Métodos de Tratamento Químico e Poluentes Gasosos
Este artigo lança luz sobre os três principais métodos de tratamento químico utilizados para a purificação de poluentes gasosos. Os métodos são: 1. Incineração térmica 2. Incineração catalítica e 3. Bio-Oxidação.
Método nº 1. Incineração Térmica:
Dos três métodos utilizados para a oxidação de VOCs, a incineração térmica ocorre a cerca de 650 ° C ou temperatura mais alta, enquanto os outros são realizados a uma temperatura mais baixa. Para incineração, isto é, combustão de dois ingredientes, ou seja, uma substância combustível e oxigênio são necessários.
Os VOCs presentes em um fluxo de gases residuais constituem o componente combustível e o oxigênio do ar serve como o outro constituinte. Os principais produtos de um processo de combustão são CO 2, H 2 O. Algumas quantidades de NO x e SO x também são produzidas. Alguns compostos orgânicos também podem estar presentes na corrente de produto se o processo estiver incompleto.
Para conseguir a combustão completa, isto é, para a oxidação completa dos COVs (poluentes) é necessário fornecer ar em excesso (oxigénio) acima do necessário estequiometricamente, devido à mistura imperfeita dos ingredientes antes e durante a combustão. Para que o processo seja autossustentável, a mistura não deve ser muito pobre nem muito rica em relação aos componentes combustíveis. As composições limitantes são referidas como limites explosivos inferior e superior.
Entre esses limites, a combustão ocorre após a ignição, mas pode explodir se o processo não for controlado adequadamente. Os valores numéricos dos limites explosivos inferior e superior de uma mistura dependem das espécies de combustíveis presentes na mistura. No entanto, deve-se ter cuidado para que o teor de oxigênio na mistura nunca seja inferior a 15%.
O grau de conclusão de uma reação de combustão depende da temperatura, tempo de residência e turbulência na zona de combustão. Um menor grau de conclusão significaria a presença de compostos orgânicos não queimados (poluentes) no efluente tratado. A taxa de reação aumenta com o aumento da temperatura. Portanto, a uma temperatura mais alta, o tempo de permanência (na câmara de combustão) necessário para a combustão completa seria mais curto.
Em outras palavras, a uma temperatura mais alta, uma câmara menor faria o trabalho. Entretanto, para manter um combustível auxiliar de temperatura mais alta pode ser necessário, se os componentes combustíveis presentes na mistura não tiverem valor calórico suficiente. O valor calorífico de uma mistura depende da concentração das espécies combustíveis presentes na mistura.
Ao projetar um incinerador térmico, pode-se encontrar qualquer um dos três tipos de situações a seguir:
Tipo I:
O gás a ser tratado teria um poder calorífico suficiente e, portanto, nenhum combustível auxiliar seria necessário, mas o ar (oxigênio) teria que ser fornecido. Tal situação implica que a mistura teria uma composição acima do limite explosivo superior.
Tipo-II:
O gás não pode requerer nenhum combustível auxiliar nem ar, isto é, sua composição estaria entre os limites explosivos inferior e superior. Esse gás deve ser manuseado com cuidado, caso contrário, a chama pode voltar, ou seja, propagar-se de volta da câmara de combustão para a sua fonte.
Tipo-Ill:
O gás pode não ter um valor calorífico suficientemente alto para manter a temperatura desejada na câmara de combustão. Isto implica que a composição da mistura estaria abaixo do seu limite explosivo inferior. Para combustão de tal gás, um combustível auxiliar seria necessário para sustentar o processo de combustão.
A mistura de gás do tipo I teria um valor calorífico relativamente alto, portanto, pode ser utilizada como combustível. Pode ser incinerado em um forno de caldeira ou em um aquecedor de processo ou em uma câmara de combustão adequadamente projetada, com um arranjo para o fornecimento de quantidade adequada de ar. O equipamento básico necessário para a combustão de uma mistura de gás do tipo I é um queimador de baixo NOx.
No entanto, se não houver espaço para a utilização do calor produzido durante a incineração, a mistura de gases pode ser queimada, isto é, o processo de combustão é realizado em atmosfera aberta onde a turbulência atmosférica fornece oxigênio para combustão e promove a mistura. O dispositivo é referido como uma pilha de flare.
É uma pilha / chaminé na base da qual o gás é introduzido. O gás sobe pela pilha e, quando está prestes a emergir, encontra uma chama piloto. A chama do piloto é mantida com uma mistura de gás-ar de combustível pré-misturada. Ele é usado para inflamar a mistura de gás, bem como para ancorar a chama resultante. Os produtos de combustão, incluindo aqueles resultantes da combustão incompleta, são descarregados diretamente na atmosfera.
Os produtos de combustão podem incluir HC (hidrocarbonetos), CO e alguns produtos intermediários estáveis, tais como NO x, SO 2, HCI e partículas de carbono além de CO 2 e H 2 O. A eficiência de combustão pode ser melhorada pré-misturando o gás ser incinerado com ar e / ou injetando vapor próximo à chama, o que promoveria turbulência. O calor gerado durante a combustão é desperdiçado.
A principal consideração para uma seleção de local de queima e sua estimativa de altura de chaminé deve ser a segurança para o pessoal operacional da usina e o equipamento em torno do queimador de sua intensidade de calor radioativo. Um flare deve estar localizado em um local com espaço livre suficiente ao redor dele, para que um homem possa correr para a segurança do calor do flare, se necessário.
Para estimar a altura da chaminé deve-se considerar a intensidade máxima de calor radioativo à qual o equipamento de processo (particularmente tanques de armazenamento de petróleo bruto e frações de petróleo) ao redor da pilha pode ser submetido. O diâmetro de uma pilha deve ser calculado com base na vazão volumétrica máxima prevista da mistura de gases e sua velocidade de chama.
Os outros dados necessários para o cálculo da altura e diâmetro da pilha são a temperatura ambiente, o valor calorífico médio da mistura de VOC, o seu peso molecular médio, densidade e emissividade da chama e a velocidade média do vento na altura da pilha.
A Figura 4.16 mostra uma representação esquemática de um flare stack.
Deve-se salientar aqui que as chamas podem ser usadas apenas para fluxos de gases residuais concentrados de alto volume.
A mistura de gás Tipo II deve ser manuseada com cuidado, pois são misturas explosivas. Essa mistura deve ser diluída com ar ou com um gás inerte, de modo a reduzir a composição da mistura abaixo do seu limite explosivo inferior antes da incineração. Para incineração da mistura diluída, pode ser necessária alguma quantidade de combustível auxiliar.
Pode parecer paradoxal que uma mistura combustível seja diluída e depois incinerada com o auxílio de algum combustível suplementar. No entanto, do ponto de vista da segurança, torna-se imperativo. Se a mistura diluída é queimada em um forno de caldeira ou em um aquecedor de processo, nenhum combustível auxiliar seria necessário.
Se for planejado queimar a mistura de gás original sem diluição em um combustor, as seguintes precauções devem ser tomadas:
(a) Para a compressão da mistura antes de alimentar em um incinerador, um ejetor a jato de vapor deve ser usado. Dispositivos mecânicos não devem ser usados, pois o calor de fricção pode causar explosão.
(b) Para evitar a volta da chama de um incinerador, é necessário tomar as medidas listadas abaixo.
(i) Nos corta-chamas do gasoduto (que leva ao incinerador), como telas, devem ser instaladas placas perfuradas.
(ii) O diâmetro do tubo selecionado deve ser tal que a velocidade do gás através do tubo seja maior que a velocidade teórica da chama da mistura.
(iii) A mistura de gases deve passar através de um vaso de vedação.
O manuseamento e a incineração de misturas de gases do tipo III não representam um problema do ponto de vista da segurança. Para o grau desejado de destruição do combustível (poluente) presente em tal mistura de gás, ele deve ser injetado em uma câmara de combustão queimada com um combustível auxiliar e mantido na temperatura requerida. A turbulência adequada e a concentração de oxigênio devem ser mantidas no incinerador.
Um incinerador a ser utilizado para combustão de uma mistura gasosa do Tipo III pode ser uma caixa ou uma câmara cilíndrica numa extremidade da qual está localizado um queimador a gás ou a óleo. A mistura de gás a ser incinerada é introduzida perto do queimador de modo a que se misture facilmente com os produtos de combustão e atinja assim a temperatura requerida.
Os promotores de turbulência podem ser utilizados para provocar uma mistura rápida dos produtos de combustão e o gás a ser incinerado. A temperatura de autoignição de cada um dos poluentes presentes deve ser averiguada na literatura. A temperatura de operação do incinerador deve estar pelo menos algumas centenas de graus acima da temperatura de autoignição mais alta dos componentes presentes. O volume da câmara do incinerador (V) pode ser estimado aproximadamente usando a relação.
V = tx Q
onde Q = vazão volumétrica dos produtos de combustão na temperatura de operação, e t = tempo de permanência necessário no incinerador.
A cerca de 750 ° C, o tempo de permanência requerido pode ser de cerca de 0, 01 seg. Por volta de 650 ° C, o tempo de residência deve ser aumentado de 0, 01 seg a cerca de 0, 1 seg para alcançar o mesmo grau de destruição dos poluentes.
Método nº 2. Incineração catalítica:
A incineração catalítica é também um processo de oxidação semelhante à incineração térmica. No entanto, o processo ocorre a uma temperatura muito inferior à da incineração térmica. Consequentemente, a necessidade suplementar de combustível é menor. Os catalisadores utilizados são partículas sólidas ou como tal ou suportados em algum material cerâmico inerte.
Os reagentes e os produtos sendo gasosos, o processo ocorre através dos seguintes passos:
1. Difusão de poluentes e moléculas de oxigénio da fase gasosa para a superfície do catalisador,
2. Adsorção das moléculas reagentes na superfície do catalisador,
3. Reação das moléculas adsorvidas,
4. Dessorção das moléculas do produto da superfície do catalisador e, finalmente,
5. Difusão das moléculas do produto ao volume da fase gasosa.
Dois tipos de catalisadores são normalmente usados:
(i) metais nobres, tais como platina, paládio isoladamente ou em combinação, suportados em liga de níquel ou alumina ou cerâmica,
(ii) Metais básicos ou óxidos metálicos, tais como alumínio, cromo, cobalto, cobre, ferro, manganês, vanádio, zinco suportados ou não suportados.
O segundo tipo de catalisador é mais barato e fácil de preparar.
Suportes metálicos são geralmente na forma de uma fita na qual o catalisador é depositado. As fitas são então cravadas e formadas em uma esteira.
Os suportes cerâmicos podem estar na forma de pellets ou de uma estrutura em favo de mel.
O catalisador � algumas vezes misturado com uma subst�cia conhecida como promotor, que aumenta a actividade do catalisador modificando a estrutura cristalina e o tamanho do catalisador.
As propriedades desejadas de um catalisador são:
(i) alta atividade a baixa temperatura,
ii) estabilidade estrutural,
(iii) Resistência ao atrito e
(iv) Baixa queda de pressão no leito do catalisador.
A atividade do catalisador diminui frequentemente com o uso. Isso pode acontecer por causa de:
(1) Reacção química entre partículas de catalisador e algumas substâncias, tais como bismuto, arsénio, antimónio, zinco, chumbo, estanho, mercúrio, fósforo, halogéneos, etc., mesmo quando estas estão presentes em quantidades residuais nos gases residuais,
(2) Adsorção de alguns produtos químicos (quimissorção) na superfície do catalisador e
(3) Revestimento físico da superfície do catalisador com matéria de alcatrão.
Catalyst também sofre perda de atividade como resultado do envelhecimento. Isto pode ser devido a alterações na estrutura cristalina do metal (catalisador) por causa da erosão, vaporização e atrito. Normalmente, a vida útil do catalisador é de 3 a 5 anos.
Um incinerador catalítico pode consistir dos seguintes componentes / seções:
(1) seções de pré-aquecimento
(2) um queimador,
(3) uma câmara de mistura,
(4) um leito de catalisador,
(5) um soprador.
Um diagrama esquemático de um incinerador catalítico é mostrado na Fig. 4.17.
Um incinerador catalítico funciona da maneira descrita abaixo.
Uma corrente de gás que suporta o poluente pode ser pré-aquecida antes da alimentação da mesma na câmara de mistura. Na câmara de mistura, a corrente de gás é misturada com o gás de combustão quente do queimador, para que a mistura atinja a temperatura à qual a oxidação catalítica ocorreria. O objetivo do queimador seria produzir o calor necessário para manter a câmara de mistura e o leito de catalisador na temperatura desejada. O combustível pode ser um gás ou um óleo.
O leito de catalisador está disposto de tal modo que a corrente de afluência misturada com gás de combustão quente tem de passar através do leito e nenhuma porção pode contornar o leito. Deve ser montado na câmara de combustão para que o mesmo possa ser facilmente retirado para reativação ou substituição. Pode ser necessário instalar um soprador de modo a superar as perdas de pressão em diferentes seções do conjunto do incinerador.
A destruição completa dos poluentes presentes em um fluxo de gás residual é difícil de alcançar em um incinerador e pode não ser necessária. Destruição de 98 a 99 por cento pode reduzir a concentração de poluentes até o limite de emissão admissível. A maioria dos COVs na combustão completa produz CO 2 e H 2 O.
Algum monóxido de carbono também pode ser produzido devido à combustão incompleta. Alguns VOCs na incineração podem produzir poluentes como SO 2, SO 3, halogênios e compostos halogenados, como Cl 2, HCL. Pode ser necessário tratar o fluxo de exaustão do incinerador (para remover os poluentes acima mencionados) antes de sua disposição final.
Método # 3. Bio-Oxidação:
A bio-oxidação de um fluxo de gás contendo poluente pode ser realizada quando:
i) os poluentes presentes são biodegradáveis,
(ii) o fluxo não contém qualquer poluente tóxico para bactérias aeróbicas, e
(iii) O caudal volumétrico do fluxo não é alto.
Este processo é semelhante ao processo de combustão no sentido de que os principais produtos de oxidação seriam CO 2 e H 2 O. No entanto, o processo ocorre à temperatura ambiente e o calor desenvolvido é dissipado facilmente.
É realizado passando um fluxo de gás contendo poluente misturado com uma quantidade adequada de ar através de um leito de solo poroso pré-semeado com as espécies certas de micróbios aeróbicos. Os micróbios usam os COVs para sua atividade metabólica. O oxigênio necessário para esse fim é retirado do ar. O tamanho do leito deve ser tal que haja tempo de contato suficiente para atingir a extensão desejada de destruição de poluentes.
As principais vantagens deste processo sobre os processos de incineração são:
(i) Não é necessário combustível suplementar,
(ii) Nenhum equipamento de processo dispendioso é necessário, e
(iii) Muito pouca atenção deve ser dada para controlar o processo.
A principal desvantagem deste processo é que mais espaço na forma de volume de leito deve ser fornecido em comparação com o necessário para os processos de incineração.
