Equipamento termo-ativado para tratamento de emissões gasosas

  • Número do pedido da patente:
  • MU 8700750-9 U2
  • Data do depósito:
  • 23/04/2007
  • Data da publicação:
  • 02/02/1999
Inventores:
  • Classificação:
  • B01D 53/02
    Separa??o de gases ou vapores; Recuperação de vapores de solventes vol?teis a partir dos gases; Purifica??o qu?mica ou biol?gica de gases de exaust?o p. ex. gases de exaust?o de motores, fuma?as, fumos ou gases de exaust?o, aeros?is; / por adsor??o, p. ex. cromatografia preparativa a g?s;
    ;
    B01D 53/74
    Separa??o de gases ou vapores; Recupera??o de vapores de solventes vol?teis a partir dos gases; Purifica??o qu?mica ou biol?gica de gases de exaust?o p. ex. gases de exaust?o de motores, fuma?as, fumos ou gases de exaust?o, aeros?is; / Purifica??o qu?mica ou biol?gica de gases residuais; / Processos em geral para purifica??o de gases residuais; Aparelhos ou dispositivos especialmente adaptados aos mesmos;
    ;

O EQUIPAMENTO TERMO-ATIVADO PARA TRATAMENTO DE EMISSÕES GASOSAS. Está relacionado ao tratamento de emissões gasosas, em especial, emissões ácidas, resultantes de indústrias de base mineral que utilizam processos de sinterização ou transformação térmica de minerais argilosos e/ou fosfáticos. O equipamento opera na depuração de fluoreto sob temperaturas acima de 300° e inferiores a 1000° promovendo o aumento da reatividade do adsorvedor químico e, conseqúentemente, sua eficiência na depuração de fluoreto e demais contaminantes ácidos presentes nos gases de combustão, como cloreto, diáxido de enxofre e triáxido de enxofre e outros gases. Outra característica ímpar desta modelo de utilidade em relação aos sistemas de depuração de fluoreto existentes está no uso do adsorvedor químico na forma de pelotas, dispensando, portanto, o uso de filtros no tratamento auxiliar para remoção de material particulado. Com isto, este modelo de utilidade também apresenta vantagens em relação aos custos e ao consumo de energia elétrica, quando comparados com os outros sistemas existentes no mercado. Cabe ressaltar, ainda, que o modelo de utilidade apresentado não necessita de água para sua operação e, principalmente, após a saturação, o depurador químico (pelotas de cal) tem grande potencial de ser utilizado como sub-produto em alguns segmentos industriais. Finalmente, a eficiência do presente modelo de utilidade para depuração de fluoreto está acima de 95%, podendo atingir 99%. O"EQUIPAMENTO TERMO-ATIVADO PARA TRATAMENTO DE EMISSÕES GASOSAS" consiste, basicamente, em um sistema adsorvedor de fluoretos (3) composto por uma fornalha, um retificador de fluxo, uma câmara termo-ativada com um ou mais leitos contendo material adsorvedor de fluoreto e uma chaminé de exaustão de gases e outros dispositivos periféricos.

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Documento

EQUIPAMENTO TERMO-ATIVADO PARA TRATAMENTO DE

EMISSÕES GASOSAS

O presente modelo de utilidade pertence ao setor de purificação de gases residuais, em especial emissões ácidas, resultantes de indústrias de 5 base mineral que utilizam processos de sinterização ou transformação térmica de minerais argilosos ou fosfáticos, relatando o processo de tratamento das emissões gasosas, particularmente aquelas resultantes dos setores de produção de alumínio, produção de fertilizantes, indústrias de vidro, de produção de produtos cerâmicos, incluindo pisos, estruturais ou de vedação, pois promove a 10 depuração do fluoreto e contaminantes ácidos presentes nos gases de combustão, como cloreto, dióxido de enxofre e trióxido de enxofre e outros gases numa operação eficiente e econômica, apresentando equipamento para tal realização.

O flúor ocorre naturalmente na crosta terrestre sob a forma de 15 diversos minerais como fluorita, apatita, criolita e em minerais como micas e argilominerais. É também emitido, na forma de fluoreto de hidrogênio (HF), pela ação de vulcões; ocorrendo, também, em poeiras de solos e pelo spray oceânico. Quanto à origem antrópica, o fluoreto pode ser proveniente de processos industriais como de produção de alumínio, de produção de fertilizantes e de 20 fabricação de cerâmicas e vidros.

O problema das emissões de fluoretos vem sendo acompanhado em todo o mundo, nos últimos vinte anos, existindo, hoje, limites legais para os teores emitidos, aos quais as empresas devem se enquadrar.

O flúor pode estar presente em diversos depósitos argilosos. Em 25 substituição dos íons hidroxilas (OH'), devido aos seus tamanhos similares, os íons fluoretos (F‘) podem ser encontrados em concentrações particularmente elevadas nos minerais argilosos e micáceos, estando associados a minerais de alteração intermediária como illita, sericita, biotita e muscovita detríticas, pois na meteorização de carbonados, o flúor adsorvido é incorporado aos sedimentos.

A emissão do fluoreto nos processos produtivos está condicionada ao ciclo de queima e das características das matérias-primas utilizadas. O flúor detectado na corrente gasosa é produto da decomposição dos minerais micáceos (muscovita e illita) e cauliníticos que se encontram nas argilas, estando presente, ainda, em minerais fosfáticos (fluorapatita), utilizados na fabricação de fertilizantes e outros.

A emissão de compostos de flúor durante processos térmicos utilizados por diferentes segmentos industriais de base mineral é conseqüência da destruição da estrutura dos minerais, procedendo a partir de 500°C a 600°C. Em geral, até temperaturas de 600°C a 700°C as emissões de fluoretos não são consideráveis. Os compostos que podem se formar são ácido fluorídrico, tretrafluoreto de silício e, em menor escala, fluoretos alcalinos em forma de particulados

As tentativas de retenção do flúor na peça cerâmica por meio de intervenções no processo produtivo ou na formulação da massa cerâmica tornam-se bastante complexas, pois dependem de diversas variáveis que influenciam a liberação de flúor, além de necessariamente se ter de privilegiar a qualidade do produto final.

Diversas são as variáveis que influenciam a liberação de flúor. Numa mesma indústria cerâmica, em linhas produtivas distintas, há variação da quantidade de flúor retida na peça e, portanto, no flúor emitido. Desta forma, ações voltadas à redução dos fluoretos por meio de intervenções no processo produtivo ou na formulação da massa cerâmica tornam-se bastante complexas, demandando mais tempo para o desenvolvimento de pesquisas visando a qualidade do produto final. Já os mecanismos de depuração de fim de linha necessitam de espaço físico apreciável para sua instalação, quantidades significativas de material absorvente e, não menos importante, necessitam de formas ambientalmente adequadas para disposição final dos resíduos gerados.

Os mecanismos de depuração de emissões gasosas ocorrem, de maneira geral, por absorção ou por adsorção.

A absorção consiste na dissolução, em um meio líquido, de um ou mais constituintes de uma corrente gasosa. Nestes mecanismos, o principal inconveniente está na definição do absorvedor líquido para cada uma das substâncias que se deseja separar. A adsorção consiste na aderência de 5 moléculas na superfície de um adsorvedor sólido. Normalmente, a adsorção é um fenômeno físico; no entanto, pode haver reação química entre o sólido e os gases a serem depurados.

As tecnologias mais utilizadas no tratamento das emissões gasosas com fluoretos consistem fundamentalmente em medidas de fim de linha, 10 englobadas em quatro tipos de processos apresentados a seguir. Nestes sistemas, a remoção do flúor ocorre por meio de sua reação com materiais reativos, sendo que os mais utilizados são hidróxido de cálcio (cal hidratada), hidrogeno carbonato de sódio (bicarbonato de sódio), carbonato de cálcio, carbonato de sódio e hidróxido de sódio. A eficácia dos diferentes materiais para 15 reação com o flúor depende, entre outros, da concentração de flúor inicial na corrente gasosa, do tempo de contato entre os gases e o material reativo, a temperatura dos gases e da superfície específica do material reativo empregado.

•    Sistema de Depuração de Fluoreto por Via Seca:

No contra fluxo à corrente gasosa, pulveriza-se hidróxido de cálcio 20    - Ca(OH)2 - na forma de pó seco. O sistema pode ocorrer em um reator do tipo

Venturi e posterior passagem por filtro de mangas. Entre o percurso da corrente das emissões gasosas até o filtro de mangas se introduz reativo sólido, na forma de pó fino (cal hidratada) para retenção do fluoreto. Filtros de mangas retêm as partículas de cal com o flúor adsorvido por reação química. O sistema é mais 25 comumente utilizado em fornos monoblocos. Para o filtro de mangas a temperatura de trabalho deve ser estritamente controlada, devendo estar abaixo 180°C a 190°C.

•    Sistema de Depuração de Fluoreto por Via Seca Ativada

No contra fluxo à corrente gasosa, pulveriza-se água e cal nova 30 para retenção do fluoreto, fazendo-se a recirculação deste material até sua

saturação. O sistema pode ocorrer em um reator do tipo Venturi e posterior passagem por filtro de mangas. Filtros de mangas retêm as partículas de cal com o flúor adsorvido por reação química. Para o filtro de mangas a temperatura de trabalho deve ser estritamente controlada, devendo estar abaixo 180°C a 190°C.

5    • Sistema de Depuração de Fluoreto Via Semi-Seca

No tratamento por via semi-seca, os gases são introduzidos numa torre de evaporação total de fluxo descendente, onde, na parte superior, um sistema auxiliar injeta o reagente sob a forma de argamassa de cal diluída. Após a saturação, a argamassa de cal é descarregada na parte inferior da torre. Os 10 gases depurados passam por um sistema de filtro de mangas para retenção de material particulado. Para o filtro de mangas a temperatura de trabalho deve ser estritamente controlada, devendo estar abaixo 180°C a 190°C.

Diversos aspectos devem ser considerados para os depuradores via seca, via seca ativada e via semi-seca. O primeiro está na escolha do 15 reagente adequado para a captação do fluoreto, geralmente hidróxido de cálcio ou bicarbonato de sódio. Quanto ao aspecto de reatividade química, os dois reagentes apresentam afinidade química com o fluoreto. No entanto, a solubilidade em água do fluoreto de sódio é maior que o fluoreto de cálcio. Este é um fator importante, em termos ambientais, e que deve ser considerado para a 20 disposição final do resíduo. Em termos de custo, o hidróxido de cálcio apresenta vantagens em relação ao bicarbonato de sódio. No entanto, juntamente com o flúor outros poluentes podem estar presentes nos gases de combustão, como o dióxido de enxofre e cloretos. Neste caso, o bicarbonato de sódio apresenta maior reatividade do que o hidróxido de cálcio.

25    Outro aspecto está nos sistemas de depuração propriamente

ditos, pelo emprego de filtros do tipo manga ou eletrostáticos. Os filtros mangas apresentam vantagens em relação aos precipitadores eletrostáticos por sua tecnologia ser mais acessível e conhecida, pois é empregado na realização de outros tipos de depurações. Os precipitadores eletrostáticos requerem menos 30 manutenção quando comparados ao filtro de mangas, entretanto seu consumo de

energia é mais alto e, requerendo substituições periódicas, tem seus custos de manutenção mais elevados.

A temperatura de saída dos gases do forno pode variar de 150 °C a 300 °C. Para os depuradores eletrostáticos, isto não se caracteriza problema, pois podem trabalhar emissões com temperatura até 500 °C. Para o filtro de mangas, a temperatura de trabalho deve ser estritamente controlada, devendo estar abaixo da faixa de 180°C a 190°C. Isto condiciona o modo de operação dos filtros e o tipo de manga a ser utilizada. O arrefecimento dos gases geralmente é feito com a introdução de ar ambiente no sistema, agindo como trocador de calor, porém, aumentando ligeiramente o volume de gases a ser tratado.

Por último, porém não menos importante, é a consideração da área industrial requerida por depuradores a seco. Isto se deve ao fato de que a distância entre a introdução do reagente químico e o depurador deve ser suficiente para que o tempo de contato entre as fases sólida e gasosa mantenha a eficácia da depuração.

• Sistema de Depuração de Fluoreto Via Úmida

Neste sistema por via úmida, os gases passam por um lavador onde é pulverizada, em vários níveis, água com argamassa de cal. Parte do líquido de lavagem é bombeado para recirculação e, o restante, é destinado para tratamento posterior. Adiciona-se água ao sistema para repor o conteúdo perdido na purga para tratamento e na evaporação para arrefecimento dos gases procedentes do forno. Para reduzir a quantidade de água evaporada, a temperatura da corrente gasosa deve ficar entre 80° e 100°C. A argamassa de cal é preparada e injetada no sistema por processos auxiliares.

O resfriamento dos gases de combustão até temperaturas próximas a 100°C aumenta a probabilidade de formação de condensações ácidas que podem provocar a corrosão da instalação de depuração. Outro aspecto a ser considerado é o produto da depuração, que é material lodoso, de gestão mais complexa, principalmente para plantas que não dispõem de atomizadores.

Em resumo, fazendo-se uma análise crítica entre os sistemas de depuração de fluoreto utilizados no mercado, obtêm-se as seguintes constatações:

•    O sistema por via seca apresenta maior consumo de cal, os resíduos gerados requerem tratamento antes da disposição final e tem rendimento limitado para absorção de dióxido de enxofre, menor que 80%.

•    O sistema de depuração via seca ativada requer o tratamento do resíduo gerado antes da disposição final.

•    O sistema semi-seco necessita de manutenção relativamente cara, o custo de instalação é mais elevado e o resíduo gerado requer tratamento antes da disposição final.

•    O sistema via úmida necessita de consumo de água para sua operação, o efluente gerado requer tratamento. Devido à evaporação de água que ocorre no sistema via úmida, há emissão de fumaça branca pela chaminé, com custo elevado para sua eliminação.

•    Em relação a adsorsão química do fluoreto todos os sistemas têm eficiência igual ou superior a 95%.

Em busca da melhoria das características técnicas dos sistemas de depuração comentados anteriormente, apresenta-se aqui uma modelo de utilidade no processo de depuração de fluoreto dos gases de combustão, o sistema termo-ativado para depuração de fluoreto dos gases de combustão, utilizando como adsorvedor pelotas de cal hidratada.

O “EQUIPAMENTO TERMO-ATIVADO PARA TRATAMENTO DE EMISSÕES GASOSAS”, objeto desta patente, está relacionado ao tratamento de emissões gasosas, em especial emissões ácidas, resultantes de indústrias de base mineral que utilizam processos de sinterização ou transformação térmica de minerais argilosos ou fosfáticos.

Estudos do estado da técnica feitos pelo IPT indicaram a inexistência, ou existência em estado de sigilo, de pedido de patente relativo ao processo utilizado pelo “EQUIPAMENTO TERMO-ATIVADO PARA TRATAMENTO DE EMISSÕES GASOSAS”, contudo encontrou-se uma tecnologia similar desenvolvida pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), que propõe temperaturas mais elevadas que as usuais e adsorvedores em forma de grânulos. Trata-se da tese de doutorado “Desenvolvimento de um Absorvedor Inorgânico Sólido para Reduzir a Emissão de Fluoreto na Indústria Cerâmica”, de autoria da Dr3 Elita Fontenelle Urano de Carvalho, concluída no ano de 2004.

O processo preferencial a ser utilizado pelo “EQUIPAMENTO TERMO-ATIVADO PARA TRATAMENTO DE EMISSÕES GASOSAS” basicamente consiste na depuração de fluoreto sob temperatura na faixa de 300 °C a 1000 °C, isto é, temperaturas acima da temperatura máxima de saída dos gases do forno, sendo esta uma das suas principais características e vantagens, pois promove o aumento da reatividade do adsorvedor químico e, conseqüentemente, sua eficiência na depuração de fluoreto e demais contaminantes ácidos presentes nos gases de combustão, como cloreto, di e trióxidos de enxofre. O adsorvedor químico pode ser são hidróxido de cálcio (cal hidratada), hidrogeno carbonato de sódio (bicarbonato de sódio), carbonato de cálcio, carbonato de sódio e hidróxido de sódio já utilizados normalmente pelo estado da técnica.

Paralelamente, caso haja outros compostos no fluxo de gás efluente, estes compostos poderão ser convertidos em gases inertes ou não poluentes, face à alta temperatura à qual estarão expostos.

As depurações estão representadas pelas reações de

neutralização:

Ca(OH)2 + 2HCI Ca(OH)2 + 2HF Ca(OH)2 + S0CaS03 + V2 02


► CaCI2+ 2H20 *. CaF2 + 2H20

*    CaS03 + 2H20

*    CaS04

Outra característica ímpar deste modelo de utilidade em relação aos processos de depuração de fluoreto existentes (vias seca; seca ativada; semi-seca e úmida) está no uso do adsorvedor químico na forma de pelotas, grânulos ou briquet, dispensando, portanto, o uso de filtros no tratamento auxiliar para remoção de material particulado. A pelotização pode ser efetuada em disco pelotizador, tambor granulador ou qualquer outro equipamento do estado da técnica, de modo que o diâmetro da pelota esteja na faixa granulométrica de 2 a 10 mm, preferencialmente 2,5 mm.

Com isto, este modelo de utilidade também apresenta vantagens em relação aos custos e ao consumo de energia elétrica, quando comparados com os outros sistemas existentes no mercado.

Cabe ressaltar, ainda, que o modelo de utilidade apresentado não necessita de água para sua operação e, principalmente, após a saturação, o depurador químico (pelotas de cal) tem grande potencial de ser utilizado como insumo em outros segmentos industriais.

Com estas características, o presente modelo de utilidade apresenta eficiência de absorção de fluoreto acima de 95%, podendo atingir 99%, podendo ser utilizado por diferentes segmentos industriais e com facilidade de ser dimensionado para indústrias de diferentes portes. Em testes realizados, em escala piloto, numa indústria de fabricação de revestimentos cerâmicos, com o depurador com câmara termo-ativada, foram registrados, nos gases depurados, valores de concentração de fluoreto inferiores a 1mg/Nm3 corrigido a 18% de oxigênio, em condições normais e à base seca, numa vazão média dos gases de exaustão de 912Nm3/h. Durante estes testes, registrou-se reduções de fluoreto nos gases depurados pelo sistema com câmara termo-ativada atendendo, com folga, ao limite legal para fluoreto de 5 mg/Nm3 (18% de O2), estabelecido pela decisão 11/03/C da Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental -CETESB.