até o fundo da grelha. Uma das vantagens para
este modelo é que o material recentemente carregado não está separado por paredes em várias
câmaras, melhorando portanto a sua exposição à chama.
O terceiro tipo tem uma grelha móvel. Ao longo do equipamento, uma parte estreita da fornalha
com uma cinta sem fim conduz os resíduos do ponto de alimentação à descarga final, onde o
resíduo cai em cascata ao coletor de cinzas, usualmente uma banheira com água. Neste projeto,
os resíduos não são misturados enquanto queimam.(Hering, 1925)
7
O quarto projeto foi trazido da Europa para os Estados Unidos quando um forno rotativo foi
construído em Atlanta, Geórgia, em 1925. Este projeto possui uma câmara rotativa onde o
resíduo é misturado durante a queima, facilitando o processo, e as cinzas são recolhidas por baixo
do forno. Este forno obteve sucesso na operação, produzindo vapor para aquecimento de prédios
no centro de Atlanta. Uma instalação similar foi abandonada em Los Angeles, no estado da
Califórnia, por excesso de geração de cinzas.
As primeiras unidades eram operadas por batelada e mal operadas. Até os anos 50, os
incineradores e seus odores característicos e fumaças eram aceitos como um mal necessário e a
operação conduzida da forma mais econômica possível. Com o abandono do conceito da fumaça
como sinal de desenvolvimento e o surgimento das regulamentações para poluição do ar, os
sistemas começaram a melhorar sensivelmente a partir dos anos 60/70 (Corey, 1969). Estas
melhorias incluíram a alimentação contínua, o controle de combustão, o uso de câmaras fixas e
múltiplas de combustão (ver figura 2.1), projetos para recuperação de energia (ver figura 2.2) e
equipamentos para o controle da poluição do ar (Cross e Hesketh, 1985).
8
Figura 2.1 - Câmara de combustão Fixa
9
Figura 2.2 - Sistema de incineração com recuperação de calor
10
2.2 HISTÓRIA DA INCINERAÇÃO DO BRASIL
O primeiro incinerador municipal no Brasil foi instalado em 1896, em Manaus para processar 60
toneladas por dia de lixo doméstico, tendo sido desativado somente em 1958 por problemas de
manutenção (Lima, 1991). Um equipamento similar foi instalado em Belém e desativado em
1978 pelos mesmos motivos. Em 1913, foi instalado em São Paulo, no Araçá, um incinerador
com capacidade de 40 ton/dia, tendo sido desativado em 1948 e demolido em 1953. Em 1949, foi
instalado em Pinheiros, na cidade de São Paulo, um incinerador para 200 ton/dia, que foi
desativado em 1990. Dois outros foram também instalados em São Paulo, ambos com capacidade
de 300 ton/dia. Em 1959, foi instalado o incinerador de Ponte Pequena e em 1968, o do
Vergueiro. Estes equipamentos encontram-se paralisados no momento. Todas estas instalações
contaram com tecnologias de gerações hoje ultrapassadas, conforme abordado mais adiante, não
tendo a capacidade de atender às exigências das leis ambientais atuais.
Em 1994, foi lançado um mega-projeto, também em São Paulo, para a construção de dois novos
incineradores de grande capacidade, cada um com 2500 toneladas por dia (Demajorovic, 1994).
Existem também mobilizações da opinião pública através de entidades ambientalistas, que
desconhecendo as tecnologias atuais e as garantias de não poluição do meio ambiente, fazem
forte pressão contrária. Enquanto isso, o volume de lixo sem destinação adequada cresce
assustadoramente (ABES , 1998).
Faz parte também da história da incineração a proliferação de incineradores residenciais prediais,
ocorrida no Rio de Janeiro, a partir de 1950, com o surgimento da construção de prédios de vários
andares. Estes incineradores foram banidos em 1969/1970 porque eram, em realidade,
verdadeiras “caixas” de queimar, sem controle.
A partir de 1970, foi iniciada a fase de implantação de incineradores especificamente
desenvolvidos para o tratamento de resíduos especiais, tais como: aeroportuários, hospitalares,
industriais e outros perigosos. Nesta fase, entre outros, foram instalados os incineradores das
indústrias químicas: Ciba, Basf, Clariant, Bayer, Cetrel, Cinal, aeroportos internacionais de
Guarulhos e Rio de janeiro, Banco Central e em várias Prefeituras, como a de Brasília. Dados da
Cetesb afirmam que o Brasil gera cerca de 2,7 milhões de toneladas de resíduos perigosos (Dia a
Dia, 1999). Entretanto, muitos técnicos afirmam que o valor real deve ser muito maior que este,
considerando-se as dificuldades em se realizarem os levantamentos precisos de geração destes
resíduos e mais complexo ainda é o conhecimento dos resíduos estocados, considerados passivos
ambientais.
11
A incineração no Brasil ainda se caracteriza pela existência de grande quantidade de
incineradores de porte muito pequeno, instalados em hospitais, casas de saúde, por todo o Brasil.
São equipamentos muito simples, com capacidades inferiores a 100 kg/h. A grande maioria
destes, com algumas exceções, está hoje desativada ou incinerando de forma precária, em geral
com emissões fora de padrão bastante elevadas. A razão principal para tanto é que estes
equipamentos são geralmente mal operados e mantidos de forma inadequada. Isto se deve ao fato
de que existe o conceito de que trabalhar com lixo é castigo, punição, sendo que as instituições
mandam os funcionários com menor qualificação para este tipo de trabalho e dão a mínima
atenção ao treinamento e reposição de peças.
2.3 INCINERAÇÃO NO BRASIL
Primeiramente, deve-se ressaltar que, devido ao uso indevido de equipamentos, obsoletos ou
devido à operação e manutenção inadequadas destes, o processo de incineração no Brasil ganhou
o conceito e imagem de poluidor, nocivo à saúde e prejudicial ao meio ambiente (Amaral, 2000).
Esta imagem tem influenciado negativamente nas avaliações e tomadas de decisões que
envolvem o tratamento e a disposição de resíduos sólidos, líquidos e pastosos, resultando muitas
vezes em posicionamentos que excluem a utilização da incineração em qualquer nível ou estágio
de avaliação. Entretanto, sob vários aspectos, a incineração constitui o processo mais adequado
para a solução ambientalmente segura de problemas de disposição final de resíduos.
Entretanto, em países desenvolvidos como Alemanha, Japão, Suíça, EUA, este conceito foi
revertido e muitas unidades foram construídas recentemente, além do que outras estão em
construção, principalmente para a geração de energia. Esta reversão se deu principalmente nos
últimos cinco anos, com o avanço das tecnologias de depuração dos gases e dos controles “on
line”, por computador, de todas as emissões gasosas e líquidas. Nestes últimos anos, a maioria
das instalações de tratamento de gases nas principais fábricas naqueles países foi substituída e
hoje atende integralmente às mais exigentes normas de proteção ambiental e a operação destas
tem sido, muitas vezes, acompanhada de perto pela comunidade local.
Em países como o Brasil, onde a tecnologia atual tem sido pouco discutida e várias fábricas
existentes ainda não foram integralmente atualizadas tecnologicamente, a imagem de poluição
perdura, o que tem provocado a quase exclusão deste processo, de significativa importância, nas
propostas de sistemas de Gerenciamento Integrado de Resíduos Sólidos (GIRS) e reciclagem de
12
energia. Em consulta a Cetesb, praticamente não existe solicitação de novos incineradores,
principalmente por parte de municípios.
Atualmente, o programa de reciclagem tem sido cada vez mais difundido e aplicado. Mas, por
outro lado, os resíduos remanescentes dessa operação constituem os que realmente não têm outra
opção de destinação (embora em peso menor) e a incineração se torna a sua opção de descarte.
Com isso, o tratamento por incineração representa um aliado muito importante da reciclagem,
formando, com esta, um programa integrado (Atkins, 1993).
Um conceito que tem sido cada vez mais difundido na análise de Gerenciamento Integrado de
Resíduos Sólidos é o de levar para aterro os “resíduos últimos”. A noção de resíduos últimos foi
introduzida por Lei em 13 de julho de 1992, na França, e tem sido referida por vários autores,
como Campos (1999). Ele cita que “resíduo último é aquele que não é mais passível de
tratamento, nas condições técnicas e econômicas do momento, principalmente para a extração da
parte valiosa do mesmo, ou até para reduzir o seu caráter poluente ou perigoso”. Este conceito,
como balizamento para os resíduos a serem aterrados, tem incrementado a tendência mundial de
aumentar a utilização da incineração, como um recurso eficaz para ultimar os resíduos e reciclar a
energia neles contida.
A tabela 2.1 apresenta alguns dos principais incineradores em operação no Brasil e as suas
características principais.
Tabela 2.1 - Características de alguns dos principais incineradores instalados no Brasil
Instalação Projeto/
Tecnologia
Tipo Capacidade
(ton/ano)
Resíduos
Processados
Tratamento
de Gases
BASF
Guaratinguetá/
SP
Inter-Ude Rotativo 2.700 RSLP
Exceto ascaréis
Lavadores
Ácidos/alcalinos
Tribel
Belfort
Roxo/RJ
Inter-Ude Rotativo 3.200 RSLP
Incluindo
Difenilas polic.
Lavadores
Ácidos/alcalinos,
Separador de gotículas
13
CETREL
Camaçari/BA
Sulzer Rotativo 10.000 Resíduos Líquidos
Organoclorados
Lavadores
Ácidos/alcalinos
CETREL
Camaçari/BA
Andersen
2000
Rotativo 4.500 Resíduos
Sólidos Classe I
Coletor de pó ciclone, lavadores ácido e
alcalino
Essencis
Taboão da
Serra/SP
Inter-Ude Rotativo 3.200 Resíduo Industrial
org.e inorg.
Lavadores
Ácidos/alcalinos,
Demister e ciclone
Instalação Projeto/
Tecnologia
Tipo Capacidade
(ton/ano)
Resíduos
Processados
Tratamento
de Gases
CINAL
Marechal
Deodoro/AL
CBC/Nittet
u
Chemical
Câmara
horizontal c/
leito
reciprocante
11.500 RSLP incl.
PCB e organoclorados
Lavadores
Ácidos/alcalinos
Clariant
Suzano/SP
Inter-Ude Rotativo 2.700 RSLP Lavadores
Ácidos/alcalinos
ELI LILLY
Cosmópolis/SP
Inter-Ude Rotativo 10.400 RSLP Lavadores
Ácidos/alcalinos
KOMPAC
Fortaleza- CE
Kompac Câmara
horizontal
com leito
reciprocante
10.950 RSLP Lavadores
Ácidos/alcalinos
Rhodia Rhone Rotativo 18.000 RSLP Lavadores
14
Cubatão/SP
Poulanc
Ácidos/alcalinos
Rhodia
Cubatão/SP
Hoval Leito fixo
pirolítico
3.600 Resíduos de serviço
de saúde
Lavadores
Ácidos/alcalinos
2.4 - A EVOLUÇÃO DA INCINERAÇÃO NO MUNDO
Além da análise da incineração no Brasil, é importante conhecer um pouco da evolução do
processo em âmbito mundial, que pode ser caracterizada através de gerações ou estágios de
desenvolvimento dos sistemas de incineração (Menezes, 1999).
1ª Geração – 1950 – 1965:
Anteriormente a 1950, as instalações existentes eram demasiadamente incipientes,
caracterizando-se como um primeiro estágio de evolução somente aquelas instaladas de 1950 a
1965. Nesta fase, a função única era ainda de reduzir o volume do lixo. Os gases eram
descarregados diretamente na atmosfera sem tratamento algum. Apareceram aí as primeiras torres
de água de refrigeração instaladas sobre a câmara de combustão. A concentração de poeira
atingia níveis de 1000 mg/ Nm
3
(os sistemas mais modernos atingem atualmente até 3 mg/Nm
3
).
As principais unidades desta geração foram as de Lausanne (1959), Berna (1954), Bruxelas
(1957) .
2ª Geração – 1965 – 1975:
Nesta época, apareceram os primeiros sistemas de proteção do meio ambiente, que reduziram as
emissões a 100 mg/Nm
3
. Aparecem também os incineradores com câmara dupla, cujo objetivo
era melhorar a eficiência de queima. Surgem os primeiros interesses em recuperação de energia
para a sua geração e os sistemas de grande capacidade. É fundada a empresa Babcock com
sistema de grelhas rolantes.
3ª Geração – 1975 – 1990:
A fase de 75 a 90 é caracterizada, no mundo desenvolvido, pelo aumento do desempenho
energético e desenvolvimento das normas de proteção ambiental. O público começa a estar mais
15
atento aos problemas de poluição. Aparece a introdução dos sistemas complexos de lavagem
de gases para reduzir as emissões de gases ácidos, com a neutralização de HCl, SO
x
, HF e metais
pesados. Além da melhoria das caldeiras, há a melhoria nos processos de combustão dos
orgânicos. A automação passa a ser centralizada. Multiplicam-se os centros de tratamento com
co-geração de energia.
4ª Geração – 1990 – atual:
Ampliam-se as pressões dos chamados “movimentos verdes”. O tratamento de gases é sofisticado
ainda mais, perseguindo a meta de “emissão zero”. Avançam os sistemas para a remoção de
outros poluentes como NO
x
, dioxinas e furanos. São desenvolvidas as tecnologias avançadas de
tratamento para a produção de resíduos finais inertes, que podem ser reciclados ou dispostos sem
nenhum problema para o meio ambiente, tal como o uso de plasma térmico. Vários processos
estão se sofisticando atualmente no pré-tratamento do lixo, anterior à incineração, para aumentar
a sua homogeneização, baixar a umidade e melhorar o poder calorífico, de tal forma a
transformá-lo em um combustível de qualidade para a máxima geração de energia. Sofisticam-se
também os processos de combustão com o aumento dos sistemas de turbilhonamento, que
consiste na mistura adequada dos gases de processo com o ar necessário à combustão, secagem,
ignição e controle de combustão.
A tabela 2.2 apresenta a evolução do tratamento de resíduos sólidos na Alemanha ao longo do
tempo e a tabela 2.3 mostra o elevado percentual de resíduos sólidos urbanos que têm sido
processados por incineração nos países desenvolvidos, bem como a recuperação de energia. Hoje
vários países, como Suíça e Japão, já projetam para breve atingir um índice superior a 90% no
processamento de seus resíduos, em unidades de tratamento térmico.
Tabela 2.2 - Tendências do tratamento térmico de resíduos sólidos na Alemanha
Ano Nº de
unidades
Capacidade de
processamento
1000 t/dia
Nº de pessoas servidas Capacidade
média por
unidade (t/dia)
1000
habitantes
% da
população
1980 42 6343 17730 28,9 151
16
1995 52 10870 24300 30 209
1998 54 11900 32400 40 225
2000 63 13933 48600 60 222
Tabela 2.3 – Uso de incineração nos países desenvolvidos
País População
(milhões)
Geração de
lixo (10
6
mil
ton/ano)
Nº de
incineradores
Relação entre
material
incinerado e
gerado (%)
Recuperação de
energia
(%)
Suíça 7 2,9 29 80 80%
Japão 123 44,5 1893 72 90%
Dinamarca 5 2,6 32 65 100%
Suécia 9 2,7 21 59 100%
França 56 18,5 100 41 68%
Holanda 15 7,1 9 39 50%
Alemanha 61 40,5 51 30 Sem informação
Itália 58 15,6 51 17 30%
EUA 248 180 168 19 75%
Espanha 38 11,8 21 15 24%
Reino Unido
57 35 7 5 25%
Lima, 1994
2.5 TIPOS DE INCINERADORES
Diferentes tecnologias de incineração têm sido desenvolvidas para tratar os vários tipos e formas
físicas de resíduos perigosos. Os quatros projetos mais comuns de incineradores são os de injeção
líquida (ver a figura 2.3), às vezes combinado com incineração de gases e vapores, fornos
rotativos, câmara fixa e os de leito fluidizado.
17
O processo de seleção e projeto de sistemas de incineração de resíduos perigosos pode ser
muito complexo. Felizmente, existe uma experiência considerável na manufatura industrial e
vários guias úteis de projeto têm sido publicados (Cross, Hesketh, 1985). Assim, embora um
exame detalhado dos princípios de projeto esteja além dos objetivos deste trabalho, uma revisão
geral dos aspectos mais relevantes dos sistemas de incineração e dos fatores mais importantes
poderá ser útil no entendimento da operação e das emissões dos processos de destruição térmica.
Figura 2.3 - Câmara de combustão do incinerador de injeção líquida.
Os quatro principais sub-sistemas incorporados em um sistema de incineração de resíduos
perigosos são: 1- preparação e alimentação do resíduo, 2- câmara de combustão, 3- controle dos
poluentes atmosféricos e 4- manuseio da cinza do resíduo. A ordem usual destes subsistemas é
mostrada na figura 1.1 (ver item 1.1), junto com as opções típicas de componentes do processo. A
seleção da combinação apropriada destes componentes é, em princípio, uma função das
propriedades físicas e químicas dos resíduos a serem incinerados.
1- Preparação e Alimentação de Resíduos: A forma física do resíduo determina o método
adequado de alimentação (US EPA,1981). Líquidos são misturados e bombeados para
dentro das câmaras de combustão através de bicos de pulverização (sprays) ou via
18
queimadores atomizadores especialmente projetados (ver figura 2.4). Resíduos
contendo sólidos em suspensão podem necessitar de uma filtragem, para se evitar o
entupimento dos bicos sprays, ou aberturas no atomizador. Embora uma combustão auto-
sustentada seja possível com resíduos com poder calorífico acima de 2200 kcal/kg
(Dempsey e Oppelt, 1993), os resíduos líquidos são preparados para se obter um poder
calorífico de no mínimo 4400 kcal/kg, sempre que possível. Para incineração dos resíduos
com poderes caloríficos menores, normalmente pode ser requerido combustível
suplementar. A mistura (blending) dos resíduos pode ser feita antes que estes sejam
alimentados à câmara de combustão ou usando-se bicos sprays separados para os
diferentes tipos de resíduos, sendo que, neste caso, a mistura ocorre dentro da câmara de
combustão. A mistura de resíduos também é usada para se controlar o teor de cloro do
resíduo alimentado no incinerador. Resíduos com um teor de cloro de 70% ou mais
podem ser incinerados em incineradores especialmente projetados (Ackerman, Mc
Gaughey, Wagoner, 1983) (figura 2.4). A mistura também pode promover um melhor
controle da combustão e limitar o potencial de formação periódica de altas concentrações
de cloro livre nos gases de combustão. A tabela 2.4 apresenta um resumo da
aplicabilidade dos tipos de incineradores.
19
Figura 2.4 – Sistema de tubulação para transporte e injeção de líquidos
Os lodos são, em geral, alimentados, usando-se bombas de cavidade progressiva e lanças
resfriadas com água. Parte dos resíduos sólidos podem requerer uma fragmentação para
controle do tamanho de partícula. Eles podem ser alimentados na câmara de combustão
através de empurradores, por gravidade, alimentadores pneumáticos, alimentadores
vibratórios, de rosca sem fim ou correia de alimentação. Resíduos em contêineres são
usualmente alimentados por gravidade ou empurradores.
2- Câmaras de Combustão: A forma física do resíduo e o seu teor de cinzas determinam o
tipo de câmara de combustão a ser selecionado. A tabela 2.4 contém as considerações
gerais de seleção para os quatro principais projetos de câmaras de combustão em função
20
das diferentes formas de resíduos (US EPA, 1981). A maioria dos sistemas de
incineração tem seus nomes derivados do tipo de câmara de combustão empregado.
Tabela 2.4 - Aplicabilidade dos principais tipos de incineradores (US EPA, 1981).
Injeção
Líquida
Forno
Rotativo
Câmara
Fixa
Leito
Fluidizado
Sólidos
Granulares, homogêneo X X X
Irregular, bruto(pellets, etc) X X X
Baixo ponto de fusão
(alcatrões, etc)
X X X X
Compostos Orgânicos com
constituintes de cinzas
fundíveis
X X X
Material não preparado,
volumoso, material a granel
X X X
Gases
Vapores orgânicos X X X X
Líquidos
Resíduos aquosos com alta
carga de orgânicos
X X X X
Líquidos orgânicos X X X X
Injeção
Líquida
Forno
Rotativo
Câmara
Fixa
Leito
Fluidizado
Sólidos Líquidos
Resíduo contendo
compostos aromáticos
halogenados (mínimo de
1204º C)
X X X X
Lodo aquoso orgânico X X X X
21
Os incineradores de injeção líquida ou câmaras de combustão são aplicáveis quase que
exclusivamente para resíduos líquidos bombeáveis. Essas unidades (figura 2.1, 2.2, 2.3) são em
geral cilindros simples, revestidos internamente de refratários (verticais ou horizontais) e
equipados com um ou mais queimadores. Os resíduos líquidos são injetados através desses
queimadores, atomizados em pequenas gotículas e queimados em suspensão. Os queimadores,
assim como os bicos sprays separados de injeção de resíduos, podem estar direcionados
axialmente, radialmente ou tangencialmente em relação à chama. Uma melhor utilização do
espaço de combustão e taxas maiores de liberação de calor, contudo, podem ser alcançadas com a
utilização de queimadores ciclônicos ou vórtex, ou ainda, projetos envolvendo entrada tangencial
(Kiang, 1977).
A qualidade da atomização é o ponto crítico para se alcançar alta eficiência de destruição em
combustores líquidos. Bicos sprays têm sido desenvolvidos para produzir névoas com diâmetros
de partículas pequenas, de até 1 µ (Kiang, 1982), que são bem menores, se comparadas com as
originados pelos queimadores de óleo típicos, que produzem gotículas na faixa de 10 a 50 µm
(Reed, 1981). A atomização pode ser obtida com ar ou vapor à baixa pressão (0,068 a 0,68 bar),
ar ou vapor à alta pressão (1,72 a 6,81 bar), ou meios mecânicos (hidráulicos) que usam orifícios
especialmente projetados (1,72 a 31450 bar).
Os incineradores de injeção líquida vertical são os preferidos quando os resíduos contêm alto teor
de sais inorgânicos e de cinzas fundíveis, enquanto que os horizontais podem ser usados com
resíduos com baixo teor de cinzas. No passado, a capacidade típica dos incineradores de injeção
líquida era de aproximadamente 7,6 10
6
kcal/h de calor liberado. Atualmente, as unidades com
capacidade de até 52 x 10
6
kcal/h
estão em operação. Nos Estados Unidos, fornos rotativos têm
sido projetados para uma capacidade de liberação de calor de até 37,7 x 10
6
kcal/h, mas, na
média, os valores típicos estão em torno de 15 x 10
6
kcal/h (Dempsey e Oppelt, 1993).
Os incineradores de fornos rotativos são os mais versáteis, devido ao fato de serem aplicáveis à
destruição de resíduos sólidos, lamas e resíduos em contêineres, assim como os líquidos. Devido
a isto, estas unidades estão freqüentemente incorporadas em projetos de sistemas de incineração
comerciais e utilizadas na recuperação de áreas de “superfunds”. O forno rotativo é um cilindro
horizontal revestido internamente com refratários, montado com uma pequena inclinação. A
rotação do forno induz o transporte do resíduo através do forno e melhora a mistura do resíduo a
ser queimado. O resíduo pode ser transportado tanto concorrente quanto em contracorrente em
22
relação ao fluxo de gás. O tempo de residência dos resíduos no forno é geralmente de 0,5 a 1,5
horas (Rovaglio, 1998). O controle deste tempo de residência dos sólidos é feito pela velocidade
rotacional do forno (tipicamente de 0,5 a 1,0 rpm), pela taxa de alimentação de resíduos e,
algumas vezes, pela inclusão de barreiras internas (chicanas) para retardar o movimento do
resíduo através do forno. A taxa de alimentação é também usada para ajustar o limite da
quantidade de resíduo que esteja sendo processado no forno para quase 20% do volume do forno.
A função primária do forno é converter os resíduos sólidos em gases, processo este que ocorre
através de uma série de volatilizações, destilação destrutiva e reações parciais de combustão.
Contudo, para completar as reações de combustão da fase gasosa, é necessário um pós
queimador. O pós queimador é ligado diretamente à extremidade de descarga do forno, de onde
os gases, saindo deste, são direcionados para a câmara de pós-queima. Em alguns dos sistemas
mais recentes, é instalado um ”ciclone quente” entre o forno e o pós queimador para remover
partículas sólidas que possam criar problemas de entupimento no pós-queimador. Os pós-
queimadores podem ser alinhados vertical ou horizontalmente e suas funções básicas têm os
mesmos princípios do incinerador de injeção líquida. De fato, várias unidades também incineram
resíduos líquidos perigosos através de queimadores separados dentro dos pós-queimadores. Tanto
o forno quanto o pós-queimador são, usualmente, equipados com sistema de queima de
combustível auxiliar para elevar e manter a temperatura de operação desejada. Algumas vezes,
certos operadores costumam queimar os resíduos líquidos no pós-queimador como uma medida
de controle de temperatura.
Como constitui o objeto do presente estudo, uma descrição mais pormenorizada deste tipo de
incineradores (forno rotativo) será apresentada no item 2.6.
Os incineradores de câmaras fixas, também chamados de ar controlado, incineradores pobres em
ar ou pirolíticos, representam a terceira tecnologia atualmente em uso na incineração de resíduos
perigosos. Estas unidades empregam processos de combustão de dois estágios, muito parecidos
com os fornos rotativos (ver figura 2.1). O resíduo é empurrado ou bombeado para dentro do
primeiro estágio, ou câmara primária, e queimado num ambiente que contenha cerca de 50 a 80%
do ar estequiométrico requerido para a combustão. Esta condição pobre em ar promove a
evaporação da maior parte da fração volátil pelo calor endotérmico provido pela oxidação da
fração de carbono fixo. A fumaça resultante dos produtos pirolíticos, que consistem,
principalmente, de metano, etano, e outros hidrocarbonetos, monóxido de carbono e dos produtos
de combustão, passa para o segundo estágio ou câmara secundária. Aí, ar adicional é injetado
23
para completar a combustão, a qual pode ocorrer espontaneamente ou pela adição de
combustíveis suplementares. As reações de combustão na câmara primária e as velocidades
turbulentas são mantidas em níveis baixos pelas condições pobres de ar para minimizar a
reentrada e arraste do particulado. Com a adição de ar secundário, o excesso de ar total para
incineradores de câmaras fixas está na faixa 100 a 200% (Dempsey e Oppelt, 1993).
As unidades de câmaras fixas tendem a ter capacidades menores que os incineradores de injeção
líquida ou de fornos rotativos, devido às limitações físicas do alimentador e ao transporte de
grandes quantidades de resíduos através da câmara de combustão. O custo de capital
relativamente baixo e o reduzido potencial de requisitos de controle de particulado fazem dos
incineradores de câmara fixa mais atraentes que os fornos rotativos, principalmente nas
instalações de pequeno porte dentro de fábricas.
Os leitos fluidizados têm servido, desde há muito tempo, às indústrias químicas como uma
operação unitária e têm sido usados para queimar lodos gerados pelos sistemas de tratamento de
esgotos municipais (ver figura 2.5). Este tipo de sistema de combustão começou apenas
recentemente a ser aplicado na incineração de resíduos perigosos. Os incineradores de leito
fluidizado podem ser do tipo circulante ou borbulhante (Rickman, Holder, Young, 1985). Os
dois tipos consistem em um vaso de combustão simples, revestido de refratários parcialmente
cheios com areia, alumina, carbonato de cálcio ou outro material semelhante. O ar de combustão
é suprido através de um distribuidor em forma de pratos, localizado na base do combustor,
conforme mostrado na figura 2.5, a uma taxa suficiente para fluidizar (leito borbulhante) ou
carrear o material do leito (leito circulante). No projeto de leito circulante, as velocidades do ar
são maiores e os sólidos são soprados para cima, separados em ciclones e daí retornam para a
câmara de combustão. As temperaturas de operação são normalmente mantidas na faixa de 760 a
870°C e requer-se um excesso de ar na faixa de 25 a 150 %.
24
Figura 2.5- Câmara de combustão com leito fluidizado
Os incineradores de leito fluidizado são primariamente utilizados para líquidos, lodos ou
materiais sólidos fragmentados, incluindo solos. Para permitir uma boa distribuição do resíduo
dentro do leito e remover os sólidos residuais do mesmo, todos os sólidos requerem em geral um
pré-peneiramento ou moagem para se obter um tamanho menor que 2 polegadas em diâmetro.
Incineradores de leito fluidizado oferecem elevadas razões de gás-sólido, altas eficiências de
25
transferência de calor, alta turbulência tanto na fase gasosa como na sólida, temperaturas
uniformes através do leito e o potencial para neutralização dos gases ácidos com cal, calcário ou
adição de carbonato. Os leitos fluidizados também têm uma capacidade potencial para
aglomeração de sólidos no leito, especialmente se sais estiverem presentes no resíduo alimentado.
Independentemente do tipo de incinerador selecionado, as propriedades químicas e
termodinâmicas dos resíduos determinam o tamanho da câmara de combustão e suas condições
operacionais: temperatura, excesso de ar, vazões, natureza do controle de poluentes atmosféricos
e sistemas de manuseio da cinza e resíduos. São necessários dados da composição elementar e
teor de água para se determinarem os requisitos do ar de combustão estequiométrico e para
predizer a vazão do gás de combustão e sua composição. Estes parâmetros são importantes na
determinação da temperatura de combustão, do tempo de residência, da eficiência da mistura de
resíduo/combustível/ar e do tipo e tamanho do equipamento de controle de poluentes
atmosféricos. É importante entender, contudo, que desvios significativos desses valores têm sido
observados na prática, sem prejudicar a destruição do resíduo e eficiência de remoção (Trenholm,
1985).
Um outro tipo de incinerador é o de Plasma Térmico. Quando um gás é aquecido a temperaturas
elevadas, há mudanças significativas em suas propriedades. A cerca de 2000°C, as moléculas do
gás começam a se dissociar em estado atômico. A 3000°C, os átomos são ionizados pela perda de
parte dos elétrons. Este gás ionizado é chamado de plasma. O gás sob o estado de plasma
apresenta boa condutividade elétrica e alta viscosidade, quando comparado a um gás no estado
normal (Grupo Kompac, 2005).
Um gerador de plasma é um dispositivo que transforma energia elétrica em calor transportado por
um gás. Com estes dispositivos, qualquer gás pode ser levado ao estado de plasma e o gás
utilizado pode ter participação significativa na reação. O fluxo de calor pode ser medido e
controlado e este fluxo pode ser utilizado para aquecer, gaseificar e promover reações químicas
em um reator acoplado à tocha de plasma. A eficiência de transformação de uma tocha de plasma
está em cerca de 85-90% da energia elétrica utilizada na geração do plasma. Temperaturas típicas
alcançadas por plasmas térmicos são da ordem de 15.000°C, embora temperaturas de até
50.000°C sejam possíveis.
Os principais atrativos do uso de plasma na decomposição térmica são:
• Elevadas temperaturas causam rápida e completa pirólise da substância orgânica, assim
como fundem e podem vitrificar certos resíduos inorgânicos;
26
• Alta densidade de energia possibilita a construção de reatores com menores dimensões
para as mesmas capacidades, também favorece a construção de equipamento móvel;
• O uso de energia elétrica reduz a vazão total de gás combustível, dessa forma resultando
em menores instalações para processamento dos gases efluentes e o grande número de
opções de gases para geração do plasma torna flexível o controle sobre os fatores
químicos do processo;
• Com menores instalações e alta densidade de energia, tempos de partida e paradas são
reduzidos;
• Favorece a pirólise de substâncias sensíveis à radiação ultravioleta, como os
organoclorados.
2.6 FUNCIONAMENTO DE UM INCINERADOR ROTATIVO
O forno rotativo é um cilindro revestido internamente com material refratário e é montado com
leve inclinação em relação ao plano horizontal. A rotação do forno provê o transporte do resíduo
através do forno e promove a mistura do resíduo com o ar de combustão. É aplicável para a
incineração de resíduos perigosos sólidos e líquidos (ver figura 2.6).
Os fornos podem ser projetados para cargas de 5 a 10% do volume interno, com o tempo de
residência relativamente pequeno, ou seja, menos de uma hora. Neste caso, não são usadas
chicanas. A transferência de calor desenvolve-se na parte carregada do forno. Numa primeira
etapa, a transferência de calor dá-se por radiação das paredes do forno. A relação de parede do
forno para superfície do leito aumenta com o decréscimo da carga no forno. Uma carga
parcialmente adequada, leve, resulta numa mistura melhor do leito, promovendo aquecimento do
leito.
Caso o tempo de residência requerido seja grande, maior que 1 hora, por exemplo, um sistema de
chicanas, constituído de anteparos convenientemente dispostos, pode ser instalado ao final do
forno, aumentando, com isso, o tempo de residência. Este tipo de recurso aumenta a carga no
forno, mas, por aplicação prática, não deve ultrapassar de 15 a 20% do volume interno do forno.
O tamanho das partículas resultantes deve ser avaliado para se ter uma previsão do
comportamento no gás de processo. O tamanho também influencia no tempo de residência e na
temperatura de processo.
27
O poder calorífico e a umidade do resíduo alimentado são fatores que influenciam diretamente
na quantidade de combustível e no volume do gás de processo. A umidade existente afeta o
comportamento do material na primeira etapa de incineração . Dependendo do teor de umidade,
pode ocorrer aglomeração de material, o que é indesejável.
Para uma dada taxa de produção, o tamanho do forno e a respectiva carga são funções da
densidade do material no processo.
O ângulo de repouso do material influi no tempo requerido para transportar o material através do
forno, influenciando, portanto, no tempo de residência.
Em suma, as seguintes características do material devem ser definidas para o planejamento da
incineração: composição química, calor específico, distribuição, poder calorífico, umidade,
densidade aparente, ângulo dinâmico de repouso.
O fluxo de material no forno rotativo é determinado pela inclinação do forno e velocidade de
rotação e pelas características do material, como já descritas acima. O forno instalado de modo
inclinado propicia que o leito de sólidos avance pelo forno pela ação da força da gravidade. Ao
girar o forno, o material quebra a superfície devido à inclinação e cai pela superfície inclinada,
promovendo a homogeneização do leito.
A inclinação de um forno varia normalmente de 0,02 m a 0,04 m por metro linear. Um aumento
na inclinação aumenta o fluxo de transporte de material no forno.
A velocidade de rotação varia de 0,5 a 1,5 rpm para as cargas mais pesadas e, para fornos menos
carregados, é de 1 a 3 rpm (Freeman,1989).
Pode-se fazer uma série de combinações de diâmetros e comprimentos de fornos, o que
influenciará no tempo de residência. Contudo, para resíduos sólidos, a aplicação da relação
comprimento versus diâmetro varia de 3 para 1 até 10 para 1 (Freeman,1989). Após a definição
das dimensões do forno, a velocidade do gás de processo pode então ser calculada.
A quantidade do gás de processo resulta da combustão, evaporação da água e outros produtos
gasosos de reações químicas. As perdas de calor por radiação devem ser consideradas na
avaliação do balanço térmico a fim de se garantir a temperatura de processo correta para o
processo.
Se o objetivo do processo é volatilizar orgânicos para subseqüente destruição na corrente gasosa,
o material a ser descontaminado é alimentado no mesmo lado do queimador de combustível do
28
forno: sólidos e gases fluem no mesmo sentido, ou seja, em fluxo paralelo concorrente. Esta
operação também é sugerida quando o material a ser processado contém inflamáveis ou quando a
reação química for exotérmica, pois assim resulta num tempo de residência maior para destruir
orgânicos (Freeman,1989).
Em situações onde quantidades significativas de água são evaporadas e reações endotérmicas
ocorrem, o fluxo contracorrente é recomendado, porque, neste caso, torna-se mais eficiente. O
forno é alimentado no lado oposto ao queimador. Sólidos e gases fluem em sentidos opostos.
Em adição aos comentários acima, seguem algumas considerações mecânicas, que merecem
atenção. A relação entre o diâmetro e o comprimento do forno determina quantos suportes serão
requeridos. Especificações para espessura das paredes do forno, virolas, rolamentos, suportes,
motores são definidas pela carga total do forno. O maior componente da carga do forno é o
revestimento refratário no forno.
O revestimento refratário é selecionado de modo a otimizar o capital aplicado e os custos de
operação. A função dos refratários de um forno é proteger o aço estrutural e minimizar as perdas
de calor por radiação. A potência requerida para girar o forno é função do seu peso, da velocidade
de rotação, do diâmetro do forno, comprimento e dimensões do sistema de tracionamento deste.
A selagem de um forno é uma tarefa importante e difícil. Uma operação eficiente de um forno
requer que a entrada de ar indesejado seja evitada com a montagem de um sistema eficiente e
adequadamente mantido. Ar em excesso pode gerar consumo excessivo de combustível e
prejudicar o controle do processo.
Após o processamento no forno rotativo, os gases ainda contêm orgânicos voláteis que precisam
ser incinerados, assim passam por uma câmara de pós-combustão (CPC), revestida por material
refratário e dimensionado de modo a garantir um tempo de residência de pelo menos 2 segundos
a uma temperatura média de 1200
o
C (Bébar, 2002). Um queimador adicional normalmente é
instalado para garantir a queima dos voláteis orgânicos presentes. Este equipamento pode ser
circular ou com seção quadrada e instalado na posição vertical.
Finalmente, os gases efluentes são tratados para remoção de materiais particulados, componentes
químicos, tais como SO
x
, NO
x
, CO, VOC (compostos orgânicos voláteis), cloro, metais etc. Usa-
se, em geral, uma bateria de ciclones, seguida de um sistema de lavagem de gases. A tecnologia
envolvida constitui estudos específicos.
29
Figura 2.6- Forno rotativo e câmara de pós -combustão
Os resíduos que podem ser incinerados num forno rotativo são: PCBs (bifenilas policloradas),
resíduos químicos (solventes, orgânicos, resinas, fármacos), lodos das estações de tratamento de
efluentes, entulhos, embalagens diversas de plásticos, lixo doméstico.
As principais vantagens do uso de um incinerador de forno rotativo são:
• Incinerar uma grande variedade de resíduos líquidos e sólidos,
• Incinerar materiais que passam pela fase de fusão,
• Capacidade independente para resíduos líquidos e sólidos,
• Possibilidade de alimentar tambores e barricas,
• Adaptável a vários mecanismos de alimentação,
• Caracterizado por alta turbulência e exposição ao ar de combustão dos resíduos sólidos,
30
• Remoção contínua de cinzas que não interfere com o processo de oxidação,
• Sem partes móveis dentro do forno,
• Adaptável ao uso de lavadores úmidos dos gases efluentes,
• O tempo de residência é adaptável aos componentes não voláteis pelo ajuste da
velocidade de rotação do forno,
• O resíduo pode ser alimentado diretamente, sem tratamentos prévios como pré-
aquecimento, mistura etc.,
• Os fornos podem trabalhar a até 1400°C, permitindo a destruição de compostos difíceis de
sofrer destruição térmica,
• Permite o ajuste da velocidade de rotação de um forno de acordo com as características
do resíduo em processo.
Em relação às desvantagens de um incinerador rotativo, citam-se:
• Alto custo de investimento,
• Na operação, deve ser tomado cuidado para prevenir a danificação do refratário,
• Material particulado pode ser conduzido para fora do forno sem combustão completa,
• Material esférico ou cilíndrico pode ser retirado sem sofrer combustão completa,
• O forno rotativo requer ar em excesso para compensar perdas em vazamentos em selos,
• Altas temperaturas podem danificar os mecanismos internos,
• Alta carga de material particulado,
• Eficiência térmica relativamente baixa em relação à de outros incineradores,
• Problemas de manutenção dos selos de vedação podem causar dificuldades na operação
do forno.
Um forno de incineração rotativo típico usado para destruição de resíduos perigosos inclui os
seguintes componentes: sistema de alimentação de resíduos, forno rotativo propriamente dito,
sistema de alimentação do combustível auxiliar, câmara de pós-combustão (CPC) e equipamentos
de controle de poluição,
As dimensões do forno variam conforme as condições de operação, com valores típicos de
comprimento em torno de 6 m e diâmetro de 3 m.
A temperatura de operação varia de 820°C a 1600°C. Por causa disso, os fornos são normalmente
revestidos com tijolos refratários e não têm partes metálicas expostas ao calor, podendo trabalhar
a altas temperaturas e apresentam baixa corrosão. O tempo de residência varia de alguns
31
segundos para os gases a algumas horas (resíduos sólidos). Pós-queimadores, normalmente
usados com fornos rotativos, são câmaras de combustão empregadas para destruir, por oxidação,
hidrocarbonetos gasosos não destruídos no incinerador. Há três tipos de CPC: chama direta,
térmico, e catalítico. Os de chama direta e térmico são similares, mas eles “destroem” os vapores
orgânicos por métodos diferentes. Uma porcentagem de vapores passa diretamente pela chama
numa unidade direta de queima. Numa unidade térmica, os vapores remanescentes numa
atmosfera oxidante de alta temperatura devem permanecer num tempo suficiente no forno para
completar as reações de oxidação. Equipamentos catalíticos podem ser incorporados para acelerar
as reações de oxidação. Podem ser usados para incineração de alguns resíduos líquidos, co-
incineração, pirólise quando alguns gases não são reciclados.
Figura 2.7- Vários sistemas de injeção de chama em fornos rotativos
2.7 VARIÁVEIS DE PROCESSO DE UM FORNO ROTATIVO
O sistema de operação de um forno rotativo deve considerar as seguintes variáveis, para avaliar a
performance e com respeito aos critérios de projeto do equipamento:
• Capacidade de transferência térmica do forno em kcal/m
2
/h/°C
• Tempo de retenção dos sólidos e tempo e temperatura requeridos para completa
destruição dos componentes indesejáveis
• Velocidade do gás de processo
• Vazamento de ar para dentro do sistema
• Temperatura excessiva
• Máxima temperatura admissível para o refratário
32
• Limitações mecânicas com respeito ao resíduo alimentado e sistema de retirada de
cinzas
• Perdas de calor
• Limites de operação
• vazão do gás de processo
Em relação ao incinerador utilizado no presente trabalho, quanto ao atendimento dos limites de
emissão (CONAMA 316, 2002) e garantia da performance, as seguintes condições devem ser
observadas e controladas durante o processo:
- Temperatura do forno rotativo (900°C no mínimo, pois está descrito na licença de
funcionamento)
- Vazão de gás natural para manutenção de temperatura no forno e na CPC
- Vazão de ar de combustão de ar dos queimadores de gás natural
- Vazão de ar secundário da câmara de combustão, no presente estudo, 600 Nm
3
/h mínimo.
- Temperatura na CPC (1250°C no máximo, por causa dos refratários)
- Concentração de oxigênio com no mínimo 5% e máximo de 20%, antes de passar para o
“quench”, etapa seguinte de incineração, que consiste na diminuição rápida da temperatura dos
gases.
- Concentração de monóxido de carbono, sendo o valor máximo permitido de 100 mg/Nm
3
, no
caso de ultrapassado este valor, intertravam-se as entradas de resíduos sólidos líquidos e sólidos a
fim de ajustar a concentração de saída
- Pressão interna do forno (-0,5 mbar a fim de se garantir a vedação de ar do incinerador para o
meio ambiente)
- Finalmente, temperatura dos gases efluentes enviados aos Equipamentos de Controle de
Poluição, vazão de água dos lavadores de gases e pH da água de lavagem, controlada entre 8,0 e
9,0 com solução aquosa de soda a 8%.
No presente estudo, constituem, como foco do estudo, as variáveis quanto à permissão dos
elementos que podem ser incinerados e devem satisfazer, se devidamente balanceados, as
restrições no controle do processo em termos de temperaturas e emissões.
Estimar o ponto ótimo da capacidade térmica de um incinerador, forno e CPC não é uma tarefa
tão simples. Um método de duas etapas para se determinar a capacidade pode ser empregado para
33
uma larga variedade de resíduos alimentados ao sistema. Integram este sistema atributos de
projeto, tais como balanços de energia e de massa.
Em geral, a capacidade nominal do sistema de incineração é determinada na etapa de incineração
no forno rotativo, comparando-se a capacidade de geração de calor e a capacidade de projeto do
forno.
Desta maneira, uma avaliação clara é necessária para prever a capacidade de tratamento, sendo
que balanços de energia e massa sozinhos “blindam” os critérios de avaliação de performance.
Avaliando-se em duas etapas, pode ser usado o seguinte critério: para um mix de resíduos
específico, pode-se obter uma referência da capacidade do equipamento, que é função da
composição de alimentação e da entalpia de combustão, sendo que este procedimento pode ser
referenciado para vários tipos de incineradores. Este método exemplificado a seguir considera
todas as variáveis relevantes de processo do ponto de vista térmico e em termos de balanço de
energia global.
A habilidade de estimar a capacidade de tratamento do incinerador permite ao operador do
sistema otimizar ou identificar alternativas de melhorias do ponto de vista ambiental e
operacional.
A performance do sistema, para uma dada condição de processo, depende dos seguintes fatores:
excesso de ar
vazão de gás de processo
balanço energético
balanço material, de onde podem ser desenvolvidas curvas de desempenho massa x
kcal/kg, por exemplo
Num segundo estágio, estas condições devem ser avaliadas em relação a outros aspectos:
capacidade de transferência de calor do forno
tempo de retenção de sólidos
velocidade dos gases
entradas de ar falso
temperatura
temperatura máxima do refratário
capacidade de alimentação de resíduos e extração das cinzas
perdas de calor
permissões limites de operação
34
O exemplo, a seguir, pode tornar mais claro o entendimento do exposto acima: para uma
determinada mistura de alimentação de resíduos, entender a avaliação de capacidade de um
incinerador, admitindo-se que os seguintes resíduos são alimentados a um dado forno (não é o
forno do presente estudo):
1. Sólidos: 1000 kg/h e 556 kcal/kg
2. Lodo de petróleo: 1000 kg/h e 1100 kcal/kg
3. Óleo residual: 500 kg/h e 8300 kcal/kg
Considerando-se uma alimentação total de 2,5 ton/h, a taxa total de calor liberado é de 5.806.000
kcal/h, sendo o calor por unidade de massa alimentada igual a 2322 kcal/kg. Não se alimenta
resíduo na câmara de pós combustão. Assim a capacidade total do sistema é igual à capacidade
do forno.
A capacidade real de tratamento do forno é definida pela aplicação dos fatores específicos
derivados da capacidade teórica e dos dados práticos da tabela 2.5 (ver a seguir), baseadas em
balanços térmicos e de massa, para uma faixa de composição de resíduos e capacidade calorífica.
(Zwayyed, 1998).
A capacidade nominal de alimentação de um forno é função dos valores do calor de combustão
dos componentes assim como do teor de umidade presente em cada um deles. A tabela 2.5 mostra
a variação da capacidade de um forno estudado por Zwayyed, 1998, de acordo com a umidade do
resíduo. Vale ressaltar que o valor da capacidade do forno nessa tabela pode alterar-se caso o
valor do poder calorífico for reduzido de 2000 para 1000 kcal/kg.
Tabela 2.5: Impacto do calor de combustão e umidade na capacidade teórica de um forno.
Umidade no Resíduo, %
Capacidade do Forno aumenta, ton/h
Porcentual alterado
25 18,0 121
20 11,8 119
15 12,3 117
10 8,5 116
5 7,8 114
0 5,2 106
35
Determinação da capacidade real de um forno para tratamento de resíduos: No exemplo, a
seguir, será apresentado o estudo de caso para um resíduo alimentado que tem baixo calor de
combustão, composto por 5,5% de matéria orgânica, 69,5% de cinzas e 25% de água e calor de
combustão de 555 kcal/kg.
Baseado nos dados fornecidos, é termodinamicamente possível processar 10,1 ton/h de um
resíduo de baixo poder calorífico a temperatura de 1100°C e cinzas a 900° C. Isto pode ser feito
mantendo-se um fluxo de gás de processo na CPC de 145700 m3/h (a 5,0% de oxigênio).
Impacto do tamanho do forno:
Para baixo poder calorífico, a função primária do forno é transferir calor ao resíduo. A uma taxa
de 10,1 ton/h, 2,5 ton/h de água devem ser evaporadas, 7,1 ton/h de cinzas serão aquecidas a
900°C para atingir destruição do resíduo e dos orgânicos presentes.
Supondo um forno revestido com diâmetro de 4,1 m e comprimento de 10,7 m e usando o resíduo
acima citado, ele tem capacidade suficiente de transferir calor para cumprir o que foi descrito até
agora. Admite-se que, com estas dimensões, um forno possa transferir 40688 kcal/h/ m
2
de área
do refratário do forno. A esta taxa, o forno transfere 5,6 x 10
6
kcal/h de calor. Para atender 10,1
ton/h, uma transferência de 2,05 x 10
6
kcal/h /h é preliminarmente requerida. Obviamente, um
forno destas dimensões oferece muito mais área de troca térmica do que a necessária para atingir
a taxa de alimentação citada, sendo que cada metro linear transfere 0,52 x 10
6
kcal/h. Assim, 2,8
m lineares de forno são requeridos para tratar o resíduo, os 7,9 m restantes podem se usados para
manter as cinzas à temperatura de processo e eliminar traços de orgânicos. A velocidade do gás
de processo é de 0,60 m/s, que é baixa para este tipo de processo. Para aquecer as cinzas de 100°
C para 900°C, 0,66 kcal x 10
6
kcal/h são requeridos, equivalentes a 1,3 m lineares de forno. Para
secar o resíduo, 3,9 m lineares são requeridos, sendo que os 2,0 restantes são usados para manter
as cinzas sob temperatura para remover os traços de orgânicos em aproximadamente 24 minutos,
conforme o estudo apresentado em Zwayyed, 1998.
Par um forno de mesmas dimensões, mas com alta taxa de calor (2000 kcal/h), é possível
alimentar 2,5 ton /h de resíduos nas condições de processo. Neste caso, o teor de umidade é
menor (10%). Baseando-se nas dimensões anteriores, o principal objetivo, neste caso, é avaliar a
velocidade do gás de processo, assim a capacidade de transferência é de 41285 kcal/h m
3
e a
velocidade de 0,6 m/s, valores muito baixos. Num forno rotativo típico, a velocidade varia de 0,6
a 6,0 m/s e estes valores são influenciados por vários fatores, tais como: tamanho de partícula,
36
densidade, turbulência, alta velocidade do gás. A 2 rpm de velocidade de rotação do forno, o
tempo de retenção é de aproximadamente 36 minutos, o que é satisfatório.
Em geral, o tempo de retenção varia de quase 0 a 60 minutos, quanto maior o tempo de retenção,
melhores as condições de destruição dos materiais orgânicos.
Para as mesmas condições acima, seja um sistema com as seguintes dimensões: 1,82 m de
diâmetro interno e 7,60 m de comprimento: 1,79 x 10
6
kcal/h de calor podem ser transferidos
pelos refratários para evaporar a água dos resíduos e aquecer as cinzas. Assim, o forno não será
capaz de tratar 10,1 ton/h de resíduos pela falta de área de troca de calor disponível. Pelas
considerações de troca de calor, 8,7 ton/h podem ser tratadas. Pode ser observado que 71.315
kcal/h são transferidos por metro linear do forno. Contudo, 8,8 m são necessários para secar e
aquecer o resíduo a 900°C; 2,43 m de comprimento adicionais são necessários para tratar o
resíduo na temperatura requerida.
37
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 ESCOPO Conforme mencionado anteriormente, o objetivo do presente trabalho consiste em
agrupar, numa única planilha, os dados, as especificações e as principais condições operacionais
de processo, relevantes quanto ao aspecto de processo e emissões conforme legislação em vigor.
A legislação a ser seguida é o Conama 316 , 2002.
Os elementos químicos a serem monitorados na incineração e seus respectivos valores de
controle são definidos na licença de funcionamento da Cetesb, sendo referenciado ao Conama
316, 2002, para uma dada instalação, pois os valores são definidos em função da capacidade do
sistema todo em destruir e tratar os gases efluentes. Para o sistema de incineração estudado no
presente trabalho (ver a sua descrição no item 3.2), devem ser atendidas as seguintes
especificações.
1- Elemento cloro: taxa de alimentação máxima = 50,0 kg/h
2- Elemento enxofre: taxa de alimentação máxima = 8,6 kg/h
3- Elemento nitrogênio: taxa de alimentação máxima = 18,0 kg/h
4- Elemento flúor: taxa de alimentação máxima = 0,50 kg/h
5- Metais das classes I, II ,III: vazão total das três classes = 27,0 g/h
6- A carga térmica total dos elementos envolvidos não deve ultrapassar de 2,75 Gcal/h, pois
se trata da capacidade limite do forno (dado de projeto)
Através do valor do item 6 e de outros dados de processo, pode-se estimar as temperaturas a
serem atingidas no forno e na câmara de pós-combustão (CPC) respectivamente. Estes cálculos e
a comparação dos resultados com os valores impostos pelas restrições de processo serão descritos
mais detalhadamente no próximo item. A estrutura de cálculo da planilha consiste nos seguintes
aspectos.
Na planilha, devem ser indicadas a quantidade de resíduo alimentada, em kg/h, e a respectiva
composição química, especificamente os elementos anteriormente citados para que se possa
apurar o montante de cada elemento alimentado por resíduo e efetuando-se a totalização deste
elemento proveniente de cada resíduo e a correspondente alimentação e comparando-se se ele não
ultrapassa os valores permissíveis da licença..
A temperatura no forno é obtida através de dados de PCI (poder calorífico inferior), umidade
presente, gerada por combustão, a perda de calor por radiação, vazão dos gases efluentes, entalpia
38
de combustão do gás natural para sustentação de temperatura (lembrando que a licença exige o
valor mínimo de 900ºC, podendo ser eventualmente desligado o queimador de gás natural, de
acordo com a temperatura num dado momento).
Um outro parâmetro relevante para a avaliação da eficácia do sistema é o tempo de residência dos
resíduos sólidos no forno assim como o dos gases efluentes; essa parte também será discutida a
seguir. Este valor é apenas informativo, não sendo parte integrante da planilha
3.2 DESCRIÇÃO DO INCINERADOR ESTUDADO
O incinerador ora em estudo está localizado na unidade industrial da empresa Clariant S. A.,
localizada em Suzano - SP e apresenta as seguintes características:
O forno rotativo apresenta revestimento de refratários à base de Al
2
O
3
, tem 6,0 m de
comprimento e 1,5 m de diâmetro interno, ângulo de inclinação de 3%, velocidade de rotação
entre 0,3 a 1,0 rpm. A câmara de pós-combustão (CPC) tem dimensões de 2,806 m x 1,806 m e
10,895 m de altura, com revestimento interno de refratário. O ar é propulsado por um exaustor
com 1300 mm de pressão estática e vazão máxima de 8600 Nm
3
/h e vazão média de 5500
Nm
3
/h. Um queimador de gás natural, com consumo médio de 32,0 Nm
3
/h, é usado para atingir a
temperatura mínima de 900°C no forno rotativo e mais complemento de ar secundário para
combustão dos resíduos de 600 Nm
3
/h. Na CPC, o consumo médio de gás natural é de 25,0
Nm
3
/h. A temperatura na CPC não deve ultrapassar de 1250°C para resguardar a sua parede de
tijolos refratários. Após a saída dos gases de combustão, estes são resfriados e passam por um
sistema de tratamento de gases. As cinzas como sub produto da incineração são retiradas
continuamente no final do forno rotativo. O forno não possui sistema de isolamento térmico,
permitindo-se assim a dissipação de calor gerado ao ambiente.
Os resíduos sólidos incinerados são tipicamente plásticos, fármacos, papelão, papéis, lixo em
geral, etc. Incluem-se ainda os resíduos líquidos inflamáveis, águas residuais contaminadas, além
de eventual gás residual, composto de hidrogênio, amônia , ar e umidade. A taxa de alimentação
dos resíduos é, em média, de 800 a 850 kg/h.
As condições de operação do incinerador estudado estão apresentadas na tabela 3.1.
39
Tabela 3.1: condições de operação do incinerador
Temperatura
forno
rotativo (ºC)
Temp
CPC
(ºC)
Rotação do
forno
(rpm)
Pressão
forno
(mbar)
Vazão gás
natural
(Nm
3
/h)
Limitantes : licença de
funcionamento por elemento
900 1250 0,5-1,0 -0,5 33,0 Cloro – Cl=20,0 kg/h
Enxofre – S=3,6 kg/h
Nitrogênio – N= 18,0
Fluor – F=0,50
Metais pesados classe I = 4,0
g/h
Metais pesados classe II = 5,4
g/h
Metais pesados classe III =
27,0 g/h
3.3 CARACTERIZAÇÃO DOS RESÍDUOS INCINERADOS
Os resíduos a serem incinerados são amostrados estatisticamente. Coletam-se em geral 10% das
embalagens de resíduos sólidos e, no caso de líquidos, faz-se uma amostra homogênea, através da
recirculação por bomba. Em seguida, os produtos são analisados no Laboratório da empresa
Clariant S. A., fazendo-se determinação do teor de cloro, nitrogênio, flúor, enxofre, além de
metais pesados, poder calorífico, umidade. As análises seguem as normas NBR10004 e ASTM. A
partir dos dados analisados, faz-se uma previsão da permissibilidade de alimentação em função
dos resultados obtidos, pois as licenças definem os limites de alimentação de concentração dos
elementos.
Para resíduos sólidos, os tempos típicos de residência no forno estudado são em torno de 6
minutos, estimados pela equação proposta por Freeman, 1989:
N
D
S
LF77,1
T
×
×
θ×××
=
, onde L =
40
comprimento do forno, D = diâmetro interno, S = inclinação do forno (em graus em relação ao
plano horizontal), N = rotação (em rpm), θ = ângulo de repouso do material (também expresso
em graus em relação ao plano horizontal).
Deve-se destacar que há casos em que este tempo mencionado poderá ser maior, dependendo das
condições de operação do forno e das suas dimensões.
Desta forma, conhece-se preliminarmente a possibilidade de alimentação individual do resíduo.
Posteriormente, estes dados serão transportados e balanceados na planilha geral onde se considera
o respectivo poder calorífico. As análises dos resíduos após caracterização são atualizadas
anualmente.
Os resíduos do presente estudo são divididos em quatro grupos:
1-Plásticos
2- Águas contaminadas
3- Líquidos inflamáveis
4- Resíduos “diversos” tais como resíduos de escritório, restos de processos de reatores, etc.
As características de cada grupo estão descritas na tabela 3.2 e posteriormente no balanço de
massa.
41
Tabela 3. 2- Exemplo de planilha de análise de resíduos
Determinação
Unidade
Resíduo
Plásticos
Água Cont
Lixo geral
Líquido inflam.
Água
%
3,5
98,6
4,5
2,72
PCI
kcal/kg
8350
ND
2800
4500
Cinzas
%
2,3
0,02
2,55
ND
Cloro
%
4,0
2,3
0,1
1,5
Fluor
mg/kg
0,17
0,8
0,2
ND
Enxofre
%
0,1
0,3
0,1
ND
Nitrogênio
%
0,09
ND
0,1
0,2
Cádmio
mg/kg
ND
ND
ND
1
Mercúrio
mg/kg
ND
ND
ND
5
Metais Pesados Classe 1 (*)
mg/kg
ND
ND
ND
6
Arsenio
mg/kg
ND
ND
ND
2
Cobalto
mg/kg
ND
ND
ND
160
Níquel
mg/kg
ND
ND
ND
132
Metais Pesados Classe 2 (*)
mg/kg
ND
ND
ND
294
Chumbo
mg/kg
ND
ND
ND
12
Cromo
mg/kg
ND
ND
ND
45
Cobre
mg/kg
3,6
ND
ND
58
Antimônio
mg/kg
9,0
ND
ND
2
Manganês
mg/kg
2,3
ND
ND
5300
Cianeto
mg/kg
ND
ND
ND
ND
Metais Pesados Classe 3 (*)
mg/kg
14,9
ND
ND
5417
Metais Pesados 1+2
mg/kg
ND
ND
ND
300
Metais Pesados 1+3
mg/kg
14,9
ND
ND
5423
Metais Pesados 2+3
mg/kg
14,9
ND
ND
5711
Metais Pesados 1 + 2 + 3
mg/kg
14,9
ND
ND
5717
3.4 BALANÇOS DE MASSA E DE ENERGIA
Inicialmente, através dos resultados de análise do resíduo feita em laboratório, obtém-se o poder
calorífico. Em seguida, deve-se verificar a composição química, notadamente os elementos
críticos já citados acima. No balanço de massa, o gás de processo tem papel importante, portanto
o calor específico deve ser conhecido. Outro fator importante é o teor de água presente no
42
sistema, umidade do ar introduzido e água de combustão gerada, portanto a fórmula básica dos
resíduos deve ser levantada, também. Na tabela 3.3, estão mostrados os valores típicos de uma
mistura alimentada no presente estudo.
Tabela 3.3: Descrição dos resíduos incinerados
análise unidade
resultado
Tetracloroetileno PCI kcal/kg
5781
cloro %
84,7
PEAD
PCI kcal/kg
10965
cinzas %
1,62
cloro %
1,16
solo
metais Classe I mg/kg
15
Uréia Técnica
N %
45
S %
0,07
PCI kcal/kg
2723
S %
99,5
Enxofre PCI
kcal/kg
2262
água %
0,04
PVC Cloro %
54
fluor mg/kg
65
S %
0,65
solo agua %
19,72
pci
kcal/kg
24
mn mg/kg
98,5
*PEAD = polietileno de alta densidade
Foram estudados dois casos na instalação industrial: no primeiro, o principal resíduo (o resíduo
em estudo, em termos de poder calorífico, portanto não necessariamente o de maior vazão
alimentada) é o tetracloroetileno e, no segundo, enxofre. Nas tabelas 3.4 e 3.5, estão apresentados
os respectivos balanços de energia desses dois casos.
Comparando-se as cargas térmicas totais na entrada e na saída do sistema, pode-se observar,
então, que há uma boa consistência nos balanços de energia nesses casos estudados.
43
Tabela 3.4: Exemplo 1 de balanço de energia e massa de incineração com alimentação definida
de residuos: caso de aplicação Tetracloroetileno (principal resíduo)
ENTRADAS
Taxa de
alimentação
(kg/h)
Poder calorífico
inferior (kJ/g)
Poder calorífico
inferior (kcal/kg)
Carga térmica
(kcal/h)
Tetracloroetileno 20,0 24,20 5781,38 115627,6
Solo 542,0 0,12 28,668 15538,06
PEAD 238,0 45,90 10985,51 2609791
Sub-total da
alimentação
800,0
Ar processo 8721,50
Gás natural 24,75 285384
TOTAL 9546 TOTAL 2,74 x 10
6
SAÍDAS
Taxa de
alimentação
(kg/h)
Poder calorífico
inferior (kJ/g)
Poder calorífico
inferior (kcal/kg)
Carga térmica
(kcal/h)
Perda por
radiação e
convecção
137000
Umidade do
resíduo
250 147276
cinzas 165 30625
Água combustão 401,26 328751
Gases efluentes 8730 2,14 x 10
6
TOTAL 9546 2,78 x 10
6
Nota: O gás natural só é usado no processo para ajuste eventual de temperatura.
44
Tabela 3.5: Exemplo 2 de balanço de energia e massa de incineração com alimentação definida
de residuos: caso de aplicação Enxofre (principal resíduo)
ENTRADAS
Taxa de
alimentação
(kg/h)
Poder calorífico
inferior (kJ/g)
Poder calorífico
inferior (kcal/kg)
Carga térmica
(kcal/h)
Enxofre 3,2 9,47 2262,38 7239,626
Solo 587,0 0,12 28,668 16828,12
PEAD 210,0 45,90 10985,51 2302757
Sub-total da
alimentação
800,2
Ar processo 7721,50
Gás natural 24,75 285384
TOTAL 8546 TOTAL 2,33 x 10
6
SAÍDAS
Taxa de
alimentação
(kg/h)
Poder calorífico
inferior (kJ/g)
Poder calorífico
inferior (kcal/kg)
Carga térmica
(kcal/h)
Perda por
radiação/onvecção
137000
Umidade residuo 250 147276
Cinzas residuais 165 328751
Água combustão 301 200000
Gases efluentes 7830 2,14 x 10
6
Total 8546 2,39 x 10
6
Nota: O gás natural só é usado no processo para ajuste eventual de temperatura
3.5 METODOLOGIA DE CÁLCULO
3.5.1 Composição e vazão dos resíduos na mistura da alimentação
45
Seja m
r
a vazão global de resíduos líquidos e sólidos, alimentados no forno rotativo (em kg/h).
Sejam x, y, z e w respectivamente as composições médias típicas (em %) de cada grupo presente
na mistura da alimentação, a saber: Resíduos plásticos, Resíduos “gerais” (incluindo-se fármacos,
lixo doméstico e diversos), Água contaminada e Líquidos inflamáveis.
Então, a vazão mássica de cada grupo de resíduos (em kg/h) será dada por:
Resíduos Plásticos :
(
)
=×
r
m
x
100
hkgm
rpl
/
,
(1)
Resíduos Gerais: hkgmm
y
rgr
/,
100
=×
(2)
Água contaminada:
(
)
hkgmm
z
agr
/,
100
=×
(3)
Inflamáveis líquidos:
(
)
hkgmm
w
ilr
/,
100
=×
(4)
TOTAL:
ilagrgrplr
mmmmm +++= (5)
3.5.2 Taxa de “Calor de Combustão”
Através do poder calorífico inferior (kcal/kg) de cada grupo de resíduo, determinado por análise
em laboratório, e da respectiva vazão na alimentação determinada anteriormente, pode-se estimar
a taxa de “calor bruto total” gerado no forno, conforme mostrado a seguir.
Resíduos Plásticos:
hkcalQhkgmkgkcalQ
rplrplrpl
/,/,/, =× (6)
Resíduos Gerais:
hkcalQhkgmkgkcalQ
rgrgrg
/,/,/, =×
(7)
Água contaminada: 0=
ag
Q (8)
Líquidos inflamáveis:
hkcalQhkgmkgkcalQ
ililil
/,/,/, =×
(9)
Gás Natural:
h/kcal,Qh/Nm,VNm/kcal,Q
il
3
GN
3
comb
=×
(10)
combilagrgrpl
QQQQQQtotal ++++=
(11)
3.5.3 “Perdas” de calor
Bonner, T.,1981 sugere que a taxa de calor dissipada ao ambiente por convecção e radiação é em
torno de 5 % da taxa do calor de combustão. Assim:
hkcalQhkcalQtotal
rad
/,05,0/, =×
(12)
Adotando-se o valor de 589,10 kcal/kg para o calor latente de vaporização da água, a taxa de
calor dissipado pela evaporação da umidade dos resíduos é dada por:
46
hkcalQkgkcalm
arsars
/,/10,589 =×
(13)
Além disso, ocorre evaporação da água formada na combustão. Essa quantidade é diferente
quando se queima gás natural ou um outro grupo de resíduos (plásticos, “resíduos gerais” ou
líquidos inflamáveis). A seguir, estão mostrados os cálculos correspondentes à carga térmica
envolvida para cada um desses casos de queima.
Para a combustão de gás natural, formam-se 1,58 kg de água/Nm
3
de gás natural. Com isso, a
taxa de calor dissipado pela evaporação dessa quantidade de água é de 1,58 x 33 Nm
3
/h
x 589,10
= 30715,0 kcal/h, para um consumo médio de gás de 33 Nm
3
/h
Analogamente, tem-se:
Plásticos (formam-se 1,28 kg de água/kg de plástico): 1,28 x m
rpl
x 589,10 =754,0 m
rpl
kcal/h
Resíduos gerais (forma-se 0,56 kg de água kg de resíduo, de acordo com os dados médios da
EPA): 0,56 x m
rg
x 589,10 = 329,9 m
rg
kcal/h
Líquidos inflamáveis (formam-se 1,048 kg de água/kg de resíduo): 1,048 x m
il
x 589,10 = 617,3
m
il
kcal/h
A taxa total de calor dissipado por evaporação da água formada na combustão é Q
aevp
.
Ainda no item de “perdas” de calor, há de se levar em conta a carga térmica referente às cinzas
que saem do sistema, dada por:
(
)
efrpczczcz
TTcmQ −××=
(14)
onde m
cz
é a vazão mássica das cinzas, c
pcz
o seu calor específico, T
fr
e T
e
as temperaturas do
forno e da entrada dos resíduos respectivamente.
Então, a taxa total das “perdas” de calor é de:
Radiação + Convecção: Q
rad
Evaporação de umidade
:
Q
ar
Evaporação de água de umidade: Q
aevp
Cinzas efluentes do sistema: Q
cz
TOTAL Q
td
Com isso, a taxa de calor “disponível” fica sendo de:
Q
D
= Q
total
- Q
td
(15)
47
3.5.4
Temperatura no forno rotativo
A temperatura no forno é de extrema importância na incineração, tanto em termos da destruição
dos contaminantes como na preservação da vida útil dos refratários usados. O valor dessa
temperatura (T
2
) é obtido através de:
GPm
Vgp
tdisp
12
cp
Q
TT
×
+=
ºC (16)
onde T
2
= temperatura média dos gases de combustão, emºC; T
1
= temperatura de entrada do
processo, em ºC; Q
tdip
= taxa de calor disponível, em kcal/h; cp
gp
= calor específico médio, em
kcal/ºC kg; V
m
= vazão mássica dos gases de combustão, em kg/h. A participação do gás natural
já foi citada anteriormente.
No caso:
hkgVV
mGPGP
/,
=×
ρ
(17)
sendo
V
GP
a vazão volumétrica dos gases efluentes, em Nm
3
/h e
ρ
GP
a
sua densidade, em kg/Nm
3
.
3.5.5 Temperatura na câmara de pós-combustão
Sendo V
GN
a vazão de gás natural (Nm
3
/h) e o seu poder calorífico à temperatura do forno
(kcal/Nm
3
), a carga térmica envolvida, em
kcal/h, será de
combGNGN
QxQV =
(18)
Assim
,
a temperatura na câmara de pós-combustão é dada por:
gpmgp
comb
Vcp
Q
TT
×
+=
23
(19)
onde V
gpm
= vazão mássica do gás de processo.
Nota-se que, por se tratar de um valor relativamente pequeno (em torno de 3%), não foi
considerada, nesse cálculo, a vazão do ar usado na combustão.
3.5.6 Tempo de residência dos resíduos sólidos
Um outro parâmetro de interesse é o do tempo de residência do resíduo sólido no forno,
estimado, segundo Freeman, (1989), através de:
N
D
S
LF77,1
T
×
×
×××
=
θ
(20)
48
onde T = tempo de residência (em min), F = função de acúmulo do leito de resíduos sólidos, L
= comprimento do forno (em ft), θ = ângulo dinâmico em relação a horizontal em graus, S =
ângulo de inclinação do forno rotativo em relação a horizontal em graus, D = diâmetro interno do
forno , em ft; N = velocidade de rotação do forno (em rpm).
3.5.7 Tempo de residência dos gases:
O tempo de residência dos gases deve ser calculado para a passagem pelo forno rotativo e pela
câmara de pós combustão.
No forno rotativo: vazão do gás de processo
=
V
GP
, m
3
/h, a temperatura T
2
e pressão atmosférica
absoluta local igual a 0,93 bar.
Diâmetro interno do forno: Di, em mm e
Comprimento do forno: L, em mm
Volume:
4
2
Di
V
×
=
π
, em m
3
(21)
Então, o tempo de residência dos gases no forno rotativo, em segundos, é dado por:
GP
V3600
Vfr
Trf =
, em segundo (22)
Na cpc: altura: h
cpc
m
Dimensões : largura l
1
em m x l
2
, volume= h
cpc
x l
1 x
x l
2
(23)
Vazão, V
GPcpc
, em m
3
/s
Com isso, o tempo de residência dos gases pela cpc fica sendo de:
GPcpc
cpc
cpc
V3600
V
Trf =
em segundo (24)
3.6 ESTUDO DE CASO
A seguir, será apresentado um estudo de caso típico, considerando valores obtidos em uma
unidade industrial típica, para as variáveis analisadas.
3.6.1 Vazão e composição dos resíduos:
A vazão mássica total de resíduos alimentados considerada é de 800 kg/h, compostos de líquidos
e sólidos, assim distribuídos de acordo com cada grupo:
49
Resíduos Plásticos : 30 % do total = 800 kg/h x 0,30 = 240 kg/h
Resíduos Gerais (Fármacos, lixo, diversos): 35 % do total= 800 kg/h x 0,35 = 280 kg/h
Água contaminada: 30 % do total = 800 kg/h x 0,30 = 240 kg/h
Inflamáveis líquidos: 5 % do total = 800 kg/h x 0,5 = 40 kg/h
TOTAL: 800 kg/h
3.6.2 Taxa de calor bruto gerado:
Resíduos Plásticos: 8350 kcal/kg x 240 kg/h = 2.004.000 kcal/h
Resíduos Gerais: 2800 kcal/kg x 280 kg/h = 784.000 kcal/h
Água contaminada: 0
Líquidos inflamáveis: 4500 kcal/kg x 40 kg/h = 180.000 kcal/h
Gás Natural: 6.000 Kcal/Nm
3
x 33 Nm
3
/h = 198.000 kcal/h
TOTAL 3.166.000 kcal/h
Comentário: usualmente o queimador de gás natural é desativado quando os resíduos alimentados
ao forno conseguem manter a temperatura mínima de operação (em torno de 900°C). Portanto, o
gás natural somente é usado quando da partida do forno ou após as paradas de manutenção.
3.6.3 Perdas de calor:
3.6.3.1 Perda ao ambiente por convecção e radiação
A taxa de calor perdido ao ambiente foi admitida igual a 5 % da carga térmica total, ou seja,
0,05 x 2.968.000 kcal/h = 148.400 kcal/h
3.6.3.2 Evaporação da umidade dos resíduos:
250 kg/h x 589,10 kcal/kg = 147.276 kcal/h
3.6.3.3 Evaporação da água de combustão:
Gás Natural (EPA)
Formam-se 1,58kg de água/Nm
3
de gás natural: 1,58 x 33 Nm
3
/h
x 589,10 = 30.715 kcal/h
Plásticos:
Formam-se 1,28 kg de água/kg de plástico: 1,28 x 240 x 589,10 = 180.971 kcal/h
Resíduos gerais
Forma-se 0,56 kg de água/kg de resíduo: 0,56 x 280 x 589,10 = 92.370 kcal/h
Líquidos inflamáveis:
50
Formam-se 1,048 kg de água/kg de resíduo : 1,048 x 40 x 589,10 = 24.695 kcal/h
Total de calor por evaporação: 328.751 kcal/h
3.6.4 Carga térmica devida a cinzas que saem do sistema:
h/kcal30625)25900(x21,0x7,167Q
=
−
=
Total das Perdas:
Radiação: 148.400 kcal/h
Evaporação de umidade:
147.276 kcal/h
Evaporação de água de umidade: 328.751 kcal/h
Cinzas efluentes do sistema: 30.625 kcal/h
TOTAL 655.052 kcal/h
Com isso, a taxa de calor total “disponível” é de:
2.968.000 kcal/h – 655.052 kcal/h = 2.312.948 kcal/h
3.6.5 Temperatura do forno rotativo:
A vazão dos gases efluentes considerada é de 8.613 Nm
3
/h, valor médio medido com densidade
ρ =
1,10 kg/ m
3
. Assim, tem-se:
V
GPm
= 1,10 x 8.613 = 9474,3kg/h
A temperatura no forno rotativo é dada por:
C
Ckgkcal
hkcal
CT º965
86001,1/26,0
/2312948
25
2
=
××°
+°=
Para se destruírem os componentes orgânicos, é necessário se atingir uma temperatura mínima,
que, no caso em estudo, é de 900°C. Dado o balanço acima, consideram-se as condições de
alimentação e vazão do processo adequadas.
3.6.6 Temperatura na câmara de pós-combustão:
Seja a vazão de gás natural = 28,0 Nm
3
/h, com poder calorífico a 963,9ºC = 5010 kcal/h. Com
isso, tem-se:
28,0 x 5010 kcal/h= 1.402.280kcal/h
51
A vazão do ar usado na combustão na câmara de pós-combustão é em torno de 200 Nm
3
/h, ou
seja, menos de 2,5 % em relação à vazão global, e, com isso, não será em conta na estimativa da
temperatura nesse equipamento.
Portanto, a temperatura na câmara de pós-combustão é dada por:
Cº1028
8600x1,1kgC/ºkcal26,0
h/kcal140280
Cº9,963T
3
=
×
+=
Nesta etapa, o objetivo é complementar e garantir a destruição dos resíduos, que se resume aos
gases efluentes do processo de combustão. Nesta etapa, os gases podem chegar à temperatura
mais alta. Para o arranjo dado, 1020° C é um bom valor, porque usualmente se evita ultrapassar
de 1100°C, por se correr o risco de se danificarem os refratários e ocorrer desperdício de energia,
pois a eficiência de destruição não sofre modificação.
3.6.7 Tempo de residência dos resíduos sólidos:
Conforme visto anteriormente, o tempo de residência dos resíduos sólidos no forno pode ser
estimado através de:
5,0521
200,177,1
××
×××
=
θ
T
min25,6
=
Dadas as condições do processo e do tamanho do incinerador, obtém-se um tempo médio de
residência dos resíduos sólidos de 6,25 min, o que é indicativo de um tempo de residência
relativamente baixo. Isto pode provocar, dependendo do resíduo sólido, um comprometimento da
eficiência da destruição do resíduo. Assim, os resíduos sólidos deverão ser avaliados quanto à
necessidade de tempo de residência, para sua destruição.
3.6.8 Tempo de residência dos gases
Forno rotativo: vazão dos gases = 8613 Nm
3
/h, convertida a 951,9ºC, fica sendo de 38628,4 m
3
/h
= 10,73 m
3
/s
Diâmetro interno do forno 1500 mm e L= 6050 mm, volume= 10,79 m3. Tempo de residência no
forno rotativo:
10,79 m
3
/ 10,73 m
3
/s=1,0 seg
Na cpc: altura: 10895 mm
Dimensões da câmara de pós-combustão: 2806 mm x 1806 mm volume: 55,21 m
3
52
Vazão (1008,8ºC): 40440 m
3
/h = 11,23 m
3
/s
Assim o tempo de residência dos gases na cpc é de: 55,21/11,23 = 4,9 s,
Total: 4,9 s + 1,0 s = 5,9 segundos de residência, o que está adequado (Zwayyed, 1998)
3.7 RESULTADOS OBTIDOS
Conforme mencionado em 3.4, foram estudados dois casos em escala industrial, com os
principais resíduos sendo tetracloroetileno e enxofre respectivamente. Nas tabelas 3.6 e 3.7, estão
mostrados os resultados obtidos experimentalmente para os dois casos estudados.
O esquema desse sistema de incineração está apresentado na figura 3.2, onde A210 representa o
forno rotativo de incineração e A310 é a câmara de pós-combustão (CPC). Na figura 3.3, consta o
esquema da instalação subseqüente à CPC (não faz parte do escopo do presente trabalho) e, na
figura 3.4, uma vista geral do sistema de incineração.
A adequação da mistura alimentada nos dois casos foi previamente verificada através da planilha
eletrônica desenvolvida no presente trabalho.
Tabela 3.6: resultados do estudo de caso I - tetracloroetileno
Taxa da
alimentação
(kg/h)
Vazão do
elemento
(kg/h)
S Cl MP*
F
Enxofre 3,2 3,0
Solo 587,0 0,1 0,06 0,046
PEAD 210,0 2,1
Observação:
atende a licença
Total dos
elementos
3,0 2,2 0,06 0,046
Entalpia total-
Gcal/h
2,32
Máximo
projeto: 2,75
* MP = metais pesados
53
Tabela 3.7: resultados do estudo de caso II - caso enxofre
Taxa da
alimentação
(kg/h)
Vazão do
elemento
(kg/h)
S Cl MP*
F N
Percloroetileno 25 20
Solo 542,0 0,06 0,046
0,27
PEAD 238,0 2,38
Observação:
atende a licença
Total dos
elementos
20 0,06 0,046
2,65
Entalpia total-
Gcal/h
2,76
Máximo
projeto: 2,75
* MP = metais pesados
Nas tabelas 3.8 e 3.9, estão apresentados os valores das temperaturas dos gases no forno e na
CPC, medidos nos dois ensaios, e previstos pelo presente modelo matemático, usando-se como
dados de entrada os valores desses ensaios realizados. Vale destacar que os medidores das
temperaturas dos gases são T12001 (no forno) e T13001 e 13002 (na CPC), conforme mostrados
na figura 3.2. A precisão desses medidores é de ± 1,5
o
C. Pode-se observar que há uma razoável
concordância entre os valores determinados pela planilha de cálculos implementada neste
trabalho e os medidos na instalação industrial (desvios menores que 10%). Ressalta-se que os
valores dessas temperaturas estão adequados em relação aos especificados pelo sistema de
incineração, tanto em termos da decomposição térmica dos resíduos como da proteção às paredes
de tijolos refratários.
Tabela 3.8: comparativo dos resultados de temperatura calculado x obtido em processo – caso
tetracloroetileno
Temperaturas ºC
calculada
medida
Forno CPC Forno CPC
991 1055 978 1023
54
Tabela 3.9: comparativo dos resultados de temperatura calculado x obtido em processo – caso
enxofre
Temperaturas ºC
calculada
medida
Forno CPC Forno CPC
1190 1254 1090 1198
55
Figura 3.2: Tela de CLP com controle de temperatura e combustão
56
Figura 3.3: Tratamento dos gases efluentes do incinerador
57
Figura 3.4 - Vista geral do sistema de incineração
58
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O escopo do presente trabalho é desenvolver uma planilha eletrônica com os principais dados de
entrada e saída de um sistema de incineração, para permitir um gerenciamento mais ágil e
conseqüente melhoria na capacidade de alimentação assim como uma composição mais adequada
dessa mistura introduzida no forno.
Nessa planilha (ver tabela 3.3), está descrita a composição química dos elementos críticos
definidos pela legislação ambiental vigente. Em seguida, em função da taxa de alimentação (em
kg/h) do elemento presente nas diversas correntes de resíduos da mistura alimentada no forno,
faz-se em seguida a soma pela coluna por elemento. Esse valor total é confrontado com o limite
máximo permissível, definido pela licença de operação do sistema. Caso o valor resultante na
mistura de alimentação ultrapasse o limite permitido, na planilha constará a informação dessa
anomalia.
A vazão de alimentação a ser considerada no processo de incineração é dada pelo valor mínimo
das taxas aceitáveis de acordo com o limite imposto por cada elemento crítico.
Nas colunas da planilha, está relacionado também o valor do poder calorífico inferior (PCI), em
kcal/kg, de cada resíduo alimentado. Este valor é obtido experimentalmente a partir dos
resultados de análise em laboratório. Assim, em função da vazão alimentada, obtém-se a taxa de
calor total gerado em Gcal/h. O forno tem uma capacidade pré-determinada em valor do projeto
para dissipação de calor. Então, deve ser feita a verificação entre esse limite nominal e o valor
calculado a partir das características da mistura alimentada.
Há também na planilha duas colunas onde constam os resultados obtidos dos balanços de massa e
de energia, referentes às temperaturas do forno rotativo (deve ser de no mínimo 900°C, para
garantir a degradação térmica dos resíduos) e da câmara de pós-combustão (limite máximo de
1250°C, por questões construtivas do equipamento).
Quanto aos outros elementos de emissão, tais como SO
x
, NO
x
, HCl , CO, CO
2
, serão mostrados
apenas como indicativos na planilha, sem uma preocupação precípua no seu controle, pois há
sistemas de tratamento subseqüente à incineração (como equipamentos para lavagem de gases) e
não constituem objeto de estudo proposto no presente trabalho.
Desta forma, com a planilha, pode-se definir as melhores condições de incineração,
considerando-se as propriedades de incineração de cada resíduo. Conjugados em balanços
59
entálpico e de massa, pode-se fazer um aproveitamento maior e melhor das condições de
incineração, permitindo-se uma adequação da capacidade de incineração em termos mássicos, e
respeitando concomitantemente as normas ambientais vigentes. Deve-se ter em conta que
processos de incineração controlada em condições adequadas não são baratos e o melhor
aproveitamento do equipamento pode viabilizar economicamente este processo sempre
questionado.
Tendo-se um planejamento da alimentação, tanto do ponto de vista químico quanto energético, é
possível manter o sistema, através de alimentação contínua dos resíduos, um amortecimento das
oscilações dos parâmetros de controle de processo. De fato, ao se implementar a presente
metodologia no gerenciamento de alimentação do incinerador industrial estudado, obteve-se um
aumento expressivo de capacidade (de 170 kg/h para 800 kg/h) devido a uma operação mais
estável e regular, sem interrupções freqüentes para ajustes. Convém destacar que a etapa
controladora da capacidade do sistema de incineração não se encontra nas operações
subseqüentes à câmara de pós-combustão.
Além das condições controladas de incineração, os gases efluentes também são exaustivamente
monitorados e a sua disposição e controle também é objeto de intensiva investigação com amplo
campo de pesquisa. Dados os cenários do desenvolvimento econômico mundial, a incineração é,
sem dúvida, um processo que deve ser considerado e estudado, pois, para respeitar o meio
ambiente, a técnica deve ser apurada.
60
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Incineração é um processo de engenharia que usa a decomposição térmica via oxidação para
converter um resíduo a um material menos tóxico ou não tóxico. O resíduo deve ser combustível
para incineração e o produto de combustão deve ser adequado à posterior disposição final. Duas
variáveis importantes para uma incineração apropriada são: tempo de residência no incinerador e
temperaturas de operação. Estas condições variam de acordo com a composição química do
resíduo, forma física e o tipo de incinerador.
A temperatura, tempo de residência, concentração de oxigênio, relação ar - resíduo são as
variáveis primárias que afetam a eficiência da combustão em qualquer tipo de incinerador. Por
outro lado, as melhores condições de operação são determinadas somente com base na
experiência prévia com o resíduo ou testes reais. Desta forma, o foco da avaliação está em se
saber se uma dada condição de operação pode ser atingida ou não, para se destruir um
determinado resíduo.
A completa destruição de um resíduo requer uma dada taxa de liberação de calor, suficientemente
alta para se atingir a temperatura acima do ponto de ignição dos constituintes do resíduo. Nos
casos em que os intermediários de combustão são mais estáveis que o resíduo original, maiores
temperaturas serão requeridas para a combustão completa .
Considerando-se que a transferência de calor e massa e que a oxidação requerem um intervalo de
tempo finito, a temperatura requerida deve ser avaliada em relação ao tempo proposto de
residência na câmara de combustão. A cinética da reação e os coeficientes de transferência
aumentam em função da temperatura, diminuindo assim o tempo de residência requerido.
Em sistemas de fornos rotativos e câmaras de pós-combustão para incineração de líquido, um
excesso de ar de 10 a 20% deve ser considerado. Para resíduos homogêneos e com queima
eficiente, pode-se considerar 5% de excesso de ar como adequado. Excesso de ar exagerado, por
outro lado, deve ser evitado porque pode gerar problemas no controle da chama.
Em se tratando de resíduos sólidos, um excesso de ar de 140 a 210% pode ser necessário,
dependendo da temperatura desejada ou do poder calorífico do resíduo. Para resíduos aquosos,
este excesso pode ser diminuído, contudo excessos menores que 100% podem não garantir uma
interação adequada ar/sólido.
Assim, pode ser adequado manter-se a câmara de pós- combustão a uma temperatura maior que a
do forno rotativo porque só resíduos líquidos ou gasosos são incinerados nesta parte do sistema.
61
Na avaliação da temperatura do sistema, os seguintes fatores devem ser analisados:
• a temperatura é suficientemente alta para volatilizar, oxidar parcialmente ou converter
todos os orgânicos do resíduo para o estado gasoso,
• A temperatura é adequada para tratar os resíduos sólidos em função do tempo de
residência,
• a temperatura da câmara de pós-combustão é suficientemente alta para aquecer todos os
resíduos volatilizados e intermediários de combustão acima da temperatura de ignição e
manter a combustão,
• A temperatura é adequada em relação a outras variáveis de processo,
• Em quais pontos a temperatura é monitorada.
Temperaturas em fornos rotativos podem chegar a 1600ºC, conforme indicações da literatura,
mas no caso estudado, a estrutura é para 1100ºC. Daí, há a necessidade do balanço térmico para
se verificar a temperatura a ser atingida, devido principalmente à dificuldade de se mensurar o
excesso real de ar envolvido no processo.
Quanto ao tempo de retenção do resíduo no incinerador, deve-se avaliar:
• Identificar o tempo de retenção dos sólidos.
• Este tempo de retenção é adequado com base na experiência ou dados de combustão.
• Estimar o tempo de retenção dos sólidos isoladamente.
• O tempo de retenção estipulado é viável de ser atingido.
• A relação da mistura ar/sólidos é função da velocidade de rotação do forno, para uma
dada velocidade dos gases praticamente constante. Se a velocidade de rotação aumenta, os
sólidos são conduzidos mais rapidamente ao longo do forno. Valores típicos de
velocidades de rotação variam de 0,3 m/min a 1,5 m/min.
• O tempo de retenção dos sólidos é afetado diretamente pela velocidade de rotação do
forno. Existe um ponto ótimo entre o tempo de retenção e a relação ar/sólidos. A relação é
melhorada pelo aumento da velocidade de rotação, mas o tempo de retenção dos sólidos é
reduzido. A mistura ar/sólidos é melhorada, também, pelo aumento do excesso de ar que,
por sua vez, pode-se reduzir a temperatura do forno. Assim, existe uma relação de
equilíbrio entre estas variáveis.
No presente trabalho, foi desenvolvida uma planilha eletrônica para o gerenciamento da
composição da mistura alimentada em um incinerador contínuo. O procedimento foi testado e
62
implementado numa unidade industrial, com resultados satisfatórios, conseguindo-se um
aumento significativo na capacidade do sistema de incineração (mais de 4,5 vezes).
63
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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