TRATAMENTO DOS EFLUENTES ATMOSFÉRICOS DA UTE CHARQUEADAS
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- Ana Júlia de Almeida Caetano
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1 TRATAMENTO DOS EFLUENTES ATMOSFÉRICOS DA UTE CHARQUEADAS Rita Clarice Machado Tissot & Rodrigo Lopes Missel TRACTEBEL ENERGIA S.A. & RESUMO O objetivo deste trabalho é apresentar a experiência da TRACTEBEL, no equacionamento dos efeitos ambientais relativos as emissões atmosféricas da Usina Termelétrica Charqueadas, movida a carvão energético nacional com expressivas reservas localizadas na região sul do país. PALAVRAS-CHAVE: Termeletricidade, Emissões, Particulados, Filtros, Dessulfurização. 1. INTRODUÇÃO: A Usina Termelétrica Charqueadas (UTCH), situa-se à margem direita do rio Jacuí, no município de Charqueadas, Rio Grande do Sul, é constituída de 04 grupos geradores de 18 MW com capacidade total instalada de 72 MW. O carvão utilizado no processo de geração termelétrica na UTCH tem alto teor de cinzas (53%), poder calorífico de kg/kcal, umidade em torno de 15% e teor de enxofre variável entre 0,8 e 1,3%. 2. FONTES DE POLUIÇÃO EM TERMELÉTRICAS: Os efluentes de termelétricas, de interesse para o meio ambiente podem ser classificados como aéreos, líquidos e sólidos. 2.1 Efluentes aéreos Os efluentes aéreos são aqueles constituídos de gases e material particulado, gerados no processo de combustão de uma usina termelétrica, e com possibilidade de descarga na atmosfera Material particulado (MP) Durante a combustão, o percentual de material particulado arrastado pelo fluxo de gás, recebe a denominação de cinza leve (fly-ash). A maior parte desta cinza é retida pelo precipitador eletrostático ou filtro de mangas e uma pequena fração é direcionada à chaminé ou ao dessulfurizador de gases (casos onde há lavadores de gases instalados). Nem todas as cinzas são volantes: parte delas fica no fundo da caldeira, sendo chamadas de cinzas residuais ou pesadas (bottom-ash), e dessa forma não integram os efluentes aéreos. 1 Química, Mestre 2 Engenheiro Elétrico
2 Óxidos de Enxofre (SOx) O enxofre existente no carvão transforma-se em óxidos de enxofre durante a combustão, principalmente dióxido de enxofre (SO2). Na atmosfera o SO2 volta a se oxidar dando origem a sulfatos e ao ácido sulfúrico, este sob forma de gotículas. Dependendo da concentração, tais compostos podem ser responsáveis pelo surgimento de chuvas ácidas e diminuição da visibilidade Óxidos de Nitrogênio (NOx) São formados durante a combustão, dependendo da temperatura, da forma de combustão e do tipo de queimadores das caldeiras. Esses óxidos aparecem principalmente sob a forma de monóxido e dióxido de nitrogênio (NO e NO2), sendo tidos como co-responsáveis pela acidez das chuvas em locais de elevada concentração. Sua principal origem é no ar de combustão Elementos menores São emitidos, junto com os gases, uma série de elementos menores que podem estar presentes no combustível, geralmente em baixíssimas concentrações cujos efeitos são ainda pouco estudados. Já foi constatada a presença de cobalto, cromo, flúor, mercúrio, chumbo, arsênio, berílio, níquel, cádmio, alumínio e zinco no carvão sul-brasileiro, o que não chega a diferir de forma expressiva da situação vigente de outros tipos de carvão existentes e utilizados mundialmente. 2.2 Efluentes Líquidos Durante a operação de termelétricas a carvão são gerados uma série de efluentes líquidos, conforme descrito a seguir: Efluentes da drenagem do estoque de carvão A ação da chuva sobre os estoques de carvão ao ar livre oxida a pirita presente (composto de ferro e enxofre), gerando uma drenagem altamente poluidora, com elevados teores de sólidos em suspensão e baixo ph, o que favorece a lixiviação (dissolução) dos elementos menores associados ao carvão Efluentes do arraste mecânico ou hidráulico e da disposição das cinzas Quando utilizado o arraste hidráulico para extrair as cinzas de fundo da caldeira, a água utilizada nesse processo deve ser tratada adequadamente ou pode se constituir em outro efluente poluidor. A disposição de cinzas em aterros também apresenta potencial poluidor, pois as cinzas tanto podem ser arrastadas pelas águas superficiais, quanto lixiviadas pela água da chuva
3 3 percolada, arrastando para o lençol freático, substâncias eventualmente tóxicas que por esse meio podem atingir os mananciais de abastecimento rural ou urbano Efluente do sistema de refrigeração O sistema de refrigeração tem por finalidade resfriar e condensar o vapor proveniente das turbinas. Trata-se de um circuito paralelo independente do sistema de vapor, e que retira calor deste e entrega o ao meio ambiente, gerando efeitos térmicos em grau variado. Os sistemas de refrigeração podem utilizar a água apenas uma vez e descartá-la (circuito aberto) ou recircular o fluido refrigerante que entregará calor à atmosfera numa torre de refrigeração seca ou úmida (circuito fechado). No caso de água não recirculada, a composição química é praticamente igual à água captada, com exceção de biocidas eventualmente utilizados, destinados a controlar o crescimento de algas e limo nos tubos do condensador, prejudiciais a troca térmica. O biocida mais utilizado é o cloro Efluente do sistema de tratamento de água As termelétricas necessitam de água tratada para sua operação, sendo que a água utilizada para a produção de vapor é desmineralizada. As impurezas concentradas, retiradas da água durante o tratamento também são objeto de atenção, bem como os produtos que intervêm no processo regenerativo dos trocadores iônicos da desmineralização Demais efluentes São constituídos pelas purgas eventuais de caldeira, limpeza de equipamentos, drenagem pluvial e esgotos sanitários. 2.3 Resíduos sólidos Os resíduos sólidos são constituídos principalmente pelas cinzas, além de outros resíduos mencionados a seguir Cinzas Conforme citado anteriormente, ao tratar-se dos efluentes aéreos, o resíduo do processo de combustão pode formar dois tipos de cinzas: Cinzas leves ou volantes e cinzas pesadas. As cinzas podem ser removidas por via hidráulica (cinza pesada) e pneumática (cinza leve) para o local de disposição, o que deve ser projetado de maneira a permitir o confinamento e evitar a lixiviação de circunstanciais elementos tóxicos presentes nas mesmas Emissões fugitivas A ação do vento nas pilhas de carvão e depósitos de cinzas pode gerar emissões de poeiras.
4 4 3. O SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA As usinas térmicas são constituídas basicamente de três elementos principais: caldeira, turbina e alternador. A caldeira é o equipamento característico de uma usina térmica a vapor, sendo constituída por um trocador de calor complexo que, aproveitando a energia térmica liberada pela queima do combustível (carvão mineral) em sua câmara de combustão, eleva a temperatura da água em seu interior gerando vapor a alta temperatura e pressão. A turbina é uma máquina térmica rotativa que transforma a energia potencial do vapor (pressão) produzido na caldeira em energia mecânica (rotação) a ser transferida ao alternador por intermédio da energia cinética (velocidade). O alternador produz a energia elétrica pela transformação da energia mecânica recebida da turbina por meio do eixo de acoplamento. A transformação de energia mecânica em energia elétrica se faz por meio de ações eletromagnéticas entre o campo magnético do rotor e o circuito elétrico induzido (estator). 3.1 Descrição do sistema de controle de emissões existente até dezembro de 2009 O carvão (proveniente de minas da região próxima a UTCH) sofre um processo de uniformização de suas características físico-químicas antes de ser transportado para a usina Por correias transportadoras é conduzido para um alimentador mecânico ao sistema de moagem sendo insuflado com ar para a fornalha, onde ocorre a queima. Resultante do processo de combustão, a cinza leve e pesada são produzidas em proporção de aproximadamente 70% e 30%, respectivamente. A cinza leve era direcionada aos 04 precipitadores eletrostáticos (instalados em 1987) e a cinza remanescente dos precipitadores (aproximadamente 1,0 a 1,5%) constituía as emissões aéreas que eram emitidas pela chaminé. A cinza leve captada nos precipitadores eletrostáticos é direcionada pneumaticamente aos silos de cinza seca e comercializadas com a indústria cimenteira. A cinza pesada, proveniente do fundo da caldeira, é retirada por uma correia transportadora com talas de arraste, que por sua vez, alimenta um conjunto de correias transportadoras, operando em série, até a descarga na área de depósito de cinza pesada. Do local de depósito, a cinza é posteriormente transportada para disposição final nas cavas da mina de carvão ou comercialização com a indústria cimenteira. 4 ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS DE CONTROLE AMBIENTAL Os principais poluentes emitidos por plantas alimentadas a carvão são o dióxido de enxofre e o material particulado. Para estas plantas e outras fontes estacionárias, existem diversos métodos gerais ou filosofias para se atingir as metas de qualidade do ar e emissões. Estes métodos são: - Utilização de combustíveis com baixo teor de enxofre e/ou cinzas; - Remoção do enxofre do combustível antes da queima; - Remoção dos particulados e óxidos de enxofre dos gases de combustão após a combustão; - Diluição dos gases efluentes por meio de uso de chaminés altas e dos processos atmosféricos naturais de dispersão.
5 5 Atualmente, a concepção dos projetos de usinas termelétricas apresenta melhorias significativas, com o objetivo de minimização do impacto ambiental na área de influência destas plantas. Visando adotar tecnologia para redução do impacto ambiental da Usina de Charqueadas, a TBLE optou pela substituição dos precipitadores eletrostáticos por filtros de mangas para controle de material particulado e para redução das emissões de SO2 a implantação de lavador de gás 4.1 Precipitadores Eletrostáticos Os precipitadores eletrostáticos são equipamentos instalados para separar as partículas sólidas dos gases provenientes de processos industriais, promovendo a remoção do material particulado em suspensão. Para isso, o princípio de funcionamento envolve a ionização das partículas por meio da constituição de um campo elétrico na região entre as placas de captação. A partícula ionizada é direcionada para estas placas, que estão conectadas à terra, e, posteriormente removida desta por batimentos e conduzida para fora do equipamento. A principal variável que influi na eficiência dos precipitadores é a resistividade das cinzas a serem captadas. De maneira geral, pode-se afirmar que para cinzas com resistividade menor que 1012 ohm-cm, é recomendável o uso de precipitadores eletrostáticos e para cinzas com resistividade maior que 1014 ohm-cm, é recomendável o uso de filtros de mangas. Para valores intermediários de resistividade, o assunto requer estudo comparativo entre as duas soluções. A eficiência obtida em precipitadores eletrostáticos depende, além das particularidades do próprio equipamento, das características das cinzas volantes e, por conseqüência, do combustível queimado. A grande maioria destes equipamentos opera na faixa de eficiência de 90 a 99,8%, havendo unidades em aplicações específicas nos EUA com eficiência superior a esta. O tamanho do equipamento e, conseqüentemente, seu custo cresce exponencialmente com a eficiência a ser obtida. Da mesma forma, o tamanho e custo crescem significativamente com o aumento do teor de cinzas no combustível utilizado. 4.2 Filtros de Mangas FM ou FF (Fabric Filter) O princípio básico de funcionamento dos filtros de mangas é bastante simples, os gases de combustão passam em um compartimento onde há uma determinada quantidade de mangas. A eficiência de remoção das cinzas é elevada, atingindo valores acima de 99,9%. A adequação da UTCH foi realizada mediante a adaptação da parte interna dos precipitadores eletrostáticos, transformando-os em filtros de mangas. A estrutura externa existente foi totalmente aproveitada, incluindo tremonhas, válvulas rotativas e sistema de extração de cinzas. As mangas filtrantes com fixação por banda de aço mola foram instaladas de modo a garantir uma perfeita vedação manga-espelho, sem a necessidade de múltiplas peças, facilitando a instalação e manutenção. As mangas filtrantes (de dupla densidade GL057) confeccionadas em fibra de vidro de 18 oz. pela GE Energy conta com fios texturizados resultando em aumento da eficiência de filtragem e facilitando a liberação do excesso de pó durante os ciclos de limpeza.
6 6 Essas mangas estão montadas em gaiolas de arame rígido de 3mm proporcionando um suporte adicional que as mangas de fibra de vidro exigem, reduzindo sua dobra sobre os arames e prolongando sua durabilidade. Os ciclos de limpeza de cada filtro de mangas é controlado por um sistema pulse-ondemand, que utiliza como parâmetro principal a perda de carga medida entre os lados sujo e limpo do filtro de mangas, com um intervalo mínimo entre as sopragens (necessário para a pressurização dos barrilhetes), mantendo dessa forma uma alta eficiência de filtração de particulados. Cada unidade da Usina foi equipada com filtros de mangas, número projetado para manter o nível das emissões 50% menor do que os resultados obtidos na precipitação eletrostática, tecnologia anteriormente adotada na UTCH. Os testes iniciais demonstraram uma redução das emissões em percentuais superiores a isso, a Usina está operando desde com uma emissão de material particulado abaixo de 40 mg/nm3, o que representa uma diminuição da ordem de 8 a 10 vezes em relação aos precipitadores eletrostáticos, mudança que pode ser observada visualmente na chaminé. Atualmente todas as unidades da UTCH estão operando com filtros de mangas. 4.3 Lavador de Gases para reduzir a emissão de SO2 - oriundos da combustão do carvão A dessulfurização por via úmida é uma tecnologia largamente empregada no mundo todo para controle da emissão de SO2 dióxido de enxofre. A neutralização do SOx por meio de um processo químico, que se baseia na injeção de reagentes básicos pode ser realizada utilizando como reagente materiais alcalinos como: magnésio, amônia ou calcários. Para o caso da Usina de Charqueadas, em função dos custos e disponibilidade de reagentes na região, foi escolhido o Calcário (CaCO3). Cabe ressaltar que o processo químico utilizando materiais calcários é o mais utilizado no mundo. Com a entrada de operação do DESOX houve uma redução de 95% das emissões de SO2 da Usina de Charqueadas. Antes da instalação do FGD, a UTCH vinha operando com teores de enxofre no carvão abaixo de 1% com o objetivo de reduzir a emissão de SO2. 5. CARACTERIZAÇÃO DAS EMISSÕES ATMOSFÉRICAS DA UTCH Com a instalação dos 04 precipitadores em 1987, foi equacionado o problema de emissões atmosféricas que existia desde a implantação da Usina (1962). No entanto a evolução da legislação ambiental, tornando-se mais restritiva, vem conduzindo as empresas à adoção de medidas corretivas de controle ambiental, por vezes mais onerosa e muitas vezes destinadas a resolver conflitos emergentes. Para a Usina Termelétrica Charqueadas os valores de emissões definidos no Licenciamento Ambiental, pelo órgão ambiental (FEPAM), tomaram como base um teor de 6% de oxigênio nos gases amostrados: - Material particulado: 80 mg/nm³; - Dióxido de enxofre: 400 mg/nm³; - Óxidos de nitrogênio: 550 mg/nm³; Padrões de emissão referem-se a quantidades máximas de poluentes do ar que as indústrias podem lançar na atmosfera, medidas nas chaminés. A Resolução CONAMA 008 de 06/12/1990 estabeleceu padrões de emissão para dióxido de enxofre e material particulado para
7 7 fontes fixas cuja combustão seja realizada nos seguintes equipamentos: caldeiras, geradores de vapor, centrais para geração de eletricidade, fornos, fornalhas, estufas e secadores para a geração e uso de energia térmica, incineradores e gaseificadores. 6. SELEÇÃO DA ALTERNATIVA PARA ADEQUAR AS EMISSÕES DA UTCH AOS REQUISITOS AMBIENTAIS Em busca de uma alternativa para reduzir a emissão atmosférica de poluentes, dentre as alternativas estudadas, avaliou-se que a utilização do FGD úmido e Filtros de Mangas eram adequadas pelos seguintes motivos: - Ganhos na cadeia do reagente Calcário moído; - Disponibilidade do reagente existente no Rio Grande do Sul; - Venda do Gesso resultante do processo de neutralização no FGD; - Aproveitamento da estrutura externa dos precipitadores eletrostáticos para a montagem dos FM, e utilização do sistema de extração de cinzas existente; - Sob o ponto de vista técnico e econômico, esta configuração foi a que se mostrou mais interessante, sendo capaz de atender aos padrões estabelecidos pela FEPAM; - A instalação foi considerada compatível com a área disponível na planta. 6.1 Prazos do Projeto seleção e contratação; , ago, inicio projeto, 16 meses, previsão término de 2009; , nov, primeiro FM em operação, FGD em jul.2010; - O contrato para execução do projeto do novo sistema teve início em agosto de O término dos serviços e montagem dos quatro Filtros de Mangas e FGD ocorreram em julho de 2010; - A empresa investiu um total de 62 milhões de reais na instalação da solução e de melhorias na infra-estrutura da planta, incluindo a aquisição de novos geradores diesel e automação de diversos sistemas. 6.2 Descrição da solução Após a entrada em operação dos novos sistemas, a Usina de Charqueadas tornou-se referência em questões ambientais, tendo em vista os novos parâmetros de emissões, comparáveis com patamares europeus. Além disso, as melhorias na infra-estrutura da planta, aumentaram a eficiência de diversos sistemas e garantiram maior confiabilidade e disponibilidade da unidade. O sistema apresentou nível de eficiência superior aos valores requeridos pelo órgão ambiental, justificando os investimentos realizados, e comprovando a possibilidade de produzir energia com combustíveis fósseis de forma eficiente e limpa. Abaixo, segue um resumo das variáveis acompanhadas pela FEPAM, e seu valor atual: - Material particulado < 40 mg/nm³; - Dióxido de enxofre < 200 mg/nm³; - Óxidos de nitrogênio ~ 500 mg/nm³;
8 8 Atualmente, o controle do nível de óxidos de nitrogênio tem sido a principal dificuldade enfrentada pela planta. Porém, este patamar pode ser atingido com o controle do processo de combustão, já que a usina dispõe de medições online no FGD, que disponibilizam os dados diretamente no sistema supervisório da sala de comando. 7. MONITORAMENTO EMISSÕES ATMOSFÉRICAS Além dos mecanismos de controle instalados para redução da emissão de poluentes atmosféricos na UTCH, foi instalado sistema de análise e monitoramento contínuo dos gases emitidos pela Chaminé/FGD. Este equipamento é denominado CEMS (Continuous Emissions Monitors). Esse sistema de monitoramento de emissões gasosas, fabricado pela GE ENERGY, mede de maneira automática e contínua as concentrações de SO2 (dióxido de enxofre), NOx (óxidos de nitrogênio) e CO2 (dióxido de carbono) em tempo real. Os pontos de medição são transmitidos ao sistema de análise e gerenciamento de dados por meio de canal de comunicação dedicado. Toda a operação do sistema é automática, incluindo a calibração e sincronização. Para a calibração e testes dos instrumentos, utilizam-se gases que estão de acordo com os protocolos da EPA.- Environmental Protection Agency ( Agencia de Proteção Ambiental dos EUA). O CEMS instalado e em operação na UTCH, faz parte do sistema de medição, que obtém a amostra diretamente da chaminé por meio de uma sonda de diluição. A amostra é diluída de acordo com uma relação predeterminada, nesse sistema é de 1:100. A amostra de gás diluída da chaminé é transportada, passando por um medidor de vazão, até os analisadores localizados no compartimento principal do analisador. Métodos analíticos distintos podem ser utilizados para a quantificação dos componentes do gás. Deve-se levar em conta na especificação dos equipamentos, tipo de poluente que se deseja medir, operação e custos. Os analisadores instalados na UTCH e o princípio de medição de cada equipamento são mostrados na tabela 1. Tabela I - Princípio de Medição dos CEMS Princípio de Parâmetro Medição Medido Fluorescência SO2 Quimiluminescente NOx Correlação de CO2 Filtro de gás (GFC) É necessário o controle e acompanhamento das emissões, bem como o acompanhamento da qualidade do ar da região, para que dessa forma seja possível verificar a contribuição da usina na qualidade ambiental do ar da região.
9 9 8. CONCLUSÃO Embora não se conteste a importância desta usina como fonte de desenvolvimento regional, os efeitos negativos sobre o meio ambiente tornaram-se uma preocupação constante da comunidade e da TRACTEBEL. Uma política correta de proteção ambiental inicia pela racionalização da exploração dos recursos naturais e tratamento dos efluentes resultantes do processo. As usinas termelétricas têm um papel importante a cumprir dentro desse contexto, criando um mercado para o consumo do carvão existente no sul do país, conjugando tecnologia, economia e meio ambiente. 9. REFERÊNCIAS Tissot, R.C.M. Tratamento e Recirculação de Efluentes da UTE Charqueadas XVI SNPTE GE Energy Sistema de Monitoramento Contínuo das Emissões operação e manutenção Tissot, R.C.M Estudo da Dispersão de Material Particulado ( PTS) emitida pela UTE Charqueadas Migliavacca, D.M.- Controle de Emissões por analisadores Contínuos de Chaminé IV Congresso Rio Automação 2007 Grupo de Trabalho UTCH - Renato Schimidt Barbosa, Rita Clarice Tissot e Rodrigo Lopes Missel;
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