Controle Eficaz de Emissões Particuladas na Produção de Aço: Protegendo a Qualidade do Ar

Controle de Poluição do Ar – Controle de Emissões Particuladas

Uma siderúrgica possui diversos processos metalúrgicos que ocorrem em altas temperaturas. Além disso, muitos manipulam matérias-primas, algumas na forma de finos. Todos esses processos são propensos a emitir gases poluentes e material particulado na atmosfera, afetando a qualidade do ar ao redor da planta. Para melhorar e proteger a qualidade do ar, diferentes dispositivos de controle de poluição são utilizados para controle das emissões.

Durante vários anos, equipamentos de controle de poluição foram usados apenas em processos com quantidades muito altas de poluentes ou de natureza tóxica, ou onde havia valor de recuperação. Hoje, com regulamentações ambientais cada vez mais rigorosas e crescentes preocupações sociais com o meio ambiente, tornou-se necessário para a indústria siderúrgica examinar suas emissões e instalar equipamentos em todas as áreas para reduzir emissões aos níveis mínimos possíveis. Os equipamentos de controle de emissões são basicamente de dois tipos: (i) equipamentos de controle de emissões particuladas e (ii) equipamentos de controle de emissões gasosas. Este artigo descreve os sistemas de controle de emissões particuladas.

Regulamentações de material particulado (MP) adotadas nos últimos trinta anos mudaram gradualmente da regulação de partículas do modo grosso (partículas totais em suspensão - PTS) para a regulação de partículas muito pequenas nas faixas PM10 e PM2,5. Essa mudança ocorreu principalmente porque dados de pesquisa sobre efeitos na saúde indicaram que partículas pequenas estão mais relacionadas a efeitos adversos à saúde.

Histórico da Regulamentação de Emissões Particuladas

A regulamentação de emissões de material particulado remonta aos estágios iniciais da revolução industrial. Já no século XVII, observava-se a relação entre emissões de material particulado e problemas como deposição de sólidos, sujidade de tecidos, corrosão de materiais e descoloração de edifícios. Com a expansão da tecnologia e conscientização pública, tornou-se evidente que emissões de material particulado também contribuíam para certos tipos de doenças pulmonares e enfermidades relacionadas.

No final da década de 1940, vários tipos de sistemas de controle de material particulado avançaram de projetos rudimentares para formas que se assemelham aos sistemas atuais de alta eficiência. Por exemplo, precipitadores eletrostáticos (ESP) evoluíram de unidades tubulares de um campo para controle de névoa ácida para precipitadores de placa de um e dois campos. Lavadores Venturi também começaram a ser usados para controle de material particulado. Esses sistemas foram instalados principalmente para minimizar o incômodo e problemas criados pela poeira.

Classificação do Material Particulado

O material particulado pode ser dividido em duas categorias: (i) material particulado primário e (ii) material particulado secundário. O primário é emitido diretamente na atmosfera. Essas emissões foram o foco de todas as ações de controle antes de 1997. Pode consistir de partículas menores que 0,1 micrômetro a mais de 100 micrômetros, mas a maior parte enquadra-se na categoria grossa.

Com a promulgação do padrão PM2,5 voltado a partículas finas e ultrafinas, há atenção crescente sobre o material particulado secundário. Este forma-se na atmosfera devido a reações de precursores gasosos. Processos de formação secundária podem resultar na formação de novas partículas ou adição de material particulado a partículas pré-existentes. Os gases mais associados à formação secundária incluem dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio, amônia e compostos orgânicos voláteis (COVs). A maioria desses precursores gasosos é emitida de fontes antrópicas; fontes biogênicas também contribuem com alguns óxidos de nitrogênio, amônia e COVs.

O material particulado secundário subdivide-se em: (i) formado a partir de vapores condensados emitidos de fontes antrópicas e biogênicas, e (ii) formado devido a reações atmosféricas de precursores gasosos. COVs e ácido sulfúrico são exemplos comuns de emissões que podem condensar formando material particulado secundário. Esses materiais passam por sistemas de controle, incluindo dispositivos de alta eficiência, devido à sua forma de vapor na corrente de gás da fonte estacionária. Contudo, o material em fase de vapor pode, sob certas condições, condensar no ar ambiente formando partículas medidas por sistemas de amostragem ambiental. A importância relativa do material particulado condensável está começando a ser avaliada.

Mecanismos de Formação de Partículas

A faixa de tamanhos de partículas formadas em um processo depende dos tipos de mecanismos de formação presentes. É possível estimar a faixa geral reconhecendo quais são importantes no processo avaliado. Os mecanismos mais importantes em fontes de poluição do ar incluem: (i) atrito físico / dispersão mecânica, (ii) queima de partículas de combustão, (iii) condensação homogênea, (iv) nucleação heterogênea, e (v) evaporação de gotículas.

O atrito físico ocorre quando duas superfícies se esfregam. Quando partículas de combustível são injetadas na área quente do forno de combustão, a maioria dos compostos orgânicos é vaporizada e oxidada na corrente de gás. As partículas de combustível diminuem à medida que a matéria volátil sai. São rapidamente reduzidas à matéria incombustível (cinza) e carvão de queima lenta composto de compostos orgânicos. Eventualmente, a maior parte do carvão também queima, deixando principalmente material incombustível. À medida que a oxidação progride, as partículas de combustível, que começavam como partículas de 100 mm a 1.000 mm, são reduzidas a partículas de cinza e carvão principalmente na faixa de 1 mm a 10 mm. Esse mecanismo pode ser denominado queima de combustível de combustão.

A nucleação homogênea e heterogênea envolvem conversão de materiais em fase de vapor para forma de material particulado. Nucleação homogênea é a formação de novas partículas compostas quase inteiramente do material em fase de vapor. Nucleação heterogênea é o acúmulo de material nas superfícies de partículas formadas por outros mecanismos. Em ambos os casos, correntes de gás contendo vapor devem resfriar até a temperatura em que a nucleação pode ocorrer.

Alguns sistemas de controle usam água contendo sólidos reciclada de lavadores úmidos para resfriar correntes de gás. Essa prática inadvertidamente cria outro mecanismo de formação de partículas, muito similar à queima de combustível. As correntes de água são atomizadas durante injeção nas correntes de gás quente. À medida que essas pequenas gotículas evaporam até secar, os sólidos em suspensão e dissolvidos são liberados como pequenas partículas. A faixa de tamanho criada por esse mecanismo não foi extensivamente estudada, mas provavelmente cria partículas de 0,1 mm a 2,0 mm.

Forças Aplicadas para Coleta de Partículas

Sistemas de controle de poluição do ar aplicam forças às partículas para removê-las da corrente de gás. As forças são as "ferramentas" para coleta particulada. Todos esses mecanismos de força de coleta dependem fortemente do tamanho da partícula. As forças aplicadas são: (i) sedimentação por gravidade, (ii) impacto e intercetação inercial, (iii) movimento browniano da partícula, (iv) atração eletrostática, (v) termoforese, e (vi) difusioforese.

Aplicar uma ou mais dessas forças, como força eletrostática ou inercial, acelera a partícula em direção onde pode ser coletada. A extensão da aceleração é dada pela equação F = Mp × Ap, onde F é a força na partícula em g·cm/s², Mp é a massa da partícula em gramas, e Ap é a aceleração em cm/s². Dispositivos de controle são projetados para aplicar a força máxima possível nas partículas da corrente de gás. Quanto mais a partícula (ou massa aglomerada) é acelerada, mais eficaz e econômico pode ser o dispositivo.

Existem três etapas fundamentais na coleta de material particulado em sistemas de alta eficiência como filtros de mangas e precipitadores eletrostáticos: (i) captura inicial de partículas em superfícies verticais, (ii) sedimentação por gravidade dos sólidos no funil, e (iii) remoção dos sólidos do funil. Os mecanismos de coleta controlam a eficácia das duas primeiras etapas. A distribuição de tamanho das partículas é importante em cada etapa.

Todos os equipamentos de controle de emissões particuladas coletam material particulado por mecanismos envolvendo força aplicada. Os diversos equipamentos são: câmaras de decantação, ciclones, filtros de mangas e precipitadores eletrostáticos. Os mecanismos de remoção de poeira e as forças aplicadas são mostrados na Figura 1.

Câmaras de Decantação

Câmaras de decantação foram um dos primeiros dispositivos para controle de emissões particuladas. Raramente usadas hoje, pois sua eficácia na coleta de partículas é muito baixa. A força de coleta é a gravidade. Partículas grandes movendo-se devagar o suficiente em uma corrente de gás podem ser vencidas pela gravidade e coletadas na câmara.

A unidade é construída como uma caixa horizontal longa com entrada, câmara, saída e funis de coleta de poeira. A velocidade da corrente de gás carregada de partículas é reduzida na câmara. Todas as partículas estão sujeitas à força da gravidade. Na velocidade reduzida, partículas maiores (maiores que 40 micrômetros) são vencidas e caem nos funis. É usada principalmente como pré-limpeza para outros dispositivos de controle para remover partículas muito grandes. A Figura 2 mostra um projeto simples de câmara de decantação por gravidade.

Ciclones

Ciclones são dispositivos mecânicos simples normalmente usados para remover partículas relativamente grandes de correntes de gás. São usados como pré-limpeza para equipamentos mais sofisticados como precipitadores eletrostáticos ou filtros de mangas. Ciclones são mais eficientes que câmaras de decantação.

Dispositivos mecânicos usam a inércia das partículas para coleta. A corrente de gás carregada de particulados é forçada a girar de forma ciclônica. A massa das partículas faz com que se movam para fora do vórtice. A maioria das partículas de grande diâmetro entra em um funil abaixo dos tubos ciclônicos enquanto a corrente de gás vira e sai do tubo.

Existem dois tipos principais: (i) ciclones de grande diâmetro, e (ii) multiciclones de pequeno diâmetro. Ciclones de grande diâmetro normalmente têm 300 mm a 2 m de diâmetro. Multiciclones de pequeno diâmetro normalmente têm diâmetros entre 80 mm e 300 mm.

A corrente de gás entra no ciclone tangencialmente e cria um vórtice fraco de gás giratório no corpo do ciclone. Partículas de grande diâmetro movem-se para a parede do corpo e então sedimentam no funil. O gás limpo vira e sai. Ciclones de grande diâmetro coletam partículas com diâmetros de 1,5 mm a mais de 150 mm.

As forças de coleta são centrífuga e gravitacional. A forma do ciclone faz a corrente de gás rotacionar em movimento espiral. Partículas maiores movem-se para fora da parede por virtude de seu momento. Perdem energia cinética ali e são separadas da corrente de gás. São então vencidas pela força gravitacional e caem para coleta. A entrada dos ciclones é projetada para mudar o padrão de fluxo do gás entrante de fluxo reto para padrão circular formando o vórtice.

No caso de multiciclone, ciclones axiais são usados em paralelo. Em ciclones axiais, o gás entra pelo topo e é direcionado para padrão de vórtice por aletas fixadas ao tubo central. Em multiciclone, gás sujo entra uniformemente através de todos os ciclones individuais. A Figura 3 mostra dispositivos ciclônicos.

Filtros de Mangas (Bag Filters)

Filtros de mangas usam material filtrante como nylon ou lã para remover partículas de gases carregados de poeira. As partículas são retidas no tecido enquanto o gás limpo passa através dele. As partículas coletadas são removidas do filtro de tecido por mecanismo de limpeza: sacudimento mecânico ou jato de ar. As partículas removidas são armazenadas em funil de coleção. A Tabela 1 mostra materiais de fibra típicos usados em mangas com suas propriedades.

Tabela 1: Tecidos típicos usados para mangas
Fibra	Temperaturas máximas		Resistência a ácido	Resistência a álcalis	Resistência à abrasão por flexão
	Contínua	Picos
	°C	°C
Algodão	82	107	Ruim	Muito boa	Muito boa
Polipropileno	88	93	Boa a excelente	Muito boa	Excelente
Nylon	93-107	121	Ruim a regular	Boa a excelente	Excelente
Orlon	116	127	Boa a excelente	Regular a boa	Boa
Dacron	135	163	Boa	Boa	Muito boa
Nomex	204	218	Ruim a boa	Boa a excelente	Excelente
Teflon	204-232	250	Exceto ruim para Flúor	Exceto ruim para tri-fluoreto, cloro e metais alcalinos fundidos	Regular a boa
Fibra de vidro	260	288	Regular a boa	Regular a boa	Regular

Em filtros de mangas, três forças separadas são responsáveis pela remoção e coleta de partículas dos gases: impacto, intercetação direta e difusão. Ocorre impacto quando a partícula é tão grande que não consegue seguir a corrente de gás e atinge/impacta na fibra da manga, separando-se da corrente. Na intercetação direta, a partícula segue a corrente ao redor das fibras até ocorrer colisão devido à distância entre o centro da partícula e a fibra ser menor que o raio da partícula. A difusão ocorre porque partículas muito pequenas sofrem movimento browniano através do volume do gás. Partículas muito pequenas são afetadas por colisão de moléculas na corrente de gás. Essas partículas movendo-se aleatoriamente difundem-se através do gás para impactar na fibra e serem coletadas.

Filtros de mangas normalmente têm grande número de bolsas cilíndricas de fibra penduradas verticalmente. Quando camadas de poeira atingem espessura suficiente, as bolsas são limpas, fazendo as partículas caírem no funil de coleção. As bolsas podem ser limpas por vários métodos. Os três mais comuns são: sacudimento, limpeza a ar reverso e jato pulsado. No sacudimento mecânico, as bolsas são sacudidas suavemente por sistema de acionamento para remoção da poeira depositada. Na limpeza a ar reverso, o compartimento do filtro é lavado contra a corrente com fluxo de ar de baixa pressão. A poeira é removida apenas permitindo que as bolsas colapsem. O mecanismo de jato pulsado é o mais popular. Usa jato de ar de alta pressão para remover a poeira da bolsa. O bolo de poeira é removido por jato de ar comprimido injetado no topo do tubo da bolsa. O jato de ar de alta pressão interrompe o fluxo normal de ar através do filtro. O ar desenvolve-se em onda de choque que faz a bolsa flexionar ou expandir conforme a onda percorre o tubo. À medida que o bolo flexiona, ele fratura e as partículas depositadas caem da bolsa. A onda de choque percorre o tubo para baixo e para cima em cerca de 0,5 segundos. O jato de ar comprimido deve ser forte o suficiente para percorrer o comprimento da bolsa e quebrar ou rachar o bolo de poeira.

A bolsa do filtro tem vida útil e precisa de substituição quando esta termina. Três condições afetam adversamente a vida das bolsas: abrasão, alta temperatura e ataque químico.

Uma das variáveis importantes no projeto de filtro de mangas é a razão ar/tecido. Razão muito alta resulta em quedas de pressão excessivas, eficiência de coleta reduzida, bolsas ficando solidamente empoeiradas e deterioração rápida das bolsas. A Figura 4 mostra filtro de mangas com jato pulsado.

Precipitador Eletrostático (ESP)

O precipitador eletrostático coleta partículas com diâmetros na faixa de 0,1 a 10 micrômetros. Usa campos de alta tensão não uniformes para aplicar grandes cargas elétricas às partículas movendo-se através do campo. As partículas carregadas movem-se para uma superfície de coleta com carga oposta, onde se acumulam. Sua eficiência de coleta é alta, às vezes excedendo 99%. ESPs podem manejar grandes volumes de gás de exaustão em faixa de temperatura de 175°C a 700°C.

Existem três estilos principais: (i) precipitadores secos carregados negativamente, (ii) precipitadores de parede molhada carregados negativamente, e (iii) precipitadores de dois estágios carregados positivamente. Os precipitadores secos carregados negativamente são o tipo mais usado em grandes aplicações. Precipitadores de parede molhada (às vezes chamados precipitadores úmidos) são frequentes para coleta de névoa e/ou materiais sólidos moderadamente pegajosos. Os precipitadores de dois estágios carregados positivamente são usados apenas para remoção de névoas. A Figura 5 mostra o precipitador eletrostático e seu conceito.

O mecanismo de coleta de partículas em um ESP é a força eletrostática. Partículas de poeira suspensas no gás de chaminé são carregadas ao passar pelo ESP. Uma alta tensão, pulsante, corrente contínua é aplicada a um sistema de eletrodos consistindo de um eletrodo de descarga de pequeno diâmetro e um eletrodo de coleta. O eletrodo de descarga é normalmente carregado negativamente. O eletrodo de coleta é normalmente aterrado. A tensão aplicada é aumentada até produzir descarga corona, visível como brilho azul luminoso ao redor do eletrodo de descarga. A corona causa ionização das moléculas de gás. Os íons de gás negativos produzidos migram para o eletrodo de coleta aterrado. Os íons negativos bombardeiam as partículas suspensas na corrente de gás de chaminé e impartem carga negativa a elas. Partículas carregadas negativamente migram para o eletrodo de coleta e são coletadas.

O ESP tem seis elementos essenciais: (i) eletrodo de descarga, (ii) eletrodo de coleta, (iii) sistema elétrico, (iv) martelo vibratório (rapper), (v) funil, e (vi) carcaça. O eletrodo de descarga é normalmente um fio metálico de pequeno diâmetro, usado para ionizar o gás carregando as partículas de poeira e criar forte campo elétrico. O eletrodo de coleta é uma placa plana ou tubo com carga oposta à do eletrodo de descarga, coletando as partículas carregadas. O sistema elétrico consiste em componentes de alta tensão para controlar a força do campo elétrico entre os eletrodos. O martelo vibratório imprime vibração ou choque aos eletrodos para remover a poeira coletada. Martelos removem poeira acumulada tanto em eletrodos de coleta quanto de descarga. Funis na base dos ESPs coletam e armazenam temporariamente a poeira removida durante o processo de vibração. A carcaça envolve os eletrodos e suporta todo o ESP.

A resistividade das partículas de poeira afeta drasticamente a eficiência de coleta do ESP. Resistividade descreve a resistência da camada de poeira coletada ao fluxo de corrente elétrica. Partículas com alta resistividade são mais difíceis de coletar que as de resistividade normal. Alta resistividade pode ser reduzida ajustando temperatura e teor de umidade do gás de chaminé fluindo para o ESP. Contudo, ao ajustar temperatura e umidade, deve-se garantir que a temperatura do gás de chaminé esteja acima do ponto de orvalho, caso contrário há corrosão das placas.

Um parâmetro importante no projeto de ESP é a área de coleta específica, definida como a razão entre a área de superfície de coleta e a vazão de gás no ESP. Aumentar a área de superfície para uma dada vazão de gás de chaminé normalmente aumenta a eficiência de coleta do precipitador.