Tratamento de gases de combustão em incineradores: resfriamento, lavagem, adsorção, filtração

O que o tratamento de gases de combustão precisa remover

O que sai de uma câmara de combustão secundária não é um poluente, mas uma mistura, e é a mistura que faz do tratamento de gases de combustão uma linha de estágios em vez de um único dispositivo.

• Gases ácidos — cloreto de hidrogênio e dióxido de enxofre dos plásticos, e fluoreto de hidrogênio de resíduos fluorados. Eles se dissolvem com facilidade, então são removidos por contato com um líquido alcalino ou um adsorvente sólido.
• Óxidos de nitrogênio — formados a partir do nitrogênio presente nos resíduos e no ar de combustão. O óxido nítrico é pouco solúvel, e é por isso que ele é tratado no forno, e não por lavagem.
• Material particulado e cinzas volantes — os sólidos que não sedimentaram do gás. A maior parte dos metais pesados viaja nessa poeira.
• Metais pesados — o mercúrio em especial sai como vapor, então precisa de um adsorvente, e não de um filtro.
• Dioxinas e furanos — destruídos na zona quente, e capazes de se reformar a jusante na superfície das cinzas volantes.
• Monóxido de carbono e orgânicos residuais — indicadores de combustão incompleta, e não poluentes que uma linha de gases consiga remover.

Ler essa lista contra os estágios é a maior parte do projeto. Uma configuração que deixa um grupo sem resposta só aparece quando a chaminé é monitorada.

Resfriamento: a torre de quench

O gás sai da câmara secundária quente, e o primeiro estágio normalmente é resfriá-lo rápido. Uma torre de quench faz isso por evaporação: água é aspergida na corrente de gás e o calor latente de evaporação baixa a temperatura, sem superfícies de trocador de calor para a poeira incrustar.

A razão de fazê-lo rápido é a mesma pela qual a temperatura de combustão importa. Entre a câmara e o filtro o gás passa por uma faixa em que as dioxinas podem se reformar sobre as cinzas volantes. A faixa geralmente citada é de cerca de 200 a 400 °C, e o número é dado para mostrar a direção do projeto — atravessá-la rápido e não deixar o gás parado nela —, e não para fixar um ponto de ajuste.

Um quench é um vaso úmido, então a água que ele evapora precisa ser fornecida e o gás que ele deixa sai saturado. Os gases ácidos também tornam o condensado ácido, então a carcaça da torre, os aspersores e o duto a jusante são escolhidos para esse serviço. Onde a estação recupera calor, o resfriamento pode ser feito em uma caldeira.

Lavagem: remoção de gases ácidos

Um lavador de gases remove os gases ácidos por contato com um líquido alcalino. Em uma torre de recheio o gás sobe por um leito de recheio enquanto o líquido de lavagem escorre por ele, e o recheio dá às duas correntes a maior superfície possível para se encontrarem. Um lavador Venturi faz o mesmo em velocidade de gás mais alta e leva junto a poeira grossa. O reagente é um álcali — hidróxido de sódio, leite de cal ou bicarbonato de sódio — dosado para manter o líquido onde a absorção é eficiente.

O líquido é recirculado e purgado. A purga, a descarga do lavador, é uma corrente de água residuária por si só, carregando sais dissolvidos, sólidos suspensos e metais pesados, e precisa de tratamento próprio antes do lançamento. Uma linha a úmido precisa, portanto, de fornecimento de água, fornecimento de reagente e uma rota para a água residuária, e um local sem isso é melhor servido por uma linha a seco.

Linhas a seco e semisseco fazem a mesma química sem efluente líquido. Em um arranjo semisseco, uma suspensão de cal é atomizada em um absorvedor secador por aspersão; a água evapora conforme reage e o produto seco sai com o gás. Em um arranjo a seco, um adsorvente sólido é injetado no duto, ou o gás passa por tijolos filtrantes reativos. Nos dois casos, o produto e o adsorvente não consumido são coletados pelo filtro a jusante, de modo que esse filtro faz parte da reação além da separação.

Os óxidos de nitrogênio são a exceção nesta seção. O óxido nítrico não se dissolve em grau útil, então um lavador que remove cloreto de hidrogênio com eficiência removerá muito pouco dele. Essa remoção acontece à frente da linha de gases, pela injeção de um reagente no forno ou no caminho de gás quente. O gráfico de emissões estabelece os óxidos de nitrogênio com limite próprio, porque é um problema separado com resposta separada.

Adsorção: carvão ativado antes do filtro de mangas

Depois do resfriamento e da lavagem, o que resta é a parte que não é ácida nem filtrável como poeira: dioxinas e furanos, e vapor de mercúrio. Ambos são capturados em carvão, e o arranjo mais comum é a injeção de carvão ativado — carvão em pó é dosado no duto a montante do filtro de particulados, e o carvão se acumula na torta do filtro, de modo que o gás atravessa um leito de carvão, e não apenas passa ao lado dele.

Esse arranjo tem uma propriedade que vale entender antes de ser especificado: ele é consumível. O carvão sai com as cinzas do filtro, então a taxa de injeção é um custo de operação, e as cinzas descarregadas agora contêm as dioxinas e o mercúrio que foram capturados.

Um leito fixo de carvão é a alternativa, com o gás passando por um vaso de carvão que é substituído ou regenerado em um cronograma. Ele é mais fácil de controlar e de monitorar, e exige mais espaço e um vaso mais pesado que uma lança de injeção. Os dois arranjos dependem da temperatura: a adsorção é mais fraca quando o gás está quente, e um gás frio demais carrega poeira úmida e pegajosa para dentro do filtro. A taxa de injeção e a janela de temperatura que servem aos seus resíduos são confirmadas com a fábrica para a sua composição de resíduos.

Filtração: o filtro de mangas e a chaminé atrás dele

O filtro de mangas remove o material particulado e, com ele, os metais pesados que viajam na poeira. Mangas de feltro agulhado presas a uma placa espelha ficam suspensas dentro de uma carcaça dividida em compartimentos; o gás atravessa o tecido, a poeira se acumula em torta, e um pulso de ar comprimido ou uma sacudida mecânica derruba a torta para a tremonha em intervalos. A torta faz a maior parte da filtração fina, e é por isso que um filtro de mangas é limpo, e não raspado até o tecido.

Em uma linha a seco ou semisseco é também aqui que a química termina. O adsorvente injetado a montante, e os produtos de reação que ele formou, ficam na torta, e o gás continua reagindo ao atravessá-la, de modo que o filtro é um leito fixo além de um separador.

A restrição que decide onde o filtro pode ficar é o tecido. Cada material de manga tem uma temperatura máxima de trabalho contínuo, e o quench ou o lavador a montante precisa entregar o gás abaixo dela. O gás passa então para o ventilador de tiragem induzida, que aspira a linha inteira, e para a chaminé, onde os limites são monitorados. No gráfico de emissões de incineradores daqui, a coluna de resíduos médicos e perigosos fixa dioxinas e furanos em 0.5 ng TEQ/m³ como média de medição pela GB 39707-2020, e toda a linha de gases é o equipamento que precisa sustentar esse número.

Por que a ordem é o que é

• Uma torre de quench antes da filtração, porque um filtro de tecido não aceita a temperatura com que o gás sai da câmara.
• Resfriamento antes da adsorção, porque o carvão adsorve mal de gás quente e a janela de reformação só se fecha quando o gás está frio.
• Remoção de gases ácidos antes do filtro em uma linha a seco, para que o produto de reação se forme onde pode ser capturado.
• Adsorção imediatamente antes do filtro de mangas, para que o carvão na torta se torne um leito de contato.
• Óxidos de nitrogênio à frente da linha, no forno ou em um estágio catalítico, porque a lavagem não os alcança.
• Monóxido de carbono dentro do projeto de combustão, porque ele indica combustão incompleta, e não um problema de lavagem.

O que decide a configuração para um local

As três configurações oferecidas nos incineradores daqui — purificação a seco, purificação a úmido e o arranjo básico de linha única — cobrem as mesmas quatro funções com equipamentos diferentes, e a escolha decorre do local, e não do equipamento.

• Composição dos resíduos. O cloro nos resíduos define a carga de cloreto de hidrogênio que o lavador precisa neutralizar.
• A norma de emissão aplicável. O limite na chaminé decide quantos estágios a linha precisa, e não o contrário.
• Água e água residuária. Uma linha a úmido precisa de fornecimento de água, fornecimento de reagente e uma rota para a purga.
• Fornecimento de reagentes. Cal, soda e carvão ativado precisam ser comprados e armazenados, e um local remoto deve ser projetado em torno do que ele consegue obter.
• Clima. Uma linha a úmido em um local que congela precisa de aquecimento por traço, proteção de drenos e um procedimento de parada.
• Habilidade de operação. Uma linha a seco com sistema de injeção e filtro de mangas exige menos do operador que uma linha a úmido com circuito de recirculação.

Erros comuns

• Comprar a linha de gases pelo porte do forno, e não pelos resíduos e pelo limite. A mesma tonelagem de um resíduo diferente produz um gás diferente.
• Especificar uma linha a úmido sem destino para a purga. O que o lavador descarrega é uma corrente que o local precisa tratar.
• Desacelerar o resfriamento para recuperar calor sem perguntar por que faixa o gás passa na descida.
• Esquecer as cinzas. O que o filtro coleta contém os metais e as dioxinas retirados do gás, e precisa ir para algum lugar.
• Esperar que um lavador de gases dê conta dos óxidos de nitrogênio. Ele não dará, e esse limite precisa ser atendido no forno.

Autoverificação antes de a linha de gases ser especificada

• Os resíduos estão caracterizados, ao menos por teor de cloro e pelos plásticos presentes?
• A norma de emissão aplicável ao local está identificada, com o período de média de cada parâmetro?
• Cada grupo da lista de poluentes tem um estágio que o responde?
• A temperatura na entrada do filtro de particulados está declarada e casada com o material das mangas?
• A velocidade de resfriamento pela faixa de reformação é conhecida, e não apenas as temperaturas de entrada e de saída?

De um limite de emissão a uma linha de gases

Tudo no tratamento de gases de combustão decorre dos resíduos e do limite, e é por isso que a configuração é escolhida antes de a lista de equipamentos ser escrita. As páginas de incineradores apresentam o que cada configuração de purificação contém, e o gráfico de emissões de incineradores apresenta os limites que a linha precisa atender, parâmetro por parâmetro. O lado da combustão do mesmo assunto é tratado no artigo sobre por que os incineradores operam a 850 °C por dois segundos. A configuração, o consumo de reagentes e o filtro que servem aos seus resíduos são confirmados com a fábrica para a sua composição de resíduos e a norma de emissão aplicável.