CONTROLE DA POLUIÇÃO DO AR NA INDÚSTRIA AÇUCAREIRA

AUTOR: ELECTO SILVA LORA ESCOLA FEDERAL DE ENGENHARIA DE ITAJUBÁ

STAB 2000

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PREFÁCIO Segundo o Economista Norteamericano Kenneth Boulding, a percepção humana do meio ambiente durante o século XX tem evoluído, a partir do que ele chama de “visão de cowboy” até o que chama de “visão de astronauta”. O “cowboy” de seu cavalo, sempre com seus “colts” prestes a disparar, descobre extensos territórios a conquistar e desconsidera os efeitos que pode produzir em seu empenho, .......afinal a terra lhe parece enorme. O “astronauta” vê a terra como um planeta de dimensões finitas, no que devem prevalecer a re-utilização, recuperação e a conservação dos recursos naturais, uma vez que desde o espaço já são visíveis alguns efeitos da “atividade humana moderna” tais como queimadas, incêndios em jazidas de petróleo, a iluminação noturna das cidades, etc. Esperamos que este modesto material contribua para que a visão do “astronauta” ganhe cada dia mais adeptos entre os técnicos da agroindústria açucareira. Creio ser útil neste momento citar uma frase de Jacques Cousteau: “Ao falar da influência do homem sobre o meio ambiente, não podemos esquecer de que também fazemos parte dele”. Qualquer poluição ao meio ambiente se voltará contra nós, como um “boumerang”, e afetará a curto ou longo prazo a nossa qualidade de vida e das gerações vindouras. Façamos do belo conceito de desenvolvimento sustentável um guia de ação para nossas atividades diárias. Este publicação complementa o livro “Tecnologias de Conversão Energética da Biomassa”, editado em 1997 pela Universidade de Amazonas, no qual os problemas ambientais relacionados com a utilização da biomassa como combustível foram tratados de maneira muito breve. Gostaria de agradecer a colaboração da CETESB, COPERSUCAR, da ABB do Brasil, da GEPLACEA e do Eng. Norman Magasiner, notável especialista em caldeiras de vapor, pelo fornecimento de dados, informações e critérios que enriqueceram este material. Aos colegas da LAICA, agradeço pela idéia do Seminário realizado em outubro de 1997, o qual me permitiu começar a organizar informações dispersas e meditar sobre estes problemas. Agradeço também ao Engenheiro Istvan Hervas pelo seu aporte na elaboração da informação disponível sobre a granulometria das cinzas do bagaço de cana e os exemplos de cálculo do capítulo 7, ao M.Sc. Flávio Neves Teixeira pela tradução ao português e ao desenhista Messias Tadeu Salgado pela confecção dos desenhos. Meus agradecimentos também aos alunos de pós-graduação da EFEI Ricardo Carrasco Carpio e Felipe Ponce Arrieta pela contribuição no capítulo dedicado à cogeração e o meio ambiente e pela revisão em múltiplas ocasões. Um agradecimento especial para os Prof. Luís Augusto Barbosa Cortez e Silvia Azucena Nebra de Perez pela cuidadosa revisão do manuscrito original e as inúmeras sugestões. Agradeço á Sociedade de Técnicos açucareiros do Brasil - STAB pelo entusiasta apoio para a publicação deste livro, especialmente de parte do Presidente José Paulo Stupiello. O Congresso Internacional da ISSCT em Nova Delhi foi um marco propício para a discussão desta idéia com a diretiva da STAB.

Electo Silva Lora Itajubá, abril de 2000

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Índice 1- Gerenciamento ambiental 1.1- Introdução ..................................................................................................................6 1.2- A empresa e o meio ambiente ....................................................................................7 1.3- Gerenciamento ambiental.........................................................................................10 1.4- Prevenção da poluição..............................................................................................12 1.5- Implementação de um sistema de prevenção da poluição........................................14 1.6- As normas ISO 14000 ..............................................................................................16 Referências ......................................................................................................................18

2- A Indústria açucareira e o meio ambiente 2.1- Introdução ................................................................................................................20 2.2- Matriz de impactos ambientais na indústria açucareira ...........................................23 2.3- Gerenciamento ambiental na indústria açucareira ...................................................24 2.4- Normas de emissão de particulados vigentes em diferentes países. Tendências .....26 2.5- Efeitos à saúde humana pelos poluentes atmosféricos.............................................26 2.6- Normas de qualidade do ar.......................................................................................29 Referências ......................................................................................................................31

3- Fontes de poluição do ar na indústria açucareira 3.1- A queima da cana para o corte. Emissões e medidas de controle ............................33 3.2- Utilização do bagaço como combustível. Tipos de caldeiras: sistemas de combustão e parâmetros de operação .......................................................................36 3.3- Fatores que afetam o nível e características das emissões de poluentes em caldeiras para bagaço................................................................................................56 Referências ......................................................................................................................59

4- Caracterização das emissões produto da queima do bagaço de cana 4.1- Fatores de emissão em caldeiras para bagaço ..........................................................62 4.2- Granulometria dos particulados. Composição .........................................................62 4.3- Concentração de óxidos de nitrogênio nos produtos de combustão ........................64 4.4- Métodos de controle das emissões de NOx. Redução seletiva não catalítica dos óxidos de nitrogênio (injeção de amônia)..........................................................71 Referências ......................................................................................................................75

5- Seleção, dimensionamento e avaliação econômica de equipamentos para o controle de particulados 5.1- Equipamentos para o controle de particulados: Seleção ..........................................77 5.2- Separadores ciclônicos: dimensionamento, cálculo da eficiência e queda de pressão ......................................................................................................................85 5.3- Lavadores de gás: parâmetros de operação e eficiência...........................................92 5.4- Precipitadores eletrostáticos: características construtivas e dimensionamento......101 5.5- O separador de núcleo ............................................................................................109 5.6- Avaliação preliminar do custo de sistemas de separação de particulados .............111 Referências ....................................................................................................................113

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6- Tecnologias para o controle de particulados em caldeiras a bagaço: Experiências de operação 6.1- Multiciclones..........................................................................................................116 6.2- Lavadores de gás ....................................................................................................116 6.3- Precipitadores eletrostáticos...................................................................................122 6.4- Filtros de mangas ...................................................................................................123 Referências ....................................................................................................................124

7- Cogeração, eficiência energética e meio ambiente 7.1- Introdução ..............................................................................................................126 7.2- Cogeração com tecnologias convencionais (ciclos de vapor)................................129 7.3- Cogeração com tecnologias avançadas (gaseificação de bagaço e turbinas a gás) .........................................................................................................................131 7.4- Consumo de vapor no processo..............................................................................138 7.5- Cogeração e diversificação.....................................................................................139 7.6- O problema do combustível auxiliar para a entressafra .........................................142 7.7- Critérios de eficiência em sistemas de cogeração ..................................................145 7.8- Cogeração e meio ambiente ...................................................................................147 Referências ....................................................................................................................150

8- Exemplo de cálculo 8.1- Dados gerais ...........................................................................................................154 8.2- Cálculo da vazão total de gases..............................................................................154 8.3- Projeto de multiciclones .........................................................................................157 8.4- Projeto de um lavador de gás tipo torre de nebulização.........................................161 8.5- Cálculo da eficiência de um lavador de gás tipo Venturi.......................................163 8.6- Dimensionamento de um precipitador eletrostático...............................................164

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Dedico este livro aos meus pais, Electo e Dolores.

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1- GERENCIAMENTO AMBIENTAL 1.1- Introdução Com o homem e sua atividade agroindustrial apareceu a poluição ambiental. O descobrimento do fogo e a conseqüente poluição do ar, assim como a salinização e o esgotamento de terras agrícolas constituíram os primeiros impactos negativos do homem sobre o meio ambiente. Durante o Império Romano com a construção da “cloaca máxima”, o sistema de evacuação de esgotos de Roma, o homem teve o primeiro intento de atenuar o efeito negativo da civilização sobre o meio ambiente. Etapas posteriores de “descaso ambiental” se caracterizaram por epidemias de peste e freqüentes episódios de poluição em Londres, o berço da revolução industrial, com milhares de “mortes em excesso”. Embora não tenha sido até meados deste século que a carga de contaminantes ultrapassou a capacidade natural de “tratamento” da natureza e começaram a se agravar os problemas ambientais, passando estes de locais e regionais, a problemas de caráter global. Nos países desenvolvidos a partir de 1970, começou a implementação de legislações ambientais coerentes e a criação de órgãos de controle ambiental como a Environmental Protection Agency - EPA dos Estados Unidos, enfatizando-se um enfoque normativo-corretivo à solução dos problemas ambientais. Este último conhecido como “end-of-pipe technologies”, ou seja uma estratégia fundamentada no tratamento terminal de efluentes e resíduos. Uma análise de quase 30 anos de aplicação desta conceituação mostra uma certa melhoria da qualidade ambiental e o gasto de milhares de milhões de dólares. Nos países em desenvolvimento o quadro ambiental é geralmente mais crítico. O processo de urbanização intensa com o aparecimento de mega-cidades como Cidade de México, São Paulo, Bombaim, etc, tem tornado os problemas ambientais incontroláveis. A escassez de recursos para investimentos, uma legislação ambiental fraca ou inexistente e a pouca atuação dos órgãos de controle ambiental agravaram ainda mais esta situação. Por outro lado continua válido o dito de que “a pobreza é a pior forma de poluição”, contrapondo-se geralmente esforços desenvolvistas à programas de controle ambiental. As sociedades mais desenvolvidas se caracterizam por maiores quantidades de resíduos e maiores emissões de poluentes relacionados com o consumo de energia, tais como o CO2. A humanidade entra no século XXI enfrentando problemas ambientais extremamente complicados, cuja solução parece estar mais na aplicação de uma estratégia ambiental preventiva do que em ações corretivas. Uma diversidade de termos tem sido propostos para denominar esta estratégia preventiva, que vão desde os mais conservadores como minimização de resíduos, até os mais radicais como ecologia industrial, prevenção da poluição e poluição zero. Neste trabalho utilizaremos a terminologia prevenção da poluição, também conhecida como 2P, considerando estar mais de acordo com a essência da abordagem proposta e seu objetivo. Durante a Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento (UNCED), conhecida como a ECO 92, realizada no Rio de Janeiro, mais de cem países firmaram um documento-programa de ação: a agenda 21, propondo a redução da quantidade de energia e materiais utilizados na produção de bens e serviços, a disseminação de tecnologias limpas e a promoção de investigações para o desenvolvimento de novas fontes de energia e de recursos naturais renováveis. Os países signatários concordaram no que diz respeito à necessidade de que as empresas

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busquem qualidade e eficiência em suas relações com o meio ambiente, através da implementação de programas de gestão ambiental. As normas ISO 14000 constituem o padrão de referência atual para o gerenciamento voluntário do meio ambiente no setor industrial. O gerenciamento ambiental deve ter uma abordagem multilateral, considerando que os problemas ambientais e sua solução são determinados não só por fatores tecnológicos, como também por questões econômicas, físicas, sociais, culturais e políticas.

1.2- A empresa e o meio ambiente Uma empresa não é uma organização isolada na sociedade, pois ela interage com o mercado, com as instituições que desenvolvem tecnologia, com os órgãos de controle ambiental e com a sociedade como um todo (Figura 1.1). Evidentemente assuntos como a competitividade através de políticas de preços e qualidade são de vital importância. A questão ambiental deve ser considerada um elemento a mais de competitividade, pois como é dito freqüentemente, não é possível falar de qualidade total, pensando somente na qualidade intrínseca do produto, sem considerar a qualidade ambiental, e porque não também a qualidade nas questões de saúde e segurança (Figura 1.2). A sociedade tenta impor nas empresas um comportamento ambiental correto através de leis e normas, cujo cumprimento é verificado pelos órgãos de controle ambiental. A maioria das vezes isto não é suficiente e precisa-se da mobilização dos meios de comunicação, das ONGs e associações comunitárias em defesa do meio ambiente. Os selos verdes constituem um estímulo da sociedade aos fabricantes de produtos ambientalmente corretos. Finalmente os centros de desenvolvimento de tecnologia oferecem recursos e soluções às empresas nas áreas de prevenção e controle da poluição. Nestes tempos de profunda preocupação da sociedade pelos problemas ambientais as empresas estão deixando as posturas passivas e reativas para adotar um comportamento ambiental pró-ativo, e por que não, uma atitude voluntária (Tabela 1.1). Neste momento o problema ambiental se torna uma oportunidade adicional de negócios. Alguns conferencistas aproveitam a oportunidade para ilustrar esta aparente contradição com o exemplo do ideograma “crise” em chinês, que está formado pela combinação dos ideogramas perigo e oportunidade (Ostronoff, 1993). Em nosso caso, a crise ambiental constitui uma ameaça à sobrevivência do homem e da natureza, mas ao mesmo tempo, é uma oportunidade de se continuar a vida sobre a base de novos paradigmas. Assim, para as empresas o meio ambiente deixou de ser um aspecto de nenhum ou pouco interesse, onde a única preocupação é cumprir minimamente com leis e legislações, passando a ser uma fonte adicional de eficiência e competitividade.

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MERCADO Preferência por produtos ambientalmente sadios. Preço Qualidade Selos verdes EMPRESA Imagem Restrições Segurança SOCIEDADE ONG, meios de comunicação, associações comunitárias, ambientalistas

ÓRGÃOS DE CONTROLE AMBIENTAL Leis, normas, selos verdes PREVENÇÃO e CONTROLE

Figura 1.1- Interações entre a empresa, o mercado, a sociedade e os órgãos de controle ambiental.

QUALIDADE INTRÍNSECA QUALIDADE AMBIENTAL

QUALIDADE

SAÚDE

SEGURANÇA Figura 1.2- Componentes do critério moderno de qualidade.

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Tabela 1.1- Diferentes estágios das empresas em relação à postura ambiental (Reis, 1996). Estágios

Passivo

Reativo

Pró-ativo

Postura • Acha que as questões ambientais são “coisas de ecologistas” e que só servem para reduzir os lucros; • Não realizam investimentos para reduzir e controlar impactos. • Busca cumprir a lei quando é exigido pelas autoridades; • Tenta postergar ao máximo os investimentos em controle ambiental. • Sabe que é melhor e mais barato “fazer as coisas corretamente desde o início para não ter que corrigir depois”; • Gerencia riscos, e corrige os problemas (auditoria ambiental interna); • Possui um SGA integrado à suas demais funções corporativas.

Possíveis situações •

Conseqüências

Conflitos com as partes interessadas; Multas e penalidades legais; Os concorrentes irão explorar o “mau comportamento”.

• Passivos legais; • Alvo permanente dos fiscais (intolerância); • Redução do mercado; • Não atrai investidores e financiadores.

• Exposição legal; • Risco de acidentes com graves conseqüências econômicas e financeiras; • Exposição aos concorrentes. • Gerenciamento dos riscos ambientais; • Racionalização dos investimentos ambientais; • Melhores resultados operacionais (conservação de matéria/energia); • Maior aceitação pelo mercado (credibilidade).

• Potenciais passivos legais; • Ricos financeiros; • Ricos de perda de mercado; • Precisa “justificar-se” com grande freqüência.

• •

• Relacionamento amistoso com a agência ambiental; • Poucas chances para multas e penalidades; • Maior satisfação dos empregados; • Atrai investidores e acionistas; • Acesso a financiamentos favorecidos; • Ampliação da participação no mercado.

Reis (1996), analisa a situação das empresas ante os problemas ambientais e destaca: • Os consumidores, principalmente nos países desenvolvidos, estão dando preferência a produtos ambientalmente sadios, contando com estruturas oficiais de certificação de qualidade ambiental (selos verdes), inclusive pagando preços maiores; • A presença de ambientalistas nos parlamentos é um fato universal. Os ambientalistas modernos são extremamente preparados e pragmáticos, tornando-se bem mais difícil a posição das organizações ou setores denunciados; • Poucas empresas seriam capazes de sobreviver caso sejam aplicadas multas, penalidades e indenizações do porte das impostas à Union Carbide (US$ 5 bilhões) por causa do acidente de Bhopal, no qual cerca de 5 mil pessoas perderam a vida e à

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Esso (US$ 10 bilhões) em função do derramamento de petróleo causado pela Exxon Valdez na costa do Alasca; • Os acionistas europeus e norte-americanos exigem informações ambientais das empresas que recebem seus recursos; • A globalização da informação tende ao estabelecimento de valores universais, dentre os quais as questões ambientais ocupam uma posição destacada. Enfim, para sobreviver, ainda com vantagens, no meio destas correntes e fenômenos novos, é importante para a empresa adotar uma política ambiental bem definida e utilizar as ferramentas e soluções disponíveis para a sua implementação, tais como as normas de gerenciamento ambiental ISO 14000, a prevenção da poluição, poluição zero, etc. Está acontecendo na esfera do relacionamento empresa - meio ambiente uma rápida mudança de paradigmas (Tabela 1.2). Para uma empresa, lutar contra a corrente da eco-estratégia empresarial e ficar ancorada em posturas tradicionais de maximização de lucros a qualquer preço, significa um perigo para a sobrevivência da mesma. O outro extremo é o chamado “maquiagem verde”, um disfarce ambientalista para o mesmo comportamento tradicional. Até algum tempo, ante a proliferação das gasolinas “verdes” e “ecológicas”, alguém perguntou publicamente numa reunião dedicada às fontes renováveis de energia, porque nada se fala do álcool verde, ou de um eco-álcool?. Tabela 1.2- Mudança de paradigmas na relação empresa - meio ambiente (Gazeta Mercantil, 1996). Os velhos paradigmas A responsabilidade ambiental corrói a competitividade. A gestão ambiental é coisa apenas para grandes empresas.

O ambientalmente correto A eco-estratégia empresarial gera novas oportunidades de negócios. A pequena empresa é até mais flexível para introduzir programas ambientais. As ONG se consolidam tecnicamente e O movimento ambientalista atua participam da maioria das comissões de completamente fora da realidade. certificação ambiental. A função ambiental está em diversos A função ambiental na empresa é exclusiva setores do planejamento estratégico da do setor de produção. empresa.

1.3- Gerenciamento ambiental O sistema de gestão ambiental é o mecanismo de controle e melhoria do desempenho ambiental de uma empresa. Gilbert (1994) considera que uma boa gestão ambiental precisa de determinadas diretrizes e princípios (Figura 1.3): • Uma declaração de políticas que indica o COMPROMETIMENTO GERAL DA EMPRESA - POLÍTICA AMBIENTAL com a melhoria do desempenho ambiental, incluindo a conservação e proteção dos recursos naturais, a minimização de resíduos, o controle da poluição e a melhoria contínua;

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• Um conjunto de planos e programas para implementar a política em toda a organização, incluindo a extensão do programa a fornecedores e clientes (PLANO DE AÇÃO: OBJETIVOS E METAS); • Integração dos planos ambientais no dia a dia operacional da organização, desenvolvendo técnicas e tecnologias inovadoras para minimizar o impacto da organização sobre o meio ambiente. A previsão de informações, educação e treinamento para melhorar a compreensão dos problemas ambientais (IMPLEMENTAÇÃO); • Medição do desempenho da gestão ambiental em relação aos planos e programas (MONITORAMENTO E AUDITORIAS); • Aperfeiçoamento do sistema de gestão ambiental. REDEFINIÇÃO DE OBJETIVOS → MELHORIA CONTÍNUA.

SISTEMA DE GESTÃO AMBIENTAL

COMPROMETIMENTO GERAL DA EMPRESA POLÍTICA AMBIENTAL

PLANO DE AÇÃO OBJETIVOS E METAS REDEFINIÇÃO DE OBJETIVOS

MELHORIA CONTÍNUA

IMPLEMENTAÇÃO

CONTROLE MONITORAMENTO E AUDITORIAS Figura 1.3- Elementos de implementação de um sistema de gestão ambiental. Informações necessárias para a elaboração do Plano de Ação: • Conhecer a legislação ambiental vigente no país, suas possíveis mudanças futuras e ter como referência a legislação dos países mais avançados; • Informações sobre o consumo de matérias-primas, energia, água, reativos, etc. (em cada etapa do processo); • Tipo e quantidade de resíduos gerados em cada etapa do processo, incluindo o ruído.

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O plano de ação deve definir ao responsável por cada item, recursos disponíveis, patamar que se pretende atingir e prazo de cumprimento. Ferramentas da gestão ambiental: 1. PRODUTOS. Eco-rotulado de produtos através da análise do ciclo de vida (ACV); 2. PROJETOS. Avaliação do impacto ambiental (EIA e RIMA); 3. INSTALAÇÕES. Auditoria ambiental (avaliação sistemática, documentada, periódica e objetiva do desempenho ambiental da organização, gerência e equipamentos).

1.4- Prevenção da poluição A estratégia ambiental convencional tem os seguintes objetivos: • • • •

Controle da poluição; Remoção de resíduos; Tratamento (modificação do volume e a toxicidade); Disposição final (geralmente em aterros sanitários). Como resultados de sua aplicação tem-se:

• Certa melhoria da qualidade ambiental; • Transferência de poluentes de um meio para outro. Assim, por exemplo, a disposição de resíduos em aterros sanitários provoca a contaminação do ar por emissões de metano e orgânicos voláteis, além da possibilidade de contaminar as águas subterrâneas e reservatórios com os lixiviados - produto da degradação dos resíduos. É necessário assinalar que os sistemas de controle da poluição geralmente são extremamente caros e a instalação de tecnologias de tratamento é vista pelos industriais como um investimento não produtivo, que freqüentemente aumenta os custos de operação. Para os países em desenvolvimento, com recursos limitados para investimentos, a estratégia ambiental convencional não pode constituir a estratégia ambiental principal. Mas é claro que o tratamento de efluentes torna-se a única opção naqueles casos em que as medidas de prevenção da poluição são tecnicamente irrealizáveis ou economicamente injustificáveis. Porque a preferência pelo controle na fonte? • Uma vez que o poluente chega ao ambiente, vai recircular através do ar, água e solo; • A prevenção da poluição leva à diminuição dos custos de disposição final dos resíduos devido a diminuição radical da quantidade dos mesmos. Diminuem também os custos de produção devido a utilização mais eficiente das matérias-primas e da energia, assim como dos investimentos de capitais em sistemas de tratamento de resíduos. Evidentemente a prevenção da poluição apresenta, diferentemente do tratamento de resíduos, um benefício econômico, o que a faz mais atrativa para as empresas. Isto não quer dizer que qualquer projeto de prevenção da poluição se pague completamente por si mesmo em um tempo aceitável;

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• A implantação de sistemas de gerenciamento ambiental baseados na prevenção da poluição melhora a imagem pública da empresa ante os consumidores, as comunidades vizinhas, a imprensa, o público em geral e as agências ambientais; • Melhora a competitividade da empresa frente ao estabelecimento de critérios ambientais por alguns consumidores durante a seleção dos fornecedores. Um exemplo típico deste caso é na indústria brasileira de produção de papel, eminentemente exportadora. Importadores europeus exigem certificado de procedência da madeira e do tipo de processo utilizado no branqueamento da polpa. A difusão na Europa e nos Estados Unidos dos chamados “selos verdes” faz evidente esta tendência; • É mais fácil cumprir as novas leis e regulamentos ambientais; • As fontes não pontuais e as pequenas fontes dispersas (hospitais, estabelecimentos comerciais, etc.) são difíceis de serem controlados pelos métodos tradicionais, já que para plantas de pequeno porte são economicamente inviáveis. Um exemplo típico são os pequenos curtumes. Um fator que inibe a realização de atividades de prevenção da poluição na indústria é o temor de que estas medidas afetem a qualidade do produto, ao ponto de torná-lo inaceitável pelos consumidores (Freeman et al., 1992). Um outro problema que se apresenta em alguns países é a incompatibilidade entre as medidas de recuperação e reciclagem de alguns produtos com a legislação ambiental vigente. Durante a análise econômica dos projetos de prevenção da poluição é necessário que se calcule o custo verdadeiro da geração de resíduos, incluindo seu tratamento e disposição final. É importante que sejam estabelecidos incentivos econômicos aos projetos de prevenção da poluição a fim de facilitar sua realização. Como dito anteriormente, embora apresentem um maior ou menor retorno econômico, estes projetos necessitam de investimentos iniciais, nem sempre compensados totalmente pelos benefícios econômicos resultantes. Os métodos gerais da prevenção da poluição são (Figura 1.4): • Mudanças no produto; • Mudanças no processo. Em relação ao produto a tendência é utilizar as técnicas do “projeto para o meio ambiente”. Trata-se do projeto de produtos ambientalmente compatíveis com um efeito desfavorável mínimo sobre o meio ambiente, como resultado de sua fabricação, uso, e disposição final. É necessário reconhecer os impactos ambientais como uma medida da qualidade do produto e introduzir as exigências ambientais já nas primeiras etapas do projeto do mesmo.

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Controle na fonte Prevenção da poluição

Mudanças no produto • Projeto para um menor impacto ambiental. • Incremento da vida útil do produto (reparação, reutilização, upgrading, recondicionamento). • Produtos multifuncionais.

Mudanças na matéria prima • Purificação de materiais. • Substituição por materiais (matéria prima, solventes, catalisadores) menos tóxicos.

Mudanças tecnológicas • Incremento do nível de controle automático e computarização. • Melhorias nos equipamentos. • Novas tecnologias (tecnologias limpas).

Mudanças no processo

• • • • •

•

Práticas de operação e manutenção melhoradas Manutenção preventiva. Técnicas de gerenciamento. Melhor manuseio da matériaprima (minimização de perdas). Controle de inventário. Treinamento do pessoal. Segregação de resíduos.

Figura 1.4- Métodos gerais da prevenção da poluição. Adaptado de Shen (1995). O projeto para o meio ambiente utiliza as seguintes ferramentas: • A avaliação do ciclo de vida do produto; • O projeto do ciclo de vida do produto; • A análise de custo do ciclo de vida do produto. O conceito de análise do Ciclo de Vida foi definido em um Seminário da Sociedade de Toxicologia e Química Ambiental (SETAC) em 1990, como uma “abordagem holística para avaliar o impacto ambiental de um produto do berço ao túmulo” (Freeman et al., 1992).

1.5- Implementação de um sistema de prevenção da poluição Os passos a seguir durante a implementação de um sistema de prevenção da poluição são os seguintes (adaptado e ampliado de Weaver, 1996): Passo I: Estabelecer um sistema geral de prevenção da poluição (em essência trata-se da obtenção e análise da informações necessárias com o objetivo de elaborar um “plano de ação”); • Realizar uma avaliação preliminar dos resíduos a fim de identificar oportunidades para a prevenção da poluição;

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• Providenciar sistemas para a medição e monitoramento dos resíduos; realização de um balanço de massa para todas as matérias-primas, produtos e resíduos (aqui pode detectar-se as fontes de perdas de matéria-prima, água, energia, etc); • Analisar a eficiência econômica das medidas para a redução de resíduos; • Realizar uma avaliação dos riscos associados às diferentes correntes de resíduos, a fim de estabelecer a urgência de ação (avaliação de efeitos ambientais); • Priorizar resíduos para ação e aplicação de recursos (etapas sucessivas do sistema de prevenção incluirão metas mais ambiciosas); • Estabelecer objetivos específicos na redução de resíduos; • Treinar o pessoal para a implementação do plano de redução de resíduos (etapa importante pois os critérios de avaliação da qualidade, incluirão também aspectos ambientais); • Comunicar o plano e os objetivos aos empregados e ao público. Passo II: Implementar a prevenção da poluição (uma primeira etapa de aplicação, consistente em procedimentos operacionais relativamente simples e com ganhos econômicos imediatos). • Segregação dos resíduos para a reciclagem, tratamento e redução da toxicidade; • Modificar os resíduos para usos alternativos, tais como sua comercialização ou reciclagem interna na planta; • Encontrar substitutos para matérias-primas e reativos tóxicos; • Melhorar a eficiência de utilização de matérias-primas e energia por meio de mudanças no processo; • Utilização de tecnologias de separação para a recuperação de reativos e matériasprimas (tecnologias de membrana, intercâmbio iônico, etc). Passo III: Elaborar um plano para o futuro (projeto para o meio ambiente e novas tecnologias - maior complexidade e necessidade de investimentos). • • • •

Introduzir um programa compreensivo de projeto para o meio ambiente; Reduzir a poluição pela utilização e disposição final dos produtos; Desenvolver uma estratégia de substituição do produto para minimizar resíduos; Utilizar critérios de prevenção da poluição durante o desenvolvimento de produtos novos ou melhorados; • Realizar a análise do ciclo de vida e a análise do custo do ciclo de vida para todos os novos produtos; • Desenvolver e avaliar em nível piloto novas tecnologias para a redução de resíduos; • Comunicar os avanços aos empregados, clientes e ao público em geral. Os melhores resultados serão obtidos se a prevenção da poluição se realizar dentro do contexto do Gerenciamento da Qualidade Total (TQM), pois os princípios da prevenção da poluição e do TQM são de natureza análoga (Hauth, 1994). Assim, o TQM proporciona um marco conveniente e técnicas específicas para incorporar fatores organizacionais e de gerenciamento nas atividades de prevenção da poluição. Alm (1992) considera que a integração destes paradigmas é conveniente para as empresas a fim de reduzir custos, riscos e minimizar as considerações adversas da comunidade sobre sua operação.

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1.6- As normas ISO 14000 Na Conferência das Nações Unidas sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento (ECO 92) mais de 100 países identificaram a necessidade da criação de normas internacionais de gestão ambiental, conhecidas atualmente como as Normas ISO-14000. A norma britânica BS 7750 serviu de “embrião” para as normas ISO 14000, da mesma maneira que as BS 5750 geraram as normas ISO 9000. Especialistas na temática expõem a existência de pontos em comum entre as normas ISO 9000 e a ISO 14000. Assim as empresas poderiam, em principio, optar por um sistema de gerenciamento conjunto da qualidade e do meio ambiente. A conclusão de todos os trabalhos de elaboração da ISO 14000 esta prevista para o ano 2001, embora já em 1996 foram publicadas versões definitivas de algumas normas. As normas ISO 14000 têm como objetivo geral “dar assistência às organizações durante a implantação ou durante a melhoria de um Sistema de Gestão Ambiental (SGA)” (Reis, 1996). Quer dizer que uma vez conscientes da necessidade de implementar um SGA, a norma proporciona as indicações necessárias e descreve as ferramentas disponíveis. Neste sentido a ISO 14000 prevê a avaliação da organização ou empresa utilizando como ferramenta as auditorias ambientais e os critérios de avaliação do desempenho. A avaliação da organização não é suficiente para julgar o comportamento ambiental da mesma de uma forma integral, embora os produtos possam ter impactos ambientais negativos nas diferentes etapas de seu ciclo de vida. Assim um segundo bloco de normas e ferramentas avalia o produto. Aqui temos como ferramenta a análise do ciclo de vida e como certificação da qualidade ambiental do produto a rotulagem ambiental (Figura 1.5).

Então, que normas são essas que cada um aplica se quiser, e como entender ser necessário?

ISO 14000

ACV

SGA Avaliação do desempenho ambiental

Auditoria ambiental

AVALIAÇÃO DA ORGANIZAÇÃO

Rotulagem ambiental

Aspectos ambientais nas normas dos produtos

AVALIAÇÃO DO PRODUTO

Figura 1.5- O gerenciamento ambiental segundo as normas ISO 14000.

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As normas ISO 14000 não são de cumprimento obrigatório, como também é o caso da ISO 9000. Implementar um SGA tem suas vantagens competitivas, mas não constitui uma obrigatoriedade para a empresa, sendo esta a diferença para os padrões de emissão e outros padrões de qualidade ambiental. Como disse Sayre (1996) “O capitão de sua nave é você mesmo, as normas e os regulamentos como a ISO 14000 são simplesmente os mapas e a bússola a seguir”. A ISO 14000 não estabelece requerimentos absolutos de desempenho ambiental, e sim o cumprimento da legislação vigente com a intenção da melhoria contínua. Em outras palavras o padrão de desempenho é a legislação vigente em cada país. Na realidade a ISO 14000 não são normas (padrões) no sentido em que estamos acostumados, são “recomendações” para voluntários, mas que prevêem regras para avaliar os SGA e os produtos, assim como a qualificação dos auditores. O objetivo final da empresa é obter o certificado da ISO 14000 para seu SGA, depois de uma certificação realizada por instituições credenciadas, na forma de auditorias. O mesmo ocorre em relação à rotulagem ambiental do produto. As Tabelas 1.3 e 1.4 apresentam uma listagem das normas que constituem a ISO 14000 (só as realmente aprovadas ou em vias de aprovação) com alguns comentários. Em junho de 1996 foram definitivamente aprovadas as normas de Gestão (14001 e 14004) e de Auditoria Ambiental (14010, 14011 e 14012). No Brasil várias empresas já foram certificadas pelas normas ISO 14000 ou pelas BS 7750. Entre elas a fábrica de papel e celulose Bahia Sul e a empresa de tratamento de resíduos industriais CETREL. Tabela 1.3- Conjunto de normas da ISO 14000 que tratam da organização. Número da norma

14000

14001

14010 14011-1 14012

14031 14032

Descrição / Aplicação

Comentários

SISTEMAS DE GESTÃO AMBIENTAL Passa a ser a 14004, a 14000 será Sistemas de gerenciamento ambiental - Diretrizes gerais uma descrição das normas da serie sobre princípios, sistemas e técnicas de suporte. 14000. Elementos centrais do SGA a serem Sistemas de gerenciamento ambiental - Especificações utilizados para certificação / com guia para o uso. registro. AUDITORIA AMBIENTAL Diretrizes para auditoria ambiental - Princípios gerais Auditoria ambiental (AA) de auditoria ambiental. ferramenta de gestão. Os objetivos de uma AA se definem Diretrizes para auditoria ambiental - Parte 1: Auditoria pelo cliente, o escopo pelo auditor. de sistemas de gerenciamento ambiental. Critério e objetividade do processo. Diretrizes para auditoria ambiental. Parte 7: Critérios Conhecimentos, habilidades e para a qualificação dos auditores. experiência dos auditores. AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO AMBIENTAL Seleção e definição dos indicadores Avaliação do desempenho ambiental do SGA. de desempenho ambiental IDA. Avaliação do desempenho dos sistemas operacionais. -

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Tabela 1.4- Conjunto de normas da ISO 14000 que tratam do produto. Número da norma

Descrição / Aplicação

Comentários

14020

ROTULAGEM AMBIENTAL Princípios básicos para a rotulagem ambiental.

14021

Rotulagem ambiental - autodeclarações.

14022

Símbolos para a rotulagem ambiental. Rotulagem ambiental - Metodologia para testes e verificações ambientais. Rotulagem ambiental - Princípios-guias, práticas e Definição do critério para produto. critérios. Transparência do programa e critério Procedimentos de certificação. ecológico. Certificação. ANÁLISE DO CICLO DE VIDA ACV - ferramenta para o SGA de Avaliação do ciclo de vida - Diretrizes e princípios produtos e sistemas. Normas gerais e gerais. para as três fases de uma ACV. ASPECTOS AMBIENTAIS NOS PRODUTOS Guia para a inclusão de aspectos ambientais nas normas Precauções nas normas de produtos para produtos. podem reduzir efeitos ambientais.

14023 14024

14040

14060

Selos verificáveis e não enganosos. Declarações relacionadas com benefícios ambientais reais, não utilizar declarações vagas. -

REFERÊNCIAS ALM, A.L.; Pollution prevention and TQM: Examples of paradigm shifts. ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 26, No. 3, pp. 452, 1992. FREEMAN, H., HARTEN, J.S., RANDFALL, P., Industrial pollution prevention: A critical review. JOURNAL OF THE AIR & WASTE MANAGEMENT ASSOCIATION, Vol. 42, No. 5, pp. 619-656, 1992. GAZETA MERCANTIL, Gestão ambiental: compromisso da empresa., SERIE DE FASCÍCULOS, 1996. GILBERT, M.J., ISO 14000 /BS 7750 : Sistema de gerenciamento ambiental. IMAM, São Paulo, 1995. HAUTH, J.T., Best practices in pollution prevention and TQM: A review of five industry programs. BATTELLE SEATTLE RESEARCH CENTER, Prepared For Presentation At Waste Reduction Strategies And Goals For The Year 2000 And Beyond, http://www.seattle.battelle.org/services/e%26s/Folder/P2/progrez.htm, 1994 OSTRONOFF, M., Histórico, conceito e evolução do gerenciamento ambiental. IN GERENCIAMENTO AMBIENTAL NA INDÚSTRIA, ANAIS DO II SIMPOSIO NACIONAL DE GERENCIAMENTO AMBIENTAL NA INDÚSTRIA, Editora Signus, 1992. REIS, M.J.L., Gerenciamento ambiental um fator de sobrevivência para as empresas. SANEAMENTO AMBIENTAL, Setembro –Outubro, pp. 14-19, 1996. SAYRE, D., Inside ISO 14000: The competitive advantage of environmental management. St. Lucie Press, 1996. WEAVER, J., Pollution prevention: the answer to today’s waste overload. ROY F. WESTON, INC., http://www.rfweston.com/allen/pp/pollutio.html, 1996.

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2- A INDÚSTRIA AÇUCAREIRA E O MEIO AMBIENTE 2.1- Introdução O processo de fabricação de açúcar da cana como qualquer processo industrial consome matérias-primas: neste caso a cana-de-açúcar e diferentes reativos, além de energia. O bagaço de cana, resíduo lignocelulósico obtido logo após a moagem da cana, é a fonte principal de energia para o processo de fabricação de açúcar, tornando-se assim auto-suficiente. Como resultado do processo teremos os produtos finais (açúcar e/ou álcool) além de toda uma série de resíduos sólidos, líquidos e gasosos (Figura 2.1).

MATÉRIAS-PRIMAS Cana-de-Açúcar Reativos

PRODUTOS Açúcar

USINA DE AÇÚCAR

Álcool

RESÍDUOS Bagaço de cana

Vinhaça Águas residuais Particulados

Controle Ambiental

Torta de filtro e outros Figura 2.1- Balanço de massa em uma usina de açúcar. • • • • • • • • • • • • •

• • • •

O processo de fabricação de açúcar consta das seguintes etapas (Figura 2.2): Pesagem e análise do teor de sacarose; Armazenamento temporário; Lavagem da cana; Preparação da cana com picadores e desfibradores; Extração; Peneiramento do caldo; Sulfitação; Caleagem; Aquecimento; Decantação; Filtração do lodo decantado; Evaporação; Cristalização; Cristalização complementar; Centrifugação; Secagem; Acondicionamento.

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Figura 2.2- Fluxograma do processo de produção do açúcar da cana (CETESB, 1985). 1- Sulfitação, 2- Forno para a queima de enxofre, 3- Leite de cal, 4- Água para o preparo do leite de cal, 5- Adição de CaO, 6- Tanque diluidor, 7- Calagem, 8Aquecedores, 9- Tanque de flash, 10- Clarificador, 11- Para a destilaria, 12- Caldo filtrado, 13- Lodo, 14- Vapor, 15- Evaporador de múltiplo efeito, 16- Água para a lavagem da torta, 17- Torta, 18- Filtro rotativo ao vácuo, 19- Água condensada para o processo, 20- Xarope, 21- Separador de arraste, 22- Água para as colunas barométricas, 23- Para a destilaria, 24- Água para a diluição da mel, 25- Mel rico, 26- Xarope, 27Mel pobre, 28- Cozedor No. 1, 29- Cozedor No. 2, 30- Águas servidas nas colunas barométricas, 31- Cristalizadores, 32- Mexedor, 33- Água para lavagem da açúcar, 34Centrífuga, 35- Mel rico, 36- Mel pobre, 37- Secador, 38- Armazenamento, 39Cristalizadores, 40- Mexedor, 41- Centrífuga, 42- Mel final para a destilaria, 43- Caldo clarificado, 44- Magma, 45- Água para a complementação da caldeira, 46- Água para a alimentação da caldeira, 47- Caldeira, 48- Bagaço, 49- Água de imbibição, 50- Água para o resfriamento dos mancais, 51- Moinhos, 52- Correia transportadora, 53Electroimâ, 54- Espalhador de cana, 55- Roldana, 56- Roldana, 57- Esteira metálica, 58 Jogo de facas-picador, 59- Cana, 60- Água para a lavagem da cana, 61- Mesa alimentadora, 62- Saída da água de lavagem da cana, 63- Caldo misto. A Tabela 2.1 mostra os principais resíduos que aparecem durante a produção de açúcar e álcool, assim como seus conteúdos, características principais e disposição (Da Silva Salles, 1993). Tabela 2.1- Principais resíduos da produção de açúcar e álcool (Da Silva Salles, 1993, Bichara e Filho, 1991).

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Resíduos e/ou subprodutos Características principais Disposição 3 Fertirrigação; Vol: 2-7 m / tc DBO: 200 - 1200 mg/L Recirculação; Água da lavagem da cana pH = 4,8 Tratamento e/ou descarte. Fertirrigação; Condensados vegetais Vol: 0,55 m3/tc Recirculação; (secundários) DBO: 500 - 1000 mg/L Tratamento e/ou descarte. 3 Águas dos condensadores Vol: 10 - 20 m /tc Fertirrigação; barométricos e dos DBO: 100 - 300 mg/L Recirculação; o multijatos t = 35 - 40 C Tratamento e/ou descarte. Condensados de caldeiras e Baixo potencial poluidor. Recirculação. purgas Alta concentração de sólidos Águas de lavagem de Fertirrigação; sedimentáveis. equipamentos e pisos Descarte. DBO: 400 - 15000 mg/L 75 - 120 l/dia.trab. Águas residuais domésticas Fossas/sumidouros. Presença de coliformes. ≈ 156 l/tc (destilaria anexa) Fertirrigação, fermentação e 910 l/tc (destilaria Vinhaça anaeróbica, combustão em autônoma). Alto potencial caldeiras, outros usos. poluidor. 30 - 40 kg/tc Fertilizante, produção de Torta de filtro Alta DBO ceras. Material particulado e gases Particulados 4000 - 6000 Atmosfera com ou sem provenientes da queima do mg/Nm3 ≈ 6 kg/tc. equipamentos de controle. bagaço de cana NOx tc - toneladas de cana moídas na usina

Em relação aos resíduos líquidos na maioria dos países produtores de açúcar já existem normas de vertido de efluentes que estabelecem um limite da quantidade de orgânicos entre 15 e 60 mg/L de DBO, com a exceção da Índia onde o limite é de 100 mg/L (Purchase, 1996). O tratamento dos efluentes se realiza em lagoas anaeróbicas ou aeróbicas. Os sistemas de lodos ativados apresentam tendência ao fenômeno de “bulking”, por causa da presença de certa quantidade de sacarose nos efluentes. O Banco Mundial exige que sejam atingidos determinados níveis de poluentes nos efluentes, como mostrado na Tabela 2.2 (World Bank, 1997). Além disso, como medida de prevenção da poluição os especialistas desta instituição recomendam que a vazão e efluentes seja reduzida até 1,3 m3/tc, com a tendência de atingir o nível de 0,9 m3/tc implementando a recirculação da água.

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Tabela 2.2 – Exigências do Banco Mundial em relação ao nível de poluentes nos efluentes de usinas açucareiras (World Bank, 1997) Parâmetro pH DBO5 DQO Sólidos totais em suspensão Óleos e gorduras Nitrogênio total (NH4-N) Fósforo total

Valor máximo 6-9 50 mg/L 250 mg/L 50 mg/L 10 mg/L 10 mg/L 2 mg/L

A vinhaça, resíduo do processo de destilação, é produzido a razão de 11-13 litros por cada litro de álcool. Este resíduo tem um alto teor de potássio, alem de certas quantidades de nitrogênio e fósforo. O seu despejo nos rios e lagos provoca o fenômeno de eutrofização, e a morte dos peixes. O seu destino final no solo como fertirrigação deve-se realizar em doses de 150-300 m3/ha, a fim de que predominem os seus efeitos positivos sobre o solo, e o plantio de cana (Dantur et al., 1996). Em relação à poluição do ar, os impactos ambientais mais relevantes se referem à emissão de particulados durante a queima do bagaço em caldeiras. Antigamente o predomínio de caldeiras de queima em pilha, com baixo arraste de cinzas, junto à concentração dos esforços de controle da poluição em grandes emissores localizados perto de centros urbanos, fizeram com que as emissões de particulados, produto da combustão do bagaço em caldeiras não tivesse a devida atenção. As comunidades vizinhas às usinas já estavam tradicionalmente associados a quantidades consideráveis de partículas em suspensão no ar e à reclamação das donas de casa quando punham a roupa de cama para secar. Em menor medida são emitidos óxidos de nitrogênio. Se analisarmos como parte do processo agroindustrial a prática da queima da cana antes do corte, além de particulados aparecem no ar concentrações consideráveis de CO, ozônio e hidrocarbonetos. No presente trabalho pretendemos abordar as fontes de poluentes do ar na indústria açucareira, a seleção e dimensionamento dos diferentes sistemas de controle aplicáveis, e a experiência da indústria açucareira mundial neste sentido. Trata-se também aspectos relativos ao efeito dos contaminantes sobre a saúde humana e as normas de emissão vigentes.

2.2- Matriz de impactos ambientais na indústria açucareira O processo de produção de açúcar exerce vários impactos ambientais sobre os diferentes meios físicos. Esses impactos podem ser avaliados de forma quantitativa ou qualitativa, atendendo a diferentes critérios, como é mostrado na Tabela 2.3. Analisando os impactos relacionados com toda a atividade agroindustrial açucareira obteremos uma matriz de qualificação de impactos como a apresentada na Tabela 2.4 (Fundação Natura, 1990). Se nos limitarmos à análise dos impactos no meio atmosférico obteremos algo semelhante ao da Tabela 2.5 (Da Silva Salles, 1993).

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Tabela 2.3- Impactos ambientais do processo de produção de açúcar sobre os diferentes meios físicos. Processos Meio físico

Recebimento e lavagem

Tratamento do caldo

Evaporação e cozimento em tachos

Centrifugação e secagem

• Emissão de particulados. • Emissão de NOx. • Bagacinho no ar.

Ar Água

Moenda / Geração de vapor

• Águas de lavagem.

Solo

• Condensados. •

Cinzas.

• Torta de filtro.

Tabela 2.4- Matriz de qualificação de impactos da produção de açúcar a partir da cana-de-açúcar (Fundação Natura, 1990). IMPACTO AMBIENTAL IDENTIFICAD O Deterioração do ar

APARECIMENTO

NATUREZA DO IMPACTO

Processos de produção. Produção de energia.

Contaminação do ar pela presença de fuligem. Contaminação da água por efluentes líquidos industriais. Perda de qualidade do solo por irrigação com estes efluentes. O depósito de torta de filtro com alta DBO provoca contaminação na água.

Reservatórios de água contaminados

Processos de produção. Produção de energia.

Contaminação da água

Processos de produção.

Mudanças no uso do solo Alterações na flora e fauna.

Efeitos sócioeconômicos.

Transformação do solo. Disposição de resíduos sólidos. Processos de produção. Transformação do solo. Processos de produção. Produção de energia.

DURA -ÇÃO

ÁREA DE INFLUÊNCIA

INTENSI -DADE

TIPO DE EFEITO

Periódica

Regional

Moderada

Direto

Periódica

Regional

Alta

Direto

Periódica

Local

Moderada

Direto

Regional

Moderada

Direto

Regional

Moderada

Direto

Local

Moderada

Indireto

Instalação industrial, mono- Permacultura, contaminação do solo. nente

Danos na flora e fauna dos Permareservatórios receptores dos nente efluentes líquidos. Doenças gastrointestinais por Transformação do solo. contaminação da água. Extração de recursos. Moléstias por ruído. Processos de produção. Aumento nos acidentes de PermaManejo de matéria- trânsito. nente prima. Mudança nos padrões de Produção de energia. comportamento de uma Dejetos. comunidade, pode melhorar as condições de vida.

2.3- Gerenciamento ambiental na indústria açucareira Infelizmente são poucas as tentativas de criação de sistemas de gerenciamento ambiental na indústria açucareira, e como é natural são poucas também as publicações. Os empresários deste setor são considerados, não sem certa dose de razão, como conservadores, e não amadureceram ainda para estes assuntos. Neste sentido cabe destacar a criação do Plano de Manuseio Ambiental (PMA) da indústria açucareira da África do Sul (Plafford e Bond, 1995). Este plano foi criado pela Associação Açucareira da África do Sul e pretende-se levá-lo adiante através dos Comitês Ambientais da Indústria.

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Tabela 2.5- Ficha de qualificação dos impactos no meio atmosférico produto da atividade agroindustrial açucareira (Da Silva Salles, 1993).

IMPACTOS Odor desagradável por armazenamento e aplicação de vinhaça no solo. Contaminação do ar por gases e particulados emitidos durante a queima da cana Afetações na visibilidade nas rodovias por causa da fumaça da queima da cana. Produção de material particulado e gases durante a queima de bagaço de cana nas caldeiras.

Objetivos Relevân- dos projetos * cia ambientais 1 2 3 4

Localização dos impactos

Alcance espacial

Área de intervenção física e imediações

L

TE

RE

M

C

B

X

Núcleos urbanos

R

TE

RE

G

C

A

X X X

Rodovias que cortam os canaviais

L

TE

RE

M

C

M

X X

Núcleos urbanos

R

TE

RE

G

C

B

Temporali- ReversiIntensidade Tendência dade bilidade

X

X

• Alcance espacial: L - local, R - regional. • Temporalidade: TE - temporal, PE - permanente. • Reversibilidade: RE - reversível, I - irreversível. • Intensidade: P - pequena, M - média, G - grande. • Tendência: C - crescimento, E - estabilidade, D - diminuição. • Relevância: A - alta, B - baixa, M - média. * 1 - Corretivos, 2 - Preventivos, 3 - Monitoramento, 4 - Compensatórios

Este PMA pretende coordenar os esforços nas indústrias em relação ao uso correto dos recursos naturais, incluindo os seguintes aspectos: • Necessidade de conservação (tratamento e reutilização) das águas residuais na indústria; • Controle de ervas daninhas; • Utilização sustentável da palha da cana; • Minimização da poluição causada pela queima da cana; • Minimização da poluição causada por emissões industriais; • Minimização da poluição causada por pesticidas; • Educação ambiental do pessoal da indústria. Anderson et al. (1996) apresentam uma análise dos benefícios e particularidades da implantação de Sistemas de Gerenciamento Ambiental na indústria açucareira australiana. Eles assinalam que as auditorias ambientais permitem identificar problemas como a erosão do solo, arraste de fertilizantes, perdas no corte, atrasos entre o corte e a moagem, quantidades excessivas de matérias estranhas, perdas do produto com o bagaço, a torta de filtro e as águas residuais, contaminação do solo e das águas superficiais e subterrâneas e analisar opções no uso de energia. Estes mesmos autores consideram que as atividades de relevância ambiental da agroindústria açucareira, a considerar num SGA, são: • Seleção do terreno e das técnicas agrícolas (sustentabilidade); • A queima da cana; • Sistemas de transporte;

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• • • • • • •

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Emissões de contaminantes pelas caldeiras a vapor; Utilização energética do bagaço; Uso da água e produção de resíduos (minimização); Controle das emissões de pó e dos odores; Derrames de produtos; Armazenamento; Ruído.

2.4- Normas de emissão de particulados vigentes em diferentes países. Tendências Em 1991 as normas de emissão de particulados em caldeiras para bagaço previam concentrações máximas nos gases desde 450 mg/Nm3 na Austrália e África do Sul até 870 mg/Nm3 nas Ilhas do Havaí. Para caldeiras novas os valores permissíveis geralmente estavam no limite inferior da faixa indicada (Echavarría e Whalen, 1991). Atualmente na África do Sul para as caldeiras novas o limite de emissão é de 120 mg/Nm3 (Magásiner, 1996). Na Índia em 1992 o Ministério de Meio Ambiente e Bosques aprovou as seguintes normas de emissão: para caldeiras de grelha inclinada 250 mg/Nm3, para caldeiras tipo Spreader-Stoker - 800 mg/Nm3, todos os valores para uma concentração de CO2 nos gases de 12 % (GEPLACEA, 1997). Nas Ilhas Maurício e na Malásia o padrão de emissão de particulados é de 400 mg/Nm3. O Banco Mundial recomenda que a emissão de particulados seja menor de 100 mg/Nm3, e em alguns casos para caldeiras pequenas, o valor permitido é de 150 mg/Nm3 (World Bank, 1997). No Brasil, a Agência Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB, 1986) realizou um estudo sobre o valor que deveria ser incluído numa norma de limites de emissão de particulados em caldeiras para bagaço, propondo-se finalmente 120 mg/Nm3. Segundo estudos desta entidade uma pluma clara corresponde a concentrações de aproximadamente 85 mg/Nm3. A versão definitiva destas normas está para ser aprovada, a qual prevê valores distintos para diferentes regiões canavieiras do Estado de São Paulo. Por enquanto a CETESB está aprovando projetos com emissões máximas de até 130 mg/Nm3 (Campanari, 1997). Na Tabela 2.6 apresenta-se o projeto de normas de emissão apresentado pela CETESB para o Estado de São Paulo (Pestelli, 1997). Como conclusão do supra-citado, a tendência é que os limites de emissão sejam cada vez mais rigorosos, sendo que, em projetos de cogeração de grande porte se selecionem os equipamentos de remoção de particulados com uma emissão final de 50 mg/Nm3.

2.5- Efeitos dos poluentes atmosféricos na saúde humana Altas concentrações de poluentes estão relacionadas com o incremento da mortalidade nas regiões afetadas, assim como com o agravamento do estado de saúde dos pacientes com doenças respiratórias. Em geral o efeito de um poluente depende de dois fatores: concentração ambiente e tempo de exposição ao mesmo. É por isso que as normas de qualidade do ar incluem informação sobre estes dois quesitos. Vejamos o efeito dos contaminantes mais importantes.

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Tabela 2.6- Projeto de normas de emissão de particulados em caldeiras que utilizam bagaço de cana como combustível (Pestelli, 1997). Localização da usina açucareira Área 1- Área preservada. Não se permitem novas instalações. - Caldeiras existentes Área 2- Região metropolitana ou em processo de metropolização. - Caldeiras novas - Caldeiras existentes Área 3- Outras regiões. - Caldeiras novas - Caldeiras existentes

Norma de emissão (em relação a 7 % de O2 base seca) 70 mg/Nm3 70 mg/Nm3 120 mg/Nm3 100 mg/Nm3 120 mg/Nm3

Ozônio e nitrato de peroxiacetilo Constituem irritantes severos dos olhos, nariz e garganta. Para concentrações de ozônio a partir de 0,01 ppm começa a irritação dos olhos, à concentrações de 2,0 ppm apresenta-se uma tosse severa. Outros irritantes dos olhos no “smog” fotoquímico são os formaldeídos (HCHO) e as acroleínas (CH2CHCHO). Segundo Seinfeld (1986) o efeito da exposição por longo tempo em níveis de ozônio típicos do ar urbano (0,1-0,2 ppm) não foi claramente identificado. Porém alguns estudos epidemiológicos evidenciam a existência de uma relação qualitativa entre o nível de oxidantes no ar acima de 0,1 ppm e sintomas em crianças e jovens, tais como irritação da garganta, tosse e dor de cabeça (Lippmam, 1991). Uma série de estudos de exposição prolongada a baixos níveis de O3 (0,08-0,12 ppm) encontrou que para exposições de 6,6 horas, e com exercício moderado 5,5 horas, se apresentava uma diminuição da função pulmonar em homens jovens e saudáveis (Lefohn e Foley, 1993). Particulados A deposição dos particulados em diferentes regiões do sistema respiratório depende de suas dimensões. Assim a deposição na região traqueo-bronquial e pulmonar é típica de partículas menores de 10 µm (Figura 2.4), sendo estas as de efeito mais adverso sobre a saúde humana. Os particulados urbanos podem também concentrar em sua superfície SO2 e elementos tóxicos como arsênico, selênio etc. Segundo dados epidemiológicos, altas concentrações de particulados provocam: • Aumento da incidência de doenças respiratórias como asma, bronquite crônica e constrição dos brônquios; • Diminuição da função pulmonar; • Aumento da mortalidade.

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Figura 2.4- Influência das dimensões dos particulados sobre a região de deposição no sistema respiratório (Henry e Heinke, 1989). A Figura 2.5 apresenta a relação que existe entre a concentração de particulados finos no ar e a mortalidade (Reichhardt, 1995). Os críticos destes resultados manifestam que é difícil diferenciar os efeitos adversos dos particulados, dos efeitos da poluição do ar em geral.

Figura 2.5- Relação entre a concentração de particulados finos no ar e a mortalidade (Reichhardt, 1995). Monóxido de carbono (CO) O CO é um poluente altamente tóxico pois afeta a capacidade do sangue de transportar oxigênio. Este composto reage com a hemoglobina do sangue, obtendo-se como resultado um composto denominado carboxihemoglobina (COHb). A afinidade da hemoglobina pelo CO é 210 vezes maior que pelo oxigênio. Um 5 % de carboxihemoglobina no sangue já provoca distúrbios nervosos e de comportamento, assim como problemas no metabolismo do miocárdio. Em geral, o efeito do CO sobre a

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saúde humana depende da porcentagem de carboxihemoglobina formada e do tempo de exposição (Figura 2.6).

Figura 2.6- Efeito do CO sobre o ser humano (Seinfeld, 1986). Óxidos de nitrogênio Alguns estudos indicam que os óxidos de nitrogênio aumentam a susceptibilidade a infecções bacterianas nos pulmões. A exposição por longo tempo a concentrações de 1ppm provoca a irritação dos alvéolos pulmonares com sintomas semelhantes aos de enfisema pulmonar. Segundo Degobert (1995), o efeito principal do NO é como precursor do peróxido de nitrogênio NO2, que é insolúvel e penetra até as profundezas do sistema respiratório. O NO2 atua sobre os alvéolos pulmonares, podendo chegar a provocar enfisema, inibe as defesas pulmonares e possui um efeito fitotóxico.

2.6- Normas de qualidade do ar Segundo Derisio (1992), “Uma norma de qualidade do ar define legalmente um limite máximo para a concentração de um componente atmosférico, que garantisse a proteção da saúde e do bem estar das pessoas”. As normas já estabelecidas se baseiam em estudos sobre o efeito dos diferentes contaminantes e prevêem uma margem de segurança. A Tabela 2.7 mostra as normas de concentração máxima de contaminantes no ar ambiente elaboradas pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos. No Brasil, o Conselho Nacional de Meio Ambiente - CONAMA através da resolução No 3 de 28/06/90 estabeleceu as normas nacionais de qualidade do ar sobre a base do Documento Normativo No. 348, de 14/03/90, do Instituto Brasileiro de Meio Ambiente - IBAMA (Tabela 2.8). Esta resolução prevê normas relativas aos padrões primários e secundários. Os padrões primários podem ser entendidos como níveis máximos toleráveis de contaminantes atmosféricos que superados podem afetar a saúde da população. Os padrões secundários constituem os níveis desejados de concentração dos contaminantes.

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Tabela 2.7 Normas da EPA para concentrações máximas de contaminantes no ar ambiente (NAAQS- National Ambient Air Quality Standards) /Benitez, 1993). Contaminante (Poluente) SO2 Ozônio NO2 CO PTS PM10 (partículas com dimensões menores de 10 µm)* Chumbo

Concentração máxima permissível Média anual 80 µg/m3 (0,03 ppm) Média em 24 horas 365 µg/m3 (0,14 ppm) Média em 1 hora 0,12 ppm (235 µg/m3) Média anual 0,053 ppm (100 µg/m3) Média em 8 horas 9 ppm (10 mg/m3) Média em 1 hora 35 ppm (40 mg/m3) Média anual 75 µg/m3 Média em 24 horas 260 µg/m3 Média anual 50 µg/m3 Média em 24 horas 150 µg/m3 Média em 4 meses 1,5 µg/m3

* As partículas com dimensões na faixa de 10-50 µm não possuem efeito aparente sobre a saúde humana.

Tabela 2.8 - Normas nacionais de qualidade do ar (Resolução CONAMA No. 3, de 28/06/90). Tomado de Derisio (1992). Padrão Padrão Intervalo de Método de primário, secundário, Poluentes amostragem medição µg/m3 µg/m3 Partículas totais 24 horas (1) 240 150 Amostrador de em suspensão MGA (2) 80 60 grandes volumes Dióxido de 24 horas (1) 365 100 Pararosanilina enxofre MAA (3) 80 40 1 hora (1) 40000 40000 (35 ppm) (35 ppm) Monóxido de Infravermelho carbono não dispersivo 8 horas (1) 10000 10000 (9 ppm) (9 ppm) 1 hora (1) 160 160 QuimioluminisOzônio cência 24 horas (1) 150 100 Fumaça Reflectância MAA (3) 60 40 Partículas 24 horas (1) 150 150 Separação inaláveis MAA (3) 50 50 inercial/filtração Dióxido de 1 hora (1) 320 190 Quimioluminisnitrogênio MAA (3) 100 100 cência (1) Não deve ser excedido mais de uma vez por ano,(2) Média geométrica anual, (3) Média aritmética anual.

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3-

FONTES DE AÇUCAREIRA

POLUIÇÃO

DO

AR

NA

INDÚSTRIA

3.1- A queima da cana para o corte. Emissões e medidas de controle Em muitos países pratica-se a queima da cana antes do corte. A principal justificativa é a diminuição dos custos da colheita em até 50 % e a eliminação de roedores e outras pragas. Um fator negativo a considerar é a aceleração da deterioração da sacarose e a contaminação ambiental. O Prof. Afrânio Delgado da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALQ), em Piracicaba, considera outros aspectos negativos da queima da cana (CETESB, 1989): • O fogo destrói a palha da cana que poderia ser incorporada ao solo, aumentando o potencial de matéria orgânica do mesmo; • Destruição de uma pequena parcela de matéria orgânica de solo pela incidência de altas temperaturas durante a queima; • Predisposição do solo à ação mais agressiva das chuvas, tendo lugar a lixiviação das cinzas; • Ressecamento do solo pela exposição direta aos raios solares; • Destruição de muitos insetos considerados inimigos naturais da broca da cana; • Predisposição para o crescimento de ervas daninhas; • Qualidade inferior da água de lavagem da cana (aumento do DBO); • Perda de 15 % da matéria seca da cana. Oliveira et al. (1995) detectaram uma produtividade 24 % maior nos campos de cana onde se realiza a colheita de cana verde, em comparação com aqueles onde a cana é queimada (a partir do segundo corte). Estes autores chegaram a conclusão de que a efetividade econômica da produção de cana, não diminui se passar à colheita de cana verde. Echavarria (1995) salienta que o gerenciamento da queima (equipamentos, pessoal, etc.) faz mais custosa a queima da cana. Em alguns países a queima realiza-se no dia anterior ao corte pela noite, em outros, procurando uma melhor dispersão dos poluentes, a queima se realiza durante o dia. A Tabela 3.1 apresenta as emissões específicas ou fatores de emissão da queima da cana (Echavarria e Whalen, 1991; Echavarria,1995). Não existem dados suficientes para determinar se a prática da queima da cana tem um impacto significativo sobre a saúde humana. Porém em alguns países como os EUA e as Ilhas do Havaí a queima da cana pode se realizar somente com a autorização das agências de controle da qualidade do ar ou de entidades florestais. Para a safra de 1997 a CETESB (1997) aprovou diretrizes para o controle da poluição devido a queima da cana, estabelecendo áreas nas quais a queima da cana seria considerada uma infração de “natureza gravíssima” e penalizada com pesadas multas. Entre estas áreas temos: • Áreas urbanas: 1 km ao redor; • Linhas de transmissão de energia elétrica: 10 metros a cada lado para linhas de 15 kV e 25 metros para linhas de 34,5/69/138 kV; • Subestações de energia: 100 metros ao redor; • Gasodutos e oleodutos: 10 m a cada lado; • Linhas férreas: 50 metros a cada lado; • Rodovias: 100 metros a cada lado da pista, etc.

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Tabela 3.1- Fatores de emissão da queima de cana, kg/tc (Echavarria, 1994). Poluente Partículas • Média • Faixa Monóxido de Carbono • Média • Faixa Hidrocarbonetos • Média • Faixa

Darley et al., (1975) 3,6 3,0-4,2 35,3 30-40,6 5,2 2,4-8,0

Medições Jenkins, Colômbia (1995) (1992) 5,60

25,48 2,30

2,0 0,61-3,61

EPA, (1992) 2,5-3.5

30,0-41,0 2,6-2,8*

* Metano: 0,62 - 2,0 kg/tc (EPA, 1995).

Em 6 de agosto de 1997, por decreto do Estado de São Paulo, deu-se um prazo de 8 anos nas áreas mecanizáveis e de 15 anos nas restantes para proibir a queima da cana para o corte. Isto tem provocado fortes discussões ao redor do número de trabalhadores que ficarão sem postos de trabalhos e as conseqüências sociais correspondentes. Finalmente em março de 2000 este prazo foi aumentado até 20 anos. Investigações realizadas no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais do Brasil (INPE) utilizando aviões para a tomada de amostras de ar em diferentes alturas permitiu detectar aumentos consideráveis nas concentrações de CO e de ozônio O3, na época de seca, em regiões cultivadas com cana-de-açúcar (Projeto Fogo). Isto é conseqüência da prática de queima da cana antes do corte (Figuras 3.1 e 3.2). Marinho e Kirchhoff (1991) analisando os dados obtidos chegaram às seguintes conclusões: • A quantidade de matéria seca queimada nos canaviais por ano por unidade de área é 15 vezes maior que na região amazônica, é dizer 0,5 kg/m2 e 0,03 kg/m2 , respectivamente; • O ozônio é produto das reações foto-químicas entre os precursores (monóxido de carbono, metano e hidrocarbonetos que não contem metano); • Somente no Estado de São Paulo, em conseqüência da queima da cana, chegam na atmosfera cerca de 350000 toneladas de carbono na forma de CO2; • A queima da cana para o corte virou uma nova fonte de poluição em áreas rurais, com um impacto ambiental considerável.

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Figura 3.1- Comparação das concentrações de CO entre os experimentos realizados na época de seca e de chuvas (Kirchhoff et al., 1991).

Figura 3.2- Comparação das concentrações de O3 entre os experimentos realizados na época de seca e de chuvas (Kirchhoff et al., 1991). A CETESB realizou um estudo conjunto com a Universidade de Tubingen (Alemanha) relacionado com a concentração de dioxinas e furanos (PCDDs e PCDFs), bifenilos policlorados (PCBs) e compostos policíclicos aromáticos (PAH) na fumaça da queima de cana e no ar de cidades vizinhas (Tabela 3.2; CETESB, 1996). As medições foram realizadas na cidade de Araraquara, Estado de São Paulo e em seus arredores, região tipicamente canavieira. Na fumaça da queima da cana, para todos os compostos medidos, observam-se concentrações muito maiores que as típicas no ar de Araraquara e São Paulo. Estes dados são considerados preliminares e prevê-se a continuação das medições.

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Tabela 3.2- Concentração de PCDDs e PCDFs, PCBs e PAH na fumaça da queima de cana e no ar de cidades vizinhas (CETESB, 1996). Localização da medição

Composto PCDDs e PCDFs fg I-TEQ/Nm3*

PCBs, ng/Nm3

PAH, ng/nm3

42-267

23-274

400-1800

46 86-187

9 5-6

11 12-27

-

0,05-5

-

Campo que se está queimando. Araraquara São Paulo Estados Unidos (valor referencial)

* As unidades fg I-TEQ/Nm3 indicam que o valor total das concentrações de dioxinas e furanos em fg (10-15 g)/Nm3 foi calculado utilizando um valor de toxicidade equivalente internacional (I-TEQ).

Em 1986, a CETESB já havia realizado medições extensas da concentração de particulados totais PTS antes e durante a safra nesta mesma região (Tabela 3.3; CETESB, 1986). É necessário salientar que apesar dos altos valores observados nunca se ultrapassa o valor máximo estabelecido pelas normas brasileiras para 24 horas que é de 240 µg/Nm3. Tabela 3.3- Concentração de particulados totais no ar da cidade de Araraquara antes e depois da safra, µg/m3 (CETESB, 1986). Período Antes da safra Após a safra

Número de medições, n 28 30

Primeiro máximo 77 177

Segundo máximo 74 174

Média geométrica 39 86

Outro aspecto de interesse em relação com a queima da cana é o possível impacto ambiental pelas emissões de CO2 na atmosfera. Segundo Rozeff (1995) durante a queima libera-se somente 18,2 % do CO2 fixado durante o crescimento. É oportuno salientar que a cana-de-açúcar é muito mais eficiente que os bosques tropicais na fixação de CO2. Dados do próprio Rozeff (1995) indicam que a cana-de-açúcar fixa 1,46 toneladas de CO2 por tonelada de matéria seca, o que para as condições do Texas equivale a 49,4 toneladas de CO2 por hectare anualmente. A fim de comparação um bosque energético no Brasil fixa como média 20,8 t/ha.ano de CO2 (SINDIFER, 1994).

3.2- Utilização do bagaço como combustível. Tipos de caldeiras: sistemas de combustão e parâmetros de operação O problema da poluição do ar na indústria açucareira está relacionado intimamente com as características do combustível (umidade, cinzas, etc.), com as características e tipo da fornalha, assim como com a operação destes equipamentos. Por isso consideramos necessário incluir neste trabalho alguns elementos relativos à combustão e caldeiras, indispensáveis para a compreensão dos problemas ambientais decorrentes.

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3.2.1- O bagaço de cana: características O bagaço tem como características principais a composição química elementar, a composição técnica aproximada, o poder calorífico, a composição granulométrica e a composição das cinzas. Vejamos estas características em detalhe: Composição química elementar: É a quantidade, em porcentagem, de carbono (C), hidrogênio (H), enxofre (S), oxigênio (O), nitrogênio (N), umidade (W) e cinzas (A) em 1 kg ou em 1 m3 de combustível. Na realidade, o bagaço de cana é uma substância ligno-celulósica, sendo assim, composta em sua maior parte por celulose e lignina, com uma fração de hemicelulose, polímeros complexos cujas moléculas são formadas pelos elementos químicos mencionados. Agora surge a pergunta sobre que base expressar o conteúdo em porcentagem dos diferentes elementos: em relação a 1 kg de bagaço seco? Não seria melhor determinar a composição do combustível com a umidade com a qual se queima este? Porém esta umidade para o bagaço varia entre 48 - 52 %. Por estas razões a composição química de um combustível se expressa em relação a uma das seguintes bases de referência: 1. Composição em massa do trabalho do combustível (se refere à composição de 1 kg de combustível com a umidade à qual é queimado). É conhecida geralmente como base úmida.

C t + H t + O t + N t + St + A t + W t = 100%

(3.1)

2. Composição em massa analítica (se refere à composição de 1 kg de combustível com a umidade que possui no momento em que se determina sua composição no laboratório).

Ca + H a + Oa + N a + Sa + A a + W a = 100%

(3.2)

3. Composição em massa seca (sem umidade - para o caso do bagaço e da biomassa em geral este é o dado mais geral, pois a quantidade de cinzas é mais ou menos constante). É conhecida como base seca.

Cs + H s + Os + N s + Ss + A s = 100%

(3.3)

4. Composição em massa combustível (sem umidade e cinzas).

Cc + H c + Oc + N c + Sc = 100%

(3.4)

Nos cálculos de combustão utiliza-se a composição em massa de trabalho. Nos manuais e publicações especializados aparecem os dados da composição elementar dos combustíveis em massa seca e combustível, o que os deixa independentes de eventuais valores diferentes de umidade e cinza. Como transformar a composição do bagaço de base seca para base de trabalho se se conhece a umidade do mesmo? Para passar de uma base de referência à outra se deve utilizar as expressões da Tabela 3.4.

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Tabela 3.4- Expressões para recalcular a composição elementar do combustível quando se muda a base de referência. Base de referência do dado

Base úmida Base seca Base combustível

Base de referência à que se deseja passar Base úmida Base seca Base combustível 100 100 1 t 100 −W 100 − W t − A t 100 100 −W t 1 100 − A s 100

100 − W t − A t 100

100 − A s 100

1

Na Tabela 3.5 apresentam-se os dados da composição elementar do bagaço em massa de trabalho e combustível. Como pode-se ver a quantidade de cinzas no bagaço é baixa se a compararmos com o carvão mineral, que apresenta valores típicos de 30-40 %. Apesar disto, como já dito anteriormente, as emissões de particulados nas caldeiras para bagaço apresentam efeitos ambientais consideráveis. Tabela 3.5- Composição elementar do bagaço de cana (Horst, 1983). Elemento Químico C H S (O + N)* W A

Composição elementar em base de trabalho, % 23,58 3,02 0,17 21,84 49,6 1,79

Composição elementar em base combustível, % 48,51 6,22 0,35 44,92 -

* A quantidade de nitrogênio em massa de trabalho não ultrapassa 0,1 %.

Composição técnica aproximada: É a quantidade em porcentagem de substâncias voláteis, coque, umidade e cinzas. A quantidade de substâncias voláteis é determinada como a diminuição do peso de uma amostra de combustível sólido depois de manter-se a uma temperatura de T = 850 ± 25 oC durante 7 minutos (V, %). Em outras palavras é a fração em massa inicial do combustível que se volatiliza (se converte em um gás) durante seu aquecimento e queima em fase gasosa. O corte mecanizado da cana aumenta a quantidade de cinzas no bagaço, observando-se valores de até 5,2-28,5 % (base seca) segundo diferentes autores. A quantidade de voláteis define a reatividade do combustível e alguns parâmetros de organização do processo de combustão. Logo na saída dos voláteis origina-se um resíduo sólido carbonoso denominado coque (K, %). A abordagem sobre as diferentes bases de referência da composição elementar do combustível é também válido para a composição aproximada, assim temos:

V t + K t + A t + W t = 100%

(3.5)

V a + K a + A a + W a = 100%

(3.6)

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V s + K s + A s = 100% Vs + Ks + As = 100 %

(3.7)

V c + K c = 100%

(3.8)

A Tabela 3.6 apresenta a composição técnica aproximada do bagaço (Shukla, 1984). Tabela 3.6- Composição técnica aproximada do bagaço de cana (Shukla, 1984).

Componente K V W A

Composição técnica aproximada em base de trabalho, % 7,0 42,5 49,0 1,5

Composição técnica aproximada em base combustível, %

14,4 86,86 -

Poder calorífico: É a quantidade de calor que se desprende durante a combustão completa da unidade de massa do combustível, e pode ser superior ou inferior (Figura 3.3).

PODER CALORÍFICO

Superior - PCS Os vapores de água presentes nos gases de combustão são condensados

Inferior - PCI Os vapores de água não se condensam

Figura 3.3- Poder calorífico superior e inferior.

O poder calorífico pode expressar-se referente às diferentes bases já vistas para a composição do combustível, tendo assim PCIt ou PCSt .Em que casos utilizar o PCI ou o PCS? Aqui temos duas formas de abordar o assunto: atendendo à tradição ou à lógica. A tradição é importante por que em diferentes regiões do mundo acostumou-se a fazer, a mais de 100 anos, uso de um ou outro parâmetro. A abordagem lógica nos leva a preferir o PCI pois o calor latente de evaporação da umidade do combustível, descartado desde o início, é tecnicamente irrecuperável nas caldeiras tradicionais. O que deve ficar claro ao apresentar resultados de cálculos de eficiência e perdas de calor em caldeiras é se os cálculos se realizaram em base ao PCI ou PCS. O valor médio do PCIt do bagaço é de 7500 kJ/kg para uma umidade de Wt = 50,0 %. O valor do PCI do bagaço depende muito do conteúdo de umidade e de sacarose presentes no bagaço. Devido a isso se tem uma série de equações determinadas de

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maneira empírica para determinar o PCI em função destes elementos. Estas equações são apresentadas na Tabela 3.7. No trabalho de Sobral e Barbosa (1987), assinala-se que o conteúdo de sacarose não é significativo em relação ao poder calorífico superior do bagaço. Chegouse à conclusão de que somente a equação proposta por eles (3.14), e a equação de Horst (3.9), estimam valores semelhantes aos da análise calorimétrica. Roque et al. (1980) demonstram a influência significativa da variedade de cana-de-açúcar sobre os valores do poder calorífico do bagaço de cana. Tabela 3.7- Equações para determinar o poder calorífico do bagaço de cana, considerando os teores de sacarose, cinzas e umidade. No

Equação

Unidades

Referência

kJ/kg

Hugot, 1972

kJ/kg

Hugot, 1972

Fórmula de Van der Horst (3.9)

PCIt = 17 791 - 42 Açt - 200,8 Wt Fórmula de Hessey

(3.10)

PCIt = 18 092 -51,5 Açt - 205,2 Wt Fórmula de Baguant

(3.11)

PCIt = 41,64 - 6,9 Açt - 47,64 Wt

kcal/kg

Harrel & Baguant, 1992

Fórmula de Don (3.12)

PCIt = 18 309 - 207,6 Wt - 196,05 Açt

kJ/kg

Don, 1969

kJ/kg

Upadhiaya, 1991

Fórmula de Upadhiaya (3.13)

PCIt = 17 802 [ 1 - (Wt - At) / 100 ] Fórmula de PLANASUCAR

(3.14)

PCSt = 4 450 - 43,27 Wt - 25,23 At

kcal/kg

Fórmula para colheita mecanizada (3.15)

PCIt = 18 303 - 31,15 Açt - 207,3 Wt - 196,1 At

kJ/kg

Sobral & Barbosa, 1987 Meade-Chen, 1977

Açt = teor de sacarose em peso, expresso em massa de trabalho.

3.2.2- Introdução à combustão do bagaço

O bagaço de cana, como a biomassa em geral, é um combustível rico em voláteis, como pode-se observar em sua composição imediata. Isto faz com que o processo de combustão ocorra em seis etapas consecutivas bem definidas:

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1. 2. 3. 4. 5. 6.

40

Secagem; Emissão dos voláteis; Ignição dos voláteis; Queima dos voláteis em chama; Extinção da chama dos voláteis; Combustão do resíduo de coque.

A Figura 3.4 mostra a fração em massa consumida durante a combustão e a temperatura correspondente a cada uma destas etapas para o caso da queima de madeira (Hellwig, 1982). É evidente que durante o processo de combustão da biomassa deve-se considerar que este processo ocorre primeiramente em uma etapa homogênea (queima dos voláteis) e logo em uma etapa heterogênea (combustão do resíduo de coque).

Figura 3.4- Etapas da combustão da madeira (Hellwig, 1982).

Quando a biomassa se queima em leito fixo sobre uma grelha (Figura 3.5) os voláteis se desprendem e queimam sobre o leito. É necessário então dividir o fluxo de ar de combustão em duas partes: ar primário - para a combustão do resíduo de coque e ar secundário para a combustão dos voláteis. Em alguns sistemas o carbono do combustível C queima-se no leito somente até CO, concluindo sua combustão até CO2 conjuntamente com os voláteis. Neste caso o ar secundário constitui 83 % do ar total (Figura 3.5). No caso da combustão completa do carbono C sobre o leito o ar secundário representa 67 % do ar total.

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Distribuição do ar

Ar estequiométrico para a combustão, m3/kg C → CO2

C → CO

Ar secundário

2,62 (67 %)

3,27 (83 %)

Ar primário

1,31 (33 %)

0,66 (17 %)

Esquema de um forno industrial

Ar Sec.

Total

3,93 (100 %)

3,93 (100 %)

Ar Sec.

Carbono Fixo Ar Primário

Figura 3.5- Relação entre o ar primário e secundário durante a combustão de madeira em uma fornalha industrial (Hellwig, 1982).

O ar secundário é também importante para garantir a combustão completa das partículas de coque arrastadas com os gases do leito. Assim, a operação com ar secundário insuficiente pode intensificar as emissões de particulados em uma caldeira. A reação de combustão de um combustível sólido com ar (Va) pode ser representada segundo o seguinte esquema: Combustível + Ar = CO2 + SO2 + H 2 O + N 2 + O2 + CO + H 2 + CH 4 + Fuligem + { A 144 42444 3 1 424 3 14444 4244444 3 4 1

1. 2. 3. 4.

2

3

Cada um dos grupos numerados corresponde a: Produtos da oxidação completa; Ar em excesso e, eventualmente, a umidade do combustível e do ar; Produtos gasosos e sólidos (fuligem) de combustão incompleta; Fração mineral não combustível (cinzas). Vejamos alguns conceitos importantes:

Combustão estequiométrica ou teórica (neste caso os volumes de gases e entalpias têm um expoente “o”).

[1

kg de biomassa ] + Va0 → Vg0

(3.16)

[1

kg de biomassa ] + Va → Vg

(3.17)

Combustão real.

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Sendo: Vao - Volume de ar teórico: é a quantidade de ar teoricamente necessária para a combustão completa de 1 kg de combustível. É calculado a partir das reações de combustão dos elementos que compõe o combustível. Va - Volume de ar real: é a quantidade de ar que se necessita em equipamentos industriais existentes para a combustão de 1 kg de combustível. Evidentemente Va 〉 Vao porque a mistura de ar com combustível não é perfeita. V α = ao - Coeficiente de excesso de ar (na fornalha). (3.19) Va V go - Volume de gases gerados durante a combustão de 1 kg de combustível para α =

1,0. Vg - Volume de gases gerados durante a combustão de 1 kg de combustível para α > 1,0. A Tabela 3.8 apresenta as equações para o cálculo de Vao , V go e Vg . Nestas equações e em outras futuras Ct, St são a quantidade de diferentes elementos na composição do combustível (em %). Os valores de Va e Vg permitem selecionar os ventiladores de tiragem forçada e induzida numa caldeira a vapor. O coeficiente α depende do tipo e características do combustível, assim como do tipo de fornalha. Para a biomassa recomenda-se α = 1,2 durante a queima em suspensão e α = 1,3 durante a queima em grelha. É determinado a partir dos dados da composição elementar do combustível pelas equações indicadas na Tabela 3.9.

Tabela 3.8- Equações para o cálculo de Vao , V go e Vg . Parâmetro

Equação Volume teórico do ar, m /kg Vao = 0,0889 (C t + 0,375 S t ) + 0,265 H t − 0,0333 O t Volume teórico de gases (α = 1,0) , m3/kg V go = V R O2 + V No2 + V Ho2 O 3

Vao

(3.19) (3.20) 3

V

o g

Vg s

Volume de gases triatômicos: RO2 = CO2 + SO2, m /kg V R O2 = 0,01866 (C t + 0,375 S t )

(3.21)

3

Volume teórico de nitrogênio, m /kg V No2 = 0,79 Vao + 0,008 N t

(3.22)

Volume teórico de vapores de água. V Ho2 O = 0,111 H t + 0,0124 W t + 0,0161Vao

(3.23)

Volume de gases secos V gs = V RO2 + V No2 + (α − 1)Vao

(3.24)

3

Vg

Volume real de gases, m /kg V g = V go + 1,0161 (α − 1)Vao

(3.25)

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44

A fornalha é o local da caldeira de vapor onde tem lugar a combustão do bagaço de cana. O objetivo principal do projeto de uma fornalha é a liberação da máxima quantidade de calor por unidade de área e por unidade de volume, evitando efeitos negativos como o arraste excessivo de cinzas, a fusão da cinza na fornalha com a subseqüente formação de aglomerações, etc. No início da indústria açucareira, quando o bagaço era visto como um resíduo a incinerar, utilizavam-se fornalhas de queima em pilha ou deposição. As variantes mais conhecidas deste tipo de fornalha são as do tipo ferradura. Posteriormente passou-se à queima sobre uma grelha que podia ser fixa ou rotativa. Além do aumento da eficiência da combustão, por causa de uma espessura mais homogênea do leito em combustão, estes sistemas permitiram mecanizar o processo de remoção das cinzas. A demanda por maiores capacidades de vapor por unidade, e um maior tratamento da cana antes da moagem tornaram inviável o sistema de queima sobre grelha passando-se, então, a utilizar diversos sistemas de queima em suspensão. A Figura 3.6 mostra os tipos de fornalhas geralmente utilizadas para a queima da biomassa e a Tabela 3.10 suas características mais importantes. Tabela 3.9- Equações para a determinação do coeficiente de excesso de ar α com base nos resultados da análise de gases. Denominação do método, condições de aplicação.

Equações

CO2max α= CO2 21 CO2max = 1+ β Fórmula pelo carbono

(3.26) (3.27)

CO2max - Máxima concentração possível de CO2 nos gases. H t − 0,126 O t + 0,038 N t β = 2,35 C t + 0,375 S t

(3.28)

β- Coeficiente de Bunte: Relação entre a composição elementar do combustível e a composição dos gases. Fórmula pelo oxigênio a)Combustão completa. b)Combustão incompleta.

α= α=

21 21 − O2

(

(3.29) 21

21 − O2 − 0,5 CO − 0,5 H 2 −2CH 4

)

(3.30)

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Nos sistemas de queima em suspensão a aerodinâmica da fornalha (distribuição do ar total pelos diferentes conjuntos de bocais de injeção, velocidade e direcionamento dos jatos de ar) tem grande influência sobre a fração de particulados arrastados e a complementação da combustão das partículas de combustível. As fornalhas de queima em suspensão, atendendo a suas particularidades, apresentam maiores emissões de particulados que as fornalhas de queima em leito fixo.

Figura 3.6 - Fornalhas utilizadas para a queima de biomassa.

O desenvolvimento da tecnologia de construção de caldeiras, o aumento dos parâmetros do vapor e da capacidade fazem com que hoje coexistam diferentes tipos de caldeiras para biomassa (Figura 3.7): • Caldeiras de tubos retos (obsoletas, se encontram somente em usinas de açúcar muito antigas). • Caldeiras de tubos curvos com vários balões (não são mais fabricadas, ainda que seja comum encontrá-las em usinas de açúcar). • Caldeiras convectivas de dois balões. • Caldeiras radiantes.

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Figura 3.7 - Tipos construtivos de caldeiras para biomassa.

Os parâmetros mais importantes dos diferentes tipos de caldeiras apresentam-se na Tabela 3.11. A fim de caracterizar quantitativamente os diferentes sistemas de combustão, utilizaremos as seguintes características técnicas das fornalhas: •

Tensão térmica da superfície da grelha. QA =

C ⋅ PCI t , MW/m2 A

(3.31)

sendo: CConsumo de combustível, kg/s, ASuperfície da grelha, m2, PCI t - Poder calorífico inferior do combustível, MJ/kg. •

Tensão térmica volumétrica da fornalha. QV =

C ⋅ PCI t , MW/m3 Vf

sendo: Vf- o volume da fornalha, m3

(3.32)

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Tabela 3.10 - Características técnicas das fornalhas utilizadas para a combustão de biomassa.

Tipos de fornalhas

QA, kW/m2

QV , kW/m3

Capacidade máxima da caldeira, tv/h

I- Fornalha celular

3,9

-

45

Umidade máxima da biomassa, %

Comentários

> ta (tge > 120 oC) Causa: insuficiente desenvolvimento das superfícies recuperadoras de calor da caldeira

Perdas de calor em caldeiras

Q3 = perdas por combustão química incompleta Evidência: presença de produtos de combustão incompleta nos gases (CO, H2, CH4, CnHn,) Causas: ar secundário insuficiente, tempo insuficiente de permanência dos gases na fornalha, etc.

Q4 = perdas por combustão mecânica incompleta Evidência: partículas de carbono e fuligem nos gases. Causas: ar secundário insuficiente, problemas com a aerodinâmica da fornalha que provocam arraste excessivo, alta umidade da biomassa, granulometria excessivamente fina, etc. Q5 = perdas ao meio ambiente Causa: a temperatura das superfícies externas da caldeira é maior que a ambiente

Q6 = perdas com o calor físico das cinzas Causa: os resíduos extraídos durante a limpeza periódica da grelha possuem uma temperatura maior que a ambiente

Figura 3.12- Perdas de calor em caldeiras para biomassa.

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Quando se deve determinar a eficiência por balanço direto ou indireto? • Para caldeiras que queimam combustível líquido ou gasoso, é comum a medição do fluxo do mesmo, isto facilita a realização do cálculo por balanço direto; • Quando se utiliza combustíveis sólidos e não se dispõe de valores do consumo de combustível, a eficiência é determinada por balanço indireto. É importante determinar o valor das diferentes perdas de calor, pois permite conhecer as reservas de aumento de eficiência ou as causas de um baixo valor deste parâmetro. Na Tabela 3.12 apresentam-se as equações para o cálculo das perdas de calor e a eficiência em caldeiras que utilizam combustível sólido. Tabela 3.12. Equações para o cálculo das perdas de calor e eficiência em caldeiras (determinação experimental). Perdas e Faixa, % eficiência *

q2, %

8 - 18

q3, %

0,5-1,5**

q4, %

1-4***

Equações de cálculo

q2 =

h ge −α ge ⋅ h oaf Qdt

⋅(100−q 4 )

q 3 =(126,4 ⋅ CO +358,2 ⋅ CH 4 +108,0⋅H 2 )⋅ q 4 = (a p ⋅

Cp 100−C p

+ a silos ⋅

(3.42) Vgs Qdt

Csilos Carr 327,8 ⋅ A t + a arr ⋅ ) 100−Csilos 100−Carr Qdt

(3.43) (3.43)

.

q5, %

0,8-1,6

q 5 =q 5 nom ⋅

m vs nom .

(3.44)

m vs tp

q6, %

< 0,1

q6 = A t ⋅ a p ⋅ cp ⋅

Eficiência bruta da caldeira %

75-85

ηc = 1 − ( q 2 + q 3 + q 4 + q5 + q 6 )

Qdt

(3.45)

(3.46)

* Valores aproximados para uma temperatura dos gases de escape de 180 -200 oC, q2 ≈ 12 %. ** Valores aproximados para uma combustão adequada q3 ≈ 0,5 %. *** Valores aproximados para uma combustão adequada q4 ≈ 1 - 2 %.

Nesta tabela: h ge - Entalpia dos gases de escape, calculada a partir do coeficiente de excesso de ar e da temperatura dos gases, kJ/kg; h - Entalpia do ar à temperatura ambiente, kJ/kg; CO, CH4 e H2 - Conteúdos em % de CO, CH4 e H2 nos gases de escape; Vgs - Volume de gases secos (ver Tabela 3.7); o af

ap, asilos, aarr - Fração da quantidade total de cinzas do combustível nos resíduos extraídos pela grelha, os silos de cinza do feixe de convecção e no arraste. Evidentemente ap + asilos + aarr =1.

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A fração de cinzas arrastada com os gases determina a carga (concentração) de particulados nos gases. Para bagaço de cana aarr toma valores na faixa 0,60-0,98, correspondendo os maiores valores a sistemas de queima em suspensão. Assim a concentração de cinzas nos gases de combustão calcula-se como: 10.A t .a arr , g/m3 µ cinzas = Vg

(3.47)

.

ap =

mp ⋅ Ap C⋅ A t

(3.48)

.

m p - Fluxo de resíduos retirados da grelha, kg/s. Ap - Quantidade de cinzas nos resíduos retirados da grelha.

De maneira semelhante calcula-se asilos. A fração de cinzas arrastadas se determina a partir do balanço de cinzas: aarr = 1 - ap - asilos. Cp, Csilos, Carr- Teor de elementos combustíveis nos resíduos retirados da grelha, silos de cinzas do feixe de conveção e do arraste. Perdas de calor ao meio ambiente para uma produção nominal de vapor q5 nom(calculado por nomogramas), em %. Geração nominal de vapor, t/h. mvs nomCalor específico e temperatura dos resíduos de cinza (escória) retirados cp, tpdurante a limpeza periódica da grelha. Exemplo de resultados da avaliação de uma caldeira para biomassa. Trata-se de uma caldeira para bagaço de 25 t/h de geração de vapor nominal com fornalha de grelha basculante (os dados das medidas encontram-se na Figura 3.13). Os resultados do balanço térmico encontram-se na Figura 3.14.

Figura 3.13- Dados das medições realizadas numa caldeira de 25 t/h que utiliza bagaço como combustível.

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q3 4%

q4 4%

56

q5 2%

q2 15% Effc 75% Figura 3.14- Resultado do balanço térmico da caldeira da Figura 3.13.

Comentários: O excesso de ar na fornalha que é de αh = 1,214 é menor que o valor recomendado para a combustão de bagaço em fornalhas de grelha basculante, que deve ser 1,3. Daí os valores excessivos das perdas q3 e q4.

3.3- Fatores que afetam o nível e características das emissões de poluentes em caldeiras para bagaço No caso das caldeiras para bagaço a concentração máxima (de 1000 a 30000 mg/Nm3) e a composição granulométrica dos particulados são extremamente variáveis. Os fatores que provocam este fenômeno são (Flood e Frew, 1974): • Variação nas características do bagaço (umidade, granulometria e quantidade de cinzas); • Regime de operação e capacidade da caldeira; • Sistema de combustão do bagaço (em camada ou em suspensão) e forma de limpeza da grelha. A Figura 3.15 mostra a análise de frequência do nível de emissão de particulados em três tipos de caldeiras: de queima em suspensão, de queima em camada com limpeza periódica da grelha e de queima em camada com limpeza continua da grelha (Flood et al., 1974). Observa-se que a frequência de ocorrência de níveis de emissão na faixa de 5000-8000 mg/Nm3 é muito maior nas caldeiras de queima em suspensão. A fração de cinzas arrastada com os gases depende fundamentalmente do tipo de sistema de combustão. Assim para sistemas de queima em camada este parâmetro pode tomar valores mínimos de até 0,6, sendo mais comuns valores na faixa de 0,80 – 0,90. Os sistemas de queima em suspensão se caracterizam geralmente por maiores valores a faixa de 0,90 – 0,98. Os poucos dados disponíveis não permitem estabelecer uma dependência rigorosa neste sentido pois ilustram a tendência geral observada (Figura 3.16). Os resultados são afetados por questões operacionais como a distribuição do ar pela grelha, distribuidores e conjunto de jatos, além do nível de vácuo na fornalha. Os cálculos mostram que a concentração de cinzas nos produtos da combustão varia desde 1850 mg/Nm3 para sistemas de queima em camada, até 3285 mg/Nm3 para sistemas de queima em suspensão com vórtex horizontal. Estes valores coincidem aproximadamente com os do histograma de frequência apresentado por Flood et alli. (1974).

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Figura 3.15- Histogramas de frequência dos níveis de emissão de particulados em diferentes tipos de caldeiras para bagaço (Flood et al., 1974).

A Figura 3.17 mostra a relação existente entre as perdas por combustão mecânica incompleta, q4 e a tensão térmica superficial da grelha Qf. Observa-se que nos sistemas de queima em suspensão estas perdas praticamente se duplicam. Grass e Jenkins (1994) indicam que a combustão incompleta do combustível está acompanhada da emissão de poluentes orgânicos como hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAH), alcatrão, dioxinas e furanos. O valor de q4 pode diminuir mediante uma melhor organização e controle da aerodinâmica na fornalha.

Figura 3.16- Relação entre a fração de cinzas arrastadas com os gases Aarr e a tensão térmica superficial da grelha Qf.

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Figura 3.17- Relação entre as perdas por combustão mecânica incompleta q4 e a tensão térmica superficial da grelha Qf. REFERÊNCIAS

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4- CARACTERIZAÇÃO DAS EMISSÕES PRODUTO DA QUEIMA DO BAGAÇO DE CANA 4.1- Fatores de emissão nas caldeiras para bagaço Os fatores de emissão expressam a quantidade de diferentes poluentes emitidos por unidade de produto ou unidade de consumo de combustível/energia. Assim conhecendo-se o volume de produção total e/ou o consumo total de combustível é possível calcular as emissões totais do equipamento ou planta em questão. A EPA tem publicado os fatores de emissão de caldeiras para bagaço (Tabela 4.1) expressos em g de poluente / kg de vapor gerado e em g de poluente / kg de bagaço queimado (EPA, 1995). Tabela 4.1- Fatores de emissão para caldeiras que queimam bagaço (EPA, 1995). Poluente Material particulado (TPS) - Sem controle - Controlado Ciclones Lavadores de gás PM-10 - Controlado Lavadores de gás CO2 - Não controlado NOx - Não controlado PAH - Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos - Não controlado

g/kg de vapor

g/kg de bagaço

3,9

7,8

2,1 0,4

4,2 0,8

0,34

0,18

390

780

0,3

0,6

2,5 10-4

5,0 10-4

4.2- Granulometria dos particulados. Composição A Figura 4.1 mostra as curvas de distribuição granulométrica da cinza volátil do bagaço de cana segundo dados de medições realizadas em usinas de açúcar de diferentes países. É possível determinar duas curvas de distribuição média correspondentes a uma cinza “grossa” e a uma “fina”. As Figuras 4.2 e 4.3 mostram a composição granulométrica destes tipos de cinza. A variedade e o tipo de preparo da cana, as características das moendas e o tipo de sistema de combustão (Tabela 4.2) são fatores que determinam a granulometria da cinza volátil do bagaço. A chamada cinza volátil, está composta por uma porcentagem considerável de carbono não queimado, o que afeta a sua densidade e pode ser causa de incêndios nos sistemas de separação. Isto é um fator importante a considerar durante o controle de particulados em caldeiras para bagaço.

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Figura 4.1 Curvas de distribuição granulométrica da cinza volátil produto da combustão do bagaço de cana em caldeiras industriais. 1- CSRI- África do Sul (1979), 2- MSIRI Ihas Mauricio, 3- Austrália (1972), 4- / SASA África do Sul (1972), 5- SRI Mackay, Austrália (1994), 6- Austrália (1972), 7- CSRIÁfrica do Sul (1979), 8- Granulometria fina, 9- Granulometria grossa.

Figura 4.2- Composição granulométrica da cinza volátil “grossa” do bagaço de cana.

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Figura 4.3- Distribuição granulométrica da cinza volátil “fina” do bagaço de cana. Tabela 4.2. Composição granulométrica média da cinza volátil para diferentes sistemas de combustão do bagaço de cana (Flood et alli., 1974). Dimensão das partículas (µm) 5 10 20 30

Fração de partículas com dimensão menor que a indicada, % Queima em camada Queima em suspensão 10 9 27 22 44 42 55 50

4.3- Concentração de óxidos de nitrogênio nos produtos de combustão. Flood et al. (1974) apresentam também os resultados da medição da concentração de óxidos de nitrogênio nos produtos da combustão. Os resultados foram de 260 mg/Nm3 para caldeiras com queima em suspensão e de 200 mg/Nm3 para caldeiras de queima em camada sobre uma grelha. Em geral a emissão de poluentes em caldeiras para bagaço é comparável à de outros equipamentos combustores de biomassa. Marutzky (1993) apresenta os resultados da medição da concentração de monóxido de carbono (CO), hidrocarbonetos (HC) e óxidos de nitrogênio (NOx) para uma fornalha que queima aparas de madeira com 60-70 % de umidade: 3 • CO - 2420 mg/Nm , 3 • HC - 98 mg/Nm , 3 • NOx - 231 mg/Nm . Nussbaumer (1993) determinou a concentração de NOx durante a combustão de amostras de madeira em uma fornalha de laboratório obtendo valores na faixa de 130 200 mg/Nm3.

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A Figura 4.4 mostra a relação que existe entre a temperatura máxima de chama Tfmax e a tensão térmica volumétrica da fornalha Qv. São observados valores de Tfmax na faixa de 950 a 1250 oC, correspondendo os menores valores à caldeiras de queima em camada (Spreader-Stoker). O conjunto de dados disponíveis, ainda que limitados, permitem concluir que existe uma clara dependência entre Tfmax e Qv. Os resultados mostrados na Figura 4.4 dependem do tipo construtivo das paredes de água da fornalha. Nos casos analisados predominam as paredes de tubos espaçados. A utilização de paredes de tubos tangentes, aletados ou de membrana permitiria obter menores valores de Tfmax para iguais Qv. A Figura 4.5 mostra uma relação semelhante de Tfmax com a tensão térmica superficial da grelha Qf. Uma temperatura excessiva da chama (acima de 1250 oC) provoca a formação de aglomerações de cinza fundida sobre a grelha. Temperatura máxima de chama Tfmax, oC

1300

Queima em suspensão 1250

1200

1150

1100

1050

Queima em camada 1000

950

900 0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

Tensão térmica volumétrica da fornalha Qv, MW/m3

Figura 4.4- Relação entre a temperatura máxima de chama Tfmax e a tensão térmica volumétrica da fornalha Qv.

A temperatura máxima da chama pode ou não ser um parâmetro determinante na formação dos NOx em dependência do mecanismo de sua formação. Atendendo a este último fator os óxidos de nitrogênio classificam-se em: •

•

NOx "térmicos": formados a partir da reação do nitrogênio e do oxigênio atômico do ar a altas temperaturas (Tfmax > 1500 K). O fator determinante neste mecanismo é a temperatura máxima na zona de combustão; NOx "combustíveis": Formados a partir do nitrogênio do combustível. Os fatores determinantes são a quantidade de nitrogênio na composição elementar do

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•

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combustível, a concentração de O2 na região de chama e em menor medida sua temperatura; NOx "rápidos": Formados a partir da reação do nitrogênio do ar com a participação de radicais HC na região de baixas temperaturas de chama (Tf < 1500 K).

Figura 4.5- Relação entre a temperatura máxima de chama Tfmax e a tensão térmica superficial da grelha Qf.

Não é freqüente encontrar informação sobre a quantidade de nitrogênio Nt na composição elementar do bagaço de cana, já que, geralmente, este valor é determinado por diferença conjuntamente com a concentração de Ot, ou seja, Ot + Nt. Na Tabela 4.3 apresentam-se os dados encontrados na literatura. Como se observa a variação nos dados disponíveis é considerável, provavelmente por causa da influência do tipo de solo, clima, tipo e regime de fertilização entre outros fatores. Existem opiniões diversas na literatura consultada com relação ao mecanismo predominante na formação de NOx durante a combustão de biomassa. Segundo Sigal (1988), na faixa de temperaturas máximas de chamas típicas de fornalhas para biomassa (900 - 1300 oC), predomina a formação de NOx a partir do nitrogênio do combustível, além do mecanismo "rápido". Nussbaumer (1988) estudou a emissão de óxidos de nitrogênio durante a combustão de lenha não detectando influência considerável da temperatura de combustão e sim da quantidade de nitrogênio no combustível. Concluiuse que o mecanismo "térmico" pode ser desprezado, sendo o fundamental o "combustível". Grass e Jenkins (1994) baseados em estudos de combustores de leito fluidizado industriais para biomassa e às referências bibliográficas sugerem, que a contribuição do mecanismo "térmico" é provavelmente subestimada, e que os NOx "rápidos" também podem constituir uma fração significativa das emissões de óxidos de nitrogênio.

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Tabela 4.3- Dados bibliográficos com relação à quantidade de nitrogênio na composição elementar do bagaço de cana. No

1 2 3 4 Valor médio*

Quantidade de nitrogênio (Nt, %) na composição elementar do bagaço 0,104 0,206 0,196 0,475 0,245

Referências

Cundy et alli. (1983) Rodriguez et alli. (1992) Jenkins (1990) Najewicz e Furman (1993) -

* Valor calculado excluindo o dado Nº 2 e utilizado nos cálculos apresentados posteriormente.

Neste trabalho calcula-se a concentração total de óxidos de nitrogênio e as correspondentes aos mecanismos "térmico" e "combustível", para parâmetros de operação típicos em caldeiras de queima em camada e em suspensão. Os modelos utilizados foram obtidos por outros autores em base a numerosos experimentos em caldeiras para turfa e carvão mineral. Na Tabela 4.4 apresentam-se os resultados dos cálculos, obtidos com o auxílio das seguintes equações: •

Para o cálculo da concentração total de NOx (Sigal, 1988). C NO x =0,48872 ⋅ A ⋅d e

0 ,8

⋅Q0v,5 ⋅α 3h , mg/Nm3

(4.1)

sendo: A - Coeficiente de proporcionalidade ( 0,7); d e - Diâmetro equivalente da secção transversal da fornalha, m; Q v - Tensão térmica volumétrica da fornalha, GJ/m3h; α h - Coeficiente de excesso de ar na saída da fornalha. •

Para o cálculo da concentração de equilíbrio pelo mecanismo "térmico" (Nussbaumer, 1988).

C NO xeq . =

⎛ 11300 ⎞ 9.79105 ⎟⋅ ( N 2 ) 0,5 ⋅(O 2 )0,5 , mg/Nm3 ⋅ exp⎜ − ⎜ ⎟ 21−(O 2 ) ⎝ Tf max ⎠

sendo: (O 2 ) - Concentração de oxigênio na zona de máxima temperatura de chama, %; (N 2 ) - Concentração de nitrogênio na zona de máxima temperatura de chama.

(4.2)

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Tabela 4.4- Resultados da concentração total de óxidos de nitrogênio e as correspondentes aos mecanismos "térmico" e "combustível". Parâmetros utilizados Tfmax=1000 oC Qv = 0.10 MW/m3 αh = 1.25 O2h = 8 % Tfmax =1250oC Qv = 0.17 MW/m3 αh = 1.25 O2h = 8 % •

CNO x

CNO x "térmicos", mg/Nm3

CNOx

CNOx

combustíveis, combustíveis, mg/Nm3 mg/Nm3 Método 1 Método 2

total, mg/Nm3

Concentração de equilíbrio

Considerando

242,9

262,5

1,9*105

154,8

140,1

32,3

1127,2

4,3*102

208,6

176,2

τp

Para o cálculo da concentração de NOx formada pelo mecanismo “térmico” considerando o tempo de permanência dos gases na fornalha τp (Nussbaumer, 1988). ⎛ 67500 ⎞ ⎛ ⎞ 1,32⋅ 1018 ⎟ ⋅(N 2 ) ⋅(O 2 )0,5 ⋅τp ⋅⎜ 1 ⎟ ⋅ exp⎜ − C NO x ( τ ) = ⎜ T ⎟ ⎜T ⎟ 21 − (O 2 ) f max ⎠ ⎝ ⎝ f max ⎠

0,5

, mg/Nm3

(4.3)

sendo τp igual a: τp =

273. ⋅ Vf ,s C ⋅ vg ⋅ Tf

(4.4)

vg - Volume de gases, m3/kg de combustível; Tf - Temperatura média dos gases na fornalha, K. •

Para o cálculo da concentração de NOx formada pelo mecanismo “combustível” /Método 1/ (Kotler, 1987). K comb NO x = K⋅ N t ⋅ ξ α q ⋅ ξ α1 ⋅ξ v. , kg/MJ

C

Sendo: K-

comb NO x

=

t 3 K comb NO x ⋅ PCI , mg/Nm

(4.5)

(4.6)

Vg.s

Coeficiente experimental (0,7) obtido como resultado da avaliação de 22 tipos de carvão mineral;

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Nt - Quantidade equivalente de nitrogênio no combustível, kg/MJ; PCI t ξα q Coeficiente adimensional que considera a influência do excesso de ar nos Nt =

queimadores (considerou-se igual a αh); ξ α1 ξv -

Coeficiente adimensional que considera a influência do coeficiente de excesso de ar primário (considerou-se como ar primário o introduzido por baixo da grelha); Coeficiente adimensional que considera a influência da temperatura máxima de chama sobre a formação de óxidos de nitrogênio “combustíveis”.

ξ v =0,11 ⋅ 3 Tf max − 1100 •

(4.7)

Para o cálculo da concentração de NOx formados pelo mecanismo "combustível" /Método 2/ (Titov et al., 1980). −4 max 0 , 33 Ccomb NO x =7⋅10 ⋅C NO ⋅(O 2 ) ⋅(Tf max − 1025)

2

(4.8)

Sendo: C max NO - Concentração máxima de NOx nos produtos da combustão, considerando a conversão de todo o nitrogênio do combustível em NO. Em termos médios, de 20-30 % do nitrogênio presente na composição elementar do combustível se converte em NO (Sigal, 1988); Da análise dos resultados mostrados na Tabela 4.4, pode-se concluir que o mecanismo “combustível” é importante na formação de óxidos de nitrogênio em caldeiras para bagaço. O aumento da temperatura máxima de chama de 1000 oC para sistemas de queima em camada e até 1250 oC para sistemas de queima em suspensão provoca um aumento na concentração dos NOx “combustíveis” de 25-35 % e da concentração total de 32 %. A concentração de NOx "térmicos" é desprezível na faixa de temperaturas analisadas. Por outro lado é de se prever um papel importante do mecanismo "rápido". O controle da temperatura máxima de chama e do coeficiente de excesso de ar na fornalha pode contribuir para a diminuição da concentração de óxidos de nitrogênio nos gases produto da combustão do bagaço de cana. A Figura 4.6 mostra os resultados das medições de NOx numa caldeira para bagaço (Silva, Teixeira e Alves, 1999). As medições realizadas foram agrupadas em três grupos atendendo ao valor do excesso de ar. O último grupo de dados corresponde aos valores médios observados durante o teste: concentração de NOx- 254,0 mg/Nm3, excesso de ar nos gases de exaustão – 50,86 % e geração de vapor – 42 t/h. É possível concluir que o fator que define a concentração de NOx é o excesso de ar, sendo que a influência da carga é praticamente nula. As medições com excesso de ar médio de 66,8 % correspondem uma queda na carga de até 40 t/h de vapor , e em correspondência uma redução da temperatura da chama na fornalha, porquanto queima-se menos combustível. Fica então demonstrado experimentalmente a predominância do mecanismo

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combustível na formação de óxidos de nitrogênio em caldeiras a bagaço. A existência e uma relação linear entre a concentração de NOx nos gases de exaustão e a concentração de oxigênio (Figura 4.7) confirma o que anteriormente foi dito. 43,00 146,20

150,00

42,50

135,62

132,93

42,00

130,00 113,67

41,50

110,00 41,00 90,00 40,50 66,80

70,00

Carga, mv (t/h)

Nox (mg/m3), Excesso de ar (%)

170,00

40,00

54,09

50,86

50,00

39,50

33,55 30,00

39,00 faixa mínima

faixa média NOx

faixa máxima Excesso de ar

teste

Carga

Figura 4.6- Influência de parâmetros de operação da caldeira na formação de NOx para algumas faixas típicas de excesso de ar e de carga

160

NOx (mg/m3)

150

NOx = 14,172O2 + 26,045 R2 = 0,9385

140 130 120 110 100 90 5

6 NOx (mg/m3n)

7 Linear (NOx (mg/m3n))

8

9 O2 (%)

Figura 4.7 - Relação entre a concentração de O2 e o teor de NOx nos gases de combustão.

4.4- Métodos de controle das emissões de NOx. Redução seletiva não catalítica dos óxidos de nitrogênio (injeção de amônia) 4.4.1- Classificação dos métodos de controle das emissões de óxidos de nitrogênio.

Ao contrário dos óxidos de enxofre, no caso dos NOx é possível diminuir a emissão dos mesmos atuando sobre os fatores que determinam sua formação, em particular sobre a temperatura máxima na fornalha Tmax e sobre a concentração de

70

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oxigênio nesta região. Existem alguns métodos de remoção dos óxidos de nitrogênio utilizando diferentes reativos. A Tabela 4.5 apresenta um resumo dos métodos de redução de emissões de NOx mais utilizados em instalações energéticas. Tabela 4.5- Classificação dos métodos de controle das emissões de óxidos de nitrogênio. Tipo de método

Denominação do método

Fundamentos

Recirculação dos produtos da Diminuição da temperatura e concentração de combustão. oxigênio no núcleo da chama. Diminuição da temperatura e concentração de oxigênio no núcleo da chama.

Combustão por etapas. Métodos précombustão (preventivos)

Métodos póscombustão

Queimadores com baixa emissão Diminuição da temperatura e concentração de de NOx. (LNB). oxigênio no núcleo da chama. Injeção de água e vapor.

Diminuição da temperatura e concentração de oxigênio no núcleo da chama.

Combustão em leito fluidizado.

Temperaturas de combustão menores que em sistemas convencionais para combustíveis sólidos pulverizados.

Redução seletiva não catalítica Redução de NOx até N2 por injeção de amônia sem (NSCR). a utilização de catalisadores. Redução (SCR).

catalítica

seletiva Redução de NOx até N2 por injeção de amônia com a utilização de catalisadores.

Para as caldeiras que utilizam biomassa como combustível o método mais difundido, devido ao seu baixo custo, é a injeção não-catalítica de amônia. As caldeiras de leito fluidizado, em consequência da baixa temperatura de combustão na fornalha (800-900 oC), caracterizam-se por baixas emissões de óxidos de nitrogênio. 4.4.2- Injeção não catalítica de amônia

A reação da amônia com o NO com a formação de nitrogênio, gases e vapores de água, sem a utilização de catalisadores acontece somente na faixa de temperaturas entre 800 e 1000 oC. Em temperaturas maiores que 1100 oC torna-se significativa a reação da amônia com o oxigênio, cujo produto é o NO. As reações químicas que ocorrem entre o NH3 e os óxidos de nitrogênio são: 1 3 NO + NH3 + ⋅ O 2 → N 2 + ⋅ H 2O 4 2

(4.9)

5 NH3 + ⋅ O 2 → NO + H 2O 4

(4.10)

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71

A dependência entre as reações que ocorrem no processo de redução de NOx e a temperatura é mostrada na Figura 4.8 (Sauter, 1994).

Figura 4.8- Tipo de reação que ocorre durante o processo de redução de NOx em função da temperatura (Sauter, 1994). TR- Temperatura dos produtos da combustão, TF- Janela de temperatura, NH3T- Quantidade total de amônia injetado, 1Deslizamento (slip) de NH3, 2- Redução de NOx, 3- Combustão de NH3, 4- Formação de NO.

O processo de controle das emissões de NOx por injeção não catalítica de amônia é muito sensível à temperatura com um máximo de eficiência na faixa de 967 ± 50 oC (Figura 4.9; Mobley, 1984).

Figura 4.9- Eficiência do processo de redução dos NOx em função da temperatura (Mobley, 1984).

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A adição de hidrogênio diminui e amplia a faixa de temperatura efetiva. Já para H2/NH4 = 2/1, a redução de NOx pode ocorrer a 697 oC. Os fatores que afetam a eficiência do processo de redução não catalítica com amônia são: • Características do sistema de combustão ou do combustível. Porém esta tecnologia não tem sido aplicada em caldeiras que utilizam carvão mineral como combustível. • Tempo de residência na zona de temperatura ótima do gás. Segundo Mobley (1984) um tempo de residência de 0,2-0,3 segundos é suficiente. • Perfis de temperaturas na direção de movimentação dos gases na fornalha e condutos de gases. O importante é a localização ótima dos pontos de injeção e considerar restrições nas variações da carga, tentando evitar mudanças consideráveis da temperatura dos gases nos pontos de injeção. • Relação NH3/NO e concentração de NOx. Recomendam-se valores da relação NH3/NO de 1.5 para valores iniciais da concentração de NO de 200 ppm; para valores maiores a relação NH3/NO diminui até 1. As companhias Wheelabrator Air Pollution Control e Exxon comercializam sistemas de redução não catalítica de NOx, conhecidos pelos nomes de processos NOxOUT e Thermal De NOx* , respectivamente. Estes processos caracterizam-se por eficiências de remoção dos óxidos de nitrogênio na faixa de 40-60 %. As Figuras 4.10 e 4.11 apresentam os esquemas correspondentes.

Figura 4.10- Diagrama simplificado dos fluxos no processo NOxOUT (Cortesia da Wheelabrator Air Pollution Control).

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Figura 4.11- Processo Thermal De NOx * (Cortesia da Exxon). REFERÊNCIAS

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