Uso de gás combustível na redução das emissões de NO x em processos industriais de combustão

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1 Uso de gás combustível na redução das emissões de NO x em processos industriais de combustão IPT Renato Vergnhanini Filho Instituto de Pesquisas Tecnólogicas do Estado de São Paulo Laboratório de Combustão e Gaseificação Agrupamento de Engenharia Térmica Divisão de Mecânica e Eletricidade vergnhan@ipt.br

2 1. Poluição atmosférica por processos industriais de combustão Material particulado (PM) Orgânico fuligem ( soot ), coque ( coke ) Inorgânico óxidos, sulfatos Compostos de enxofre (SO 2,SO 3 /H 2 SO 4 -SO x ) Monóxido de carbono (CO) Óxidos de nitrogênio (NO, NO 2, N 2 O - NO x ) Compostos orgânicos voláteis (VOCs) Outros mercaptanas, dioxinas e furanos, etc.

3 2. Poluição atmosférica por óxidos de nitrogênio Poluente primário - Efeitos no homem: NO reação c/ hemoglobina sangue NO 2 lesões pulmonares Contribui na formação de poluentes secundários: - Chuva ácida NO 2 + OH - NO + O NO 2 + OH - HNO 3 (H + + NO 3- )

4 - Oxidantes fotoquímicos: O 3, aldeídos, peróxidos... LUZ SOLAR NO x (ação catalítica) COMPOSTOS reações OXIDANTES ORGÂNICOS fotoquímicas FOTOQUÍMICOS SMOG VOLÁTEIS SMOG - Atmosfera resultante da exposição à luz do sol de alguns compostos orgânicos voláteis na presença de NO x.

5 - Ataque a camada de ozônio: CFCs clorofluorcarbonos NO NO + O Efeito estufa: CO 2 CH 4 N 2 O 1 x 25 x 250 x

6 3. Principais fontes antropogênicas de NO x Emissões de NO x a nível mundial combustão em fontes estacionárias fontes naturais combustão em fontes móveis [NO x ] atm. urbanas >>>> [NO x ] atm. rurais

7 4. Legislação atmosférica nacional Padrões de qualidade do ar: Determinam os valores limites legais para as concentrações de poluentes no meio ambiente - Resolução CONAMA n o 03 de 28/06/90 Padrões de emissão de poluentes: Determinam a quantidade máxima permissível de poluentes que pode ser emitida por uma determinada fonte poluidora - Não há padrão de emissão de NO x para fontes estacionárias de combustão - Foi recentemente constituído pelo Conama Grupo de Trabalho para esta finalidade

8 - No Paraná há legislação que incluiu o NO x : Combustão em caldeiras e fornos - [NO x ] em mg/nm 3 Potência Térmica MW Gás * Óleo * Combustível até Carvão, xisto, coque...** entre 10 e entre 50 e acima de * 3 % O 2 ** 7 % O 2

9 5. Mecanismos de formação de NO x em processos de combustão N ar + O 2 NO x Térmico NO ppm NO ppm Temperatura o C O2 %

10 N combustível + O 2 NO x Combustível NO ppm NO ppm 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 N combustível % O2 %

11 6. Técnicas de abatimento de NO x Técnicas aplicadas ao combustível Técnicas aplicadas aos gases de combustão Técnicas aplicadas ao processo de combustão Técnicas aplicadas ao combustível _ Redução do N do combustível

12 Técnicas aplicadas aos gases de combustão _ Adição de amônia aos gases de combustão (denitrificação): NO x + O 2 + NH 3 N 2 + H SNCR (selective noncatalytic reduction) T gases ~ 760 e 930 o C - SCR (selective catalytic reduction) T gases ~ 260 e 370 o C

13 Técnicas aplicadas ao processo _ Redução do excesso de ar _ Recirculação dos gases de combustão _ Redução da potência de operação _ Injeção de água ou vapor ( wet control ) _ Redução da temperatura de preaquecimento do ar _ Estagiamento da combustão ( wet control ) - Uso de queimadores de baixa emissão de NO x low NOx burner - Uso de combustível suplementar, em geral gás combustível requeima reburning

14 Low NOx burner Ar NOx Combustível 1 ário 2 ário 3 ário zona redutora zona oxidante

15 Reburning C n H m + NO x N 2 + CO Ar NO x Combustível principal principal zone (estequiom.) reburning zone (redutora) burnout zone (oxidante) Combustível suplementar (gás combustível) Ar suplementar

16 7. Projeto concluído recentemente pelo IPT que buscou estudar o emprego da técnica de requeima para a redução das emissões de NO x na queima de óleo combustível nacional * Parte experimental: Projeto, construção e teste na fornalha experimental do IPT de um sistema de requeima, utilizando gás natural como combustível suplementar, para a queima de óleo combustível Parte teórica: Elaboração de modelo cinético para as zonas de reburning e burnout * Financiado pela FINEP/FNDCT Programa CTPetro, Petrobras e FAPESP

17 Fornalha horizontal de testes do IPT

18 Fornalha c/ sistema de requeima instalado Óleo combustível tipo 4A Gás natural Ar suplementar

19 Detalhes do anel de injeção de gás natural

20 Trabalho experimental Principais parâmetros estabelecidos: Vazão de óleo combustível (tipo 4A) = 75 kg/h Potência liberada via gás natural = 14,2 % do total (~ 10 kg/h) Coeficientes de ar na fornalha (λ): - main zone : λ = 1,12 - reburning zone : λ =0,72 - burnout zone : λ = 2,78 Principal resultado: Redução de 65 % na emissão de NO x, sem detrimento na qualidade da combustão não foram observadas variações nas emissões de CO e material particulado

21 800 Resultado trabalho experimental W W acima 100 W Queima convencional Redução de 65 % 200 Requeima Queima convencional Requeima 0 óxidos de nitrogênio ppm vol. 0% O 2 material particulado mg/nm 3 0% O 2

22 Trabalho teórico Desenvolvimento de um modelo cinético inicial constituído de 514 reações e 68 espécies e validado com dados de literatura para requeima com metano. Desenvolvimento de um modelo cinético reduzido constituído de 347 reações e 58 espécies utilizando o código SENKIN do pacote de programas cinéticos CHEMKIN-III. Simulação das zonas de reburning e burnout utilizando o modelo cinético reduzido na queima de óleo e empregando gás natural como combustível de requeima. Principal resultado: Um modelo unicamente cinético não é capaz de simular adequadamente o processo de requeima; é necessário acoplar a ele um modelo de mistura.

23 Resultado trabalho teórico Experimental Simulated at 1090 o C Simulated at 1105 o C Simulated with axial temperature profile NOx / ppm Distance / cm * A distância 0 corresponde a 20 cm após a injeção de gás natural

24 Trabalhos futuros Prosseguir no desenvolvimento do modelo cinético incorporando um modelo de mistura. Implantar e testar a tecnologia de requeima em um equipamento real de combustão.