O que é a dessulfurização de gases de combustão?
Dessulfurização de gases de combustão (FGD) refere-se a um processo que remove dióxido de enxofre (SO2) de uma corrente de gases de combustão (gases de exaustão). O dióxido de enxofre é liberado na atmosfera quando combustíveis fósseis são queimados e é um dos principais contribuintes para a chuva ácida. O processo de FGD tornou-se essencial para muitas plantas industriais devido à legislação ambiental cada vez mais rigorosa. Embora o processo de FGD seja aplicado em várias indústrias, este artigo foca nos equipamentos de FGD associados à indústria de geração de energia, particularmente para usinas termoelétricas a carvão.
Nota - ‘Dessulfurização’ também é escrito como ‘desulfurization’, a primeira é em inglês britânico enquanto a segunda é em inglês americano.
Sistema de Exaustão de Usina a Carvão com Desulfurizador de Gases de Combustão Destacado
Por que precisamos de dessulfurização de gases de combustão?
A maioria dos combustíveis fósseis (carvão, óleos etc.) contém algum enxofre. Quando um combustível fóssil é queimado, o enxofre que ele contém é liberado na atmosfera através do processo de combustão. Alguns carvões podem conter até 4% de enxofre, o que é uma quantidade significativa considerando que uma usina a carvão pode queimar mais de 5.000 toneladas de carvão por dia.
O dióxido de enxofre combina-se facilmente com a água e, consequentemente, combina-se facilmente com nuvens de umidade na atmosfera. Uma vez que uma nuvem se satura suficientemente com umidade, gotas de água se formam e caem no solo devido à gravidade; esse processo é conhecido como precipitação (chuva).
Infelizmente, à medida que a água absorve o dióxido de enxofre, ela se torna mais ácida. Consequentemente, à medida que nuvens de umidade absorvem o gás dióxido de enxofre na atmosfera, o valor de pH das moléculas de água suspensas (umidade) diminui, tornando-se mais ácido. A chuva ácida - coloquialmente referida como chuva ácida - então cai no solo devido à gravidade.
Floresta Danificada pela Chuva Ácida
A chuva ácida danifica culturas, infraestrutura, vegetação, solo e contribui para a acidificação dos oceanos. Como o dióxido de enxofre é um grande contribuinte para as causas da chuva ácida, leis ambientais foram promulgadas para forçar os produtores de SO2 a reduzir a quantidade de SO2 que geram. Um dos principais produtores de dióxido de enxofre são as usinas termoelétricas a carvão, consequentemente, elas são obrigadas a instalar sistemas de FGD para reduzir suas emissões de SO2 e cumprir a legislação ambiental.
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Dessulfurização de Gases de Combustão (FGD)
Os processos de FGD são classificados como ‘úmidos’ ou ‘secos’. Sistemas de FGD do tipo seco utilizam um reagente em forma de pó (forma seca). Sistemas de FGD do tipo úmido utilizam uma lama alcalina que é formada após a mistura de um reagente seco com água. Embora dois tipos principais de projetos de FGD sejam possíveis, mais de 75% dos sistemas de FGD de geração de energia são úmidos.
Esquema de Desulfurizador de Gases de Combustão Úmido
Como Funciona a Dessulfurização de Gases de Combustão
A maneira mais econômica de remover SO2 de uma corrente de gases de combustão é através de uma reação química com um reagente. Um reagente é uma substância ou composto adicionado a um sistema para causar uma reação química. Reagentes adequados devem tornar o SO2 inofensivo para o meio ambiente, ao mesmo tempo que produzem um subproduto que não danifica o meio ambiente.
Os reagentes mais comuns usados em sistemas de FGD são cal (óxido de cálcio) e calcário (CaCO3). Outras alternativas de reagentes existem, como amônia, mas o calcário é o mais amplamente adotado. A principal razão para a ampla adoção do calcário é que ele é abundante, barato e fácil de acessar; todos esses fatores dependem, no entanto, da localização geográfica.
Os subprodutos do processo de dessulfurização de gases de combustão são geralmente sulfito de cálcio (CaSO3) e/ou sulfato de cálcio (CaSO4). O subproduto produzido depende de qual reagente e qual projeto de sistema de FGD é usado. Independentemente do reagente e do projeto, o subproduto é geralmente à base de cálcio.
O projeto de FGD úmido ‘descartável’ é o projeto de FGD mais comum empregado por usinas a combustíveis fósseis hoje. A próxima seção descreve como funciona uma típica torre absorvedora de calcário úmido.
Torre de Lavagem Úmida de Gases de Combustão
Como funciona a dessulfurização úmida de gases de combustão?
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O calcário é entregue à planta em forma triturada ou inteira. O calcário triturado pode ser entregue diretamente a um silo de armazenamento antes de ser misturado com água em uma unidade de mistura dedicada. O calcário não triturado precisará passar por uma etapa de redução de tamanho antes de ser misturado com água ou armazenado. A redução de tamanho pode ser alcançada usando trituradores ou moinhos no local, como . trituradores de mandíbula, trituradores giratórios, moinhos de bolas, trituradores de cone etc.).
O calcário pulverizado é misturado com água para formar uma lama à base de alcalino. Uma lama alcalina é qualquer lama com um pH superior a 7,0, mas para fins operacionais o pH desejado para a lama é geralmente 8,0 (dependente do projeto do sistema).
O gás de combustão é descarregado da caldeira de tubos de água(s) da usina, passa por um filtro de mangas ou precipitador eletrostático (ESP) e é então passado para o desulfurizador. A temperatura do gás de combustão é de aproximadamente 150°C (300°F) ou mais quando entra no desulfurizador de gases de combustão. O gás dióxido de enxofre contido no gás de combustão é separado através de lavagem úmida.
Desulfurizador de Gases de Combustão Úmido
A lavagem úmida é realizada passando o gás de combustão do fundo da torre de lavagem para o topo. A lama alcalina viaja na direção oposta (de cima para baixo); esse arranjo é denominado ‘contrafluxo’ devido às direções de fluxo opostas dos dois meios em fluxo. Note que o projeto de contrafluxo também é às vezes referido como contra-fluxo. De todos os projetos de fluxo (contrafluxo, fluxo cruzado e fluxo paralelo), o projeto de contrafluxo é o mais eficiente para a transferência de calor e mistura de meios em fluxo.
Para garantir um contato direto eficiente entre a lama alcalina e o gás de combustão, uma série de decks de pulverização equipados com bicos de pulverização são usados. Os bicos de pulverização descarregam a lama alcalina uniformemente dentro da torre, o que garante que os meios em fluxo tenham uma alta área de contato entre si. Os decks de pulverização inferiores operam com um pH de aproximadamente 4,0, enquanto os decks superiores operam com um pH de aproximadamente 6,0 ou mais. Os bicos de pulverização operam a baixa pressão, aproximadamente 1 bar (14,5 psi).
A lama alcalina cai do deck de pulverização para uma bandeja perfurada. A bandeja perfurada força o gás de combustão a borbulhar através da lama enquanto passa pela torre, garantindo um bom contato direto entre a lama e o gás de combustão.
Após passar pelos orifícios na bandeja perfurada, a lama cai para a base da torre devido à gravidade e é coletada no tanque de retenção de efluentes (EHT) (às vezes chamado de tanque de atraso de reação). A lama que está contida no gás de combustão é separada por um desmisturador no topo da torre e retornada ao EHT.
Desmisturador (verde indica gás, azul indica lama)
A água na lama absorve prontamente o gás dióxido de enxofre, enquanto a natureza alcalina da lama neutraliza a acidez do gás. A água é denominada absorvente, enquanto o calcário é denominado reagente. O gás de combustão restante é descarregado no topo da torre, mas até 99% do SO2 pode ter sido removido (tipicamente 90% a 95% é removido).
Reagir a lama alcalina com dióxido de enxofre produz sulfito de cálcio (CaSO3), essa reação química pode ser expressa como:
CaCO3 + 1 SO2 → CaSO3 + CO2
A oxidação adicional do sulfito de cálcio produz sulfato de cálcio (CaSO4), essa reação química pode ser expressa como:
CaSO3 + 2H2O + ½O2 → CaSO4 · 2H2O
Ar comprimido (pressão de aproximadamente 1 bar / 14,5 psi) é injetado na base do tanque de retenção de efluentes, onde borbulha para cima através da lama. Devido à injeção de ar comprimido na lama, ocorre a oxidação forçada do sulfito de cálcio e forma-se sulfato de cálcio. Parte da lama retida pelo EHT é recirculada de volta para o deck de pulverização, mas parte da lama é descarregada da torre para desidratação. Agitadores (hélices conectadas a motores trifásicos) evitam a solidificação do cálcio dentro do EHT.
O processo de desidratação separa os subprodutos de FGD da lama. A lama contém aproximadamente 10-15% de sólidos à base de cálcio quando descarregada da torre. Os itens de maquinário usados no processo de desidratação geralmente incluem filtros a vácuo, hidrociclones e clarificadores (espessadores). Uma vez que a substância cristalina à base de cálcio foi extraída, ela pode ser vendida ou descartada.
Os subprodutos de FGD são frequentemente vendáveis e podem ser vendidos para reduzir os custos operacionais gerais da planta. O sulfato de cálcio também é conhecido como ‘gesso’ e é usado para muitos produtos comerciais. O uso mais comum do gesso é para placas de gesso (placas de parede) na indústria da construção, mas também é usado na indústria agrícola como fertilizante. Se o subproduto não puder ser vendido, ele é frequentemente misturado com cinzas volantes e enviado para um aterro.
Homem Segurando Placa de Gesso
Materiais de Construção da Torre de Lavagem Úmida
É necessário selecionar cuidadosamente os materiais de construção da torre devido ao ambiente corrosivo e abrasivo dentro da torre. Os materiais de construção dependem dos componentes e do projeto da torre, mas aço inoxidável, fibra de vidro e aço carbono revestido de borracha são materiais de construção comuns.
Eficiência do Processo de FGD
As taxas de fluxo de líquido para gás (L/G) através de uma torre de lavagem úmida têm um grande efeito sobre sua eficiência operacional. Tipicamente, uma alta razão L/G é desejada, pois isso garante que o máximo de SO2 seja removido do gás de combustão quanto economicamente possível, ao mesmo tempo que impede a solidificação da lama alcalina dentro da torre. A solidificação da lama leva a caminhos de fluxo reduzidos dentro da torre, bicos de pulverização bloqueados, e é difícil de remover (muito duro e adesivo).
O pH da lama alcalina aumenta quando reage com o dióxido de enxofre, portanto, é necessário fornecer continuamente calcário ao EHT para que o pH da lama possa ser mantido constante. Uma redução no pH da lama levará a uma redução resultante na eficiência do FGD.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Flue-gas_desulfurization
https://www.mhps.com/products/aqcs/lineup/flue-gas-desulfurization
https://www.lime.org/lime-basics/uses-of-lime/enviromental/flue-gas-desulfurization