SNCR vs SCR: remover NOx de um incinerador de pequeno porte

Remoção de NOx do gás de combustão de incineradores: SNCR e SCR

Um lavador úmido remove gases ácidos porque eles se dissolvem. O óxido nítrico, que é a maior parte dos óxidos de nitrogênio que um forno produz, não se dissolve em grau útil, de modo que uma linha que remove cloreto de hidrogênio com eficiência remove quase nada de NOx. É por isso que o limite de óxidos de nitrogênio é atendido ou no forno ou em um reator imediatamente depois dele, e por que as duas rotas — redução seletiva não catalítica e redução seletiva catalítica, SNCR e SCR — são o assunto aqui, e não o lavador.

As duas compartilham uma química. Um reagente nitrogenado, amônia ou ureia, é injetado no gás e reage com o óxido nítrico para dar nitrogênio e água, de modo que o nitrogênio sai como uma molécula inerte, em vez de como um óxido.

• Um reagente que fornece o agente redutor — água de amônia, amônia anidra ou solução de ureia.
• Uma faixa de temperatura na qual a reação é rápida o bastante para competir com tudo o mais que acontece no gás.
• Mistura boa o bastante para o reagente encontrar o gás, em vez de passar ao lado, que é o limite prático da remoção de NOx do gás de combustão de incineradores.
• Tempo de residência nessa faixa, porque a reação não é instantânea.
• Uma forma de lidar com o reagente que não reage, porque ele sai como amônia, em vez de desaparecer.

Redução seletiva não catalítica (selective non-catalytic reduction) para gás de combustão de incineradores

A SNCR injeta o reagente na trajetória do gás quente e conta apenas com a temperatura. A faixa usualmente citada é de cerca de 850 a 1100 °C, e isso deve ser lido como um método de partida, e não como uma especificação: ela descreve onde a reação é rápida em um gás típico, e se move com a composição do gás e com a mistura que o forno proporciona. Abaixo da faixa o reagente passa sem reagir e sai como amônia residual (slip); acima dela, a amônia é oxidada e pode produzir mais óxidos de nitrogênio do que remove.

A faixa se sobrepõe à temperatura em que a câmara secundária já é mantida, e essa é a atração. Uma estação operando a 850 °C ou mais já possui as condições, de modo que a SNCR acrescenta uma lança, um sistema de reagente e uma malha de controle, e não um vaso de pressão. O reagente costuma ser solução de ureia em uma estação pequena, porque é mais segura de armazenar e manusear que a água de amônia.

A limitação é que a faixa é uma faixa no gás, e não um ajuste em um painel. A temperatura do gás se move com a carga, com o resíduo e com o excesso de ar, e a zona em que o reagente de fato encontra o gás na temperatura certa é uma fatia do forno, e não o forno inteiro. A remoção é, portanto, parcial — os valores citados para a SNCR são da ordem de um terço a metade dos óxidos de nitrogênio de entrada — e o que não é removido é pago duas vezes, uma como reagente e outra como a amônia que sai com o gás.

Redução seletiva catalítica (selective catalytic reduction) para a incineração de resíduos

A SCR executa a mesma química sobre um catalisador, o que permite que uma temperatura muito mais baixa faça o trabalho — de modo amplo, a faixa de 200 a 400 °C, lida novamente como um método de partida, e não como uma especificação. O catalisador é tipicamente óxido de vanádio sobre um suporte de titânio, moldado em elementos de colmeia ou de placa dentro de um reator, e o gás o atravessa.

A temperatura mais baixa é a vantagem e o catalisador é o custo. Em uma estação de resíduos, a questão que decide o arranjo é onde fica o reator. Coloque-o a montante do coletor de poeira e o catalisador vê cinzas volantes, metais pesados e gases ácidos, que é de onde vem a desativação. Coloque-o a jusante do filtro e o gás está limpo mas frio, de modo que tem de ser reaquecido antes do reator e a energia para isso tem de ser encontrada em algum lugar da estação. Um incinerador de pequeno porte normalmente não tem calor excedente a ceder, que é a razão prática pela qual a escolha recai tão frequentemente na SNCR.

O reator também precisa de espaço, de uma estrutura de suporte e de uma trajetória de gás que possa ser tirada de serviço para substituição do catalisador. Qual arranjo se adequa a uma dada unidade, e o volume de catalisador que o acompanha, são confirmados com a fábrica para a sua composição de resíduos.

A janela de temperatura de que cada uma precisa

Ambas as janelas são declaradas em plena carga em um gás de dada composição, e ambas se movem quando a estação se move. O que importa é a janela que o gás de fato atravessa, ao longo da faixa de cargas em que a estação opera, e não a janela que aparece em uma folha de dados.

• A SNCR depende de uma temperatura que a câmara já mantém, mas o tempo de residência na faixa encurta conforme a carga sobe e o gás acelera, e a própria faixa se desloca com o resíduo.
• A SCR depende de uma temperatura que a estação tem de produzir, de modo que uma estação que não consegue reaquecer seu gás de forma confiável tem um reator que ou está frio e inativo, ou quente o bastante para danificar o catalisador.
• Em carga baixa, ambas perdem desempenho primeiro, e é por isso que uma garantia é normalmente declarada em mais de uma carga, e não apenas no ponto de projeto.
• O reagente que não reage não se perde em silêncio: sai como amônia, e essa amônia residual é um parâmetro por si só.

Envenenamento do catalisador na incineração de resíduos

Um gás de resíduo não é um gás de usina. Ele carrega metais alcalinos, metais pesados e enxofre, e os três atacam um catalisador.

• Metais alcalinos nas cinzas volantes — sódio e potássio — se depositam na superfície e bloqueiam os sítios ativos, em parte reversivelmente e em parte de forma definitiva.
• O arsênio se liga ao material ativo e não pode ser removido, de modo que o catalisador tem uma vida finita em proporção ao que o resíduo contém.
• O dióxido de enxofre com a amônia forma bissulfato de amônio, que se deposita na extremidade fria do reator e cega os elementos.
• Metais pesados e cinza fina cegam os canais fisicamente se o reator for colocado a montante do coletor de poeira.
• O vanádio é volatilizado acima da faixa de trabalho, de modo que o próprio material ativo se perde se o reator operar quente.

Dois desses têm consequências além do reator. Os depósitos de bissulfato de amônio incrustam a tubulação ou o trocador de calor atrás dele, e um catalisador de vanádio oxida parte do dióxido de enxofre no gás a trióxido de enxofre, o que eleva o ponto de orvalho ácido a jusante e muda do que o duto e a chaminé têm de ser feitos. O catalisador e a posição do reator são, portanto, decididos junto com a linha de gases, e não separadamente dela.

Comparar SNCR e SCR em um incinerador de pequeno porte

• Reagente — ambas usam amônia ou ureia, e a SNCR usa mais dela por unidade de óxido de nitrogênio removida, porque parte dela nunca reage.
• Temperatura — a SNCR trabalha dentro da temperatura da câmara que a estação já mantém; a SCR precisa do gás dentro de sua própria janela, o que em um arranjo de gás limpo geralmente significa um reaquecedor.
• Remoção — a SNCR alcança uma parte dos óxidos de nitrogênio de entrada e a SCR alcança a maior parte deles. Onde o limite deixa pouca margem, essa diferença é toda a decisão.
• Consumíveis — a SCR carrega um catalisador que o resíduo envenena; a SNCR não tem nenhum.
• Subprodutos — a SNCR deixa amônia residual; a SCR deixa amônia residual e, com um catalisador de vanádio, alguma conversão de dióxido de enxofre em trióxido de enxofre.
• Pegada e estrutura — a SNCR é uma lança, um skid de bomba e um tanque; a SCR é um reator, uma estrutura de suporte e, muitas vezes, um reaquecedor.
• Função operacional — um reator catalítico mantém um valor mais estável e exige inspeção e substituição programadas que um local pequeno tem de conseguir realizar.

Trabalhar de trás para a frente a partir do limite de NOx

O limite de emissão de NOx para incineradores de resíduos médicos no gráfico daqui é 300 mg/m³ como média de uma hora e 250 mg/m³ como média de 24 horas, referido a gás seco a 11 % de oxigênio. Os dois valores são períodos de média alternativos para o mesmo parâmetro, e pedem coisas diferentes de um sistema de controle: a média de uma hora é atendida por uma estação que responde rápido, e a média de 24 horas é atendida por uma estação que não oscila. Um reator catalítico sobre um gás estável produz um valor plano; a SNCR produz um valor que segue o forno, e é por isso que a média de 24 horas, e não a de uma hora, costuma ser o número que decide se a SNCR é suficiente sozinha.

Duas coisas decorrem para uma estação pequena. O consumo de reagente é um custo operacional que escala com o resíduo e com quanto do óxido de nitrogênio sobrevive ao forno, de modo que um forno bem misturado e consistentemente quente torna o problema a jusante menor. E qualquer que seja a rota escolhida, ela é um estágio em uma linha, e não uma solução isolada: o limite de óxidos de nitrogênio fica em um conjunto de limites que são atendidos em conjunto, como mostra o gráfico de emissões.

Erros comuns

• Presumir que um lavador absorverá os óxidos de nitrogênio. Não absorverá: o óxido nítrico é quase insolúvel.
• Citar um valor de remoção da SNCR sem declarar a carga e a temperatura do gás em que foi alcançado.
• Instalar a SCR a montante do coletor de poeira para economizar um reaquecedor e depois pagar por isso em substituições de catalisador.
• Dimensionar o sistema de reagente apenas pela reação, sem prever a amônia que não reage.
• Tratar o catalisador como um item permanente. Em uma estação de resíduos, ele é um consumível com uma vida definida pelo que está na cinza.
• Esquecer a referência de oxigênio. Um limite escrito a 11 % de oxigênio não é o mesmo número que a concentração medida no duto.

De um limite de NOx a um sistema de reagente

A SNCR e a SCR respondem à mesma química de dois lugares diferentes da estação, e a escolha decorre de quão quente está o gás onde a estação pode se permitir colocar um reator, e do que ela pode se permitir manter limpo. O gráfico de emissões fixa o limite de óxidos de nitrogênio junto com o resto dos limites que a linha tem de atender, e o artigo sobre tratamento de gases de combustão cobre os estágios entre os quais o sistema de óxidos de nitrogênio fica. O reagente, o ponto de injeção e o arranjo do catalisador para a sua estação são confirmados com a fábrica para a sua composição de resíduos e o padrão de emissão que se aplica.