GESTÃO INTEGRADA: EMISSÕES ATMOSFÉRICAS E ENERGIA

31 de Julho a 02 de Agosto de 2008 GESTÃO INTEGRADA: EMISSÕES ATMOSFÉRICAS E ENERGIA Rosangela Correia (PETROBRAS) rosangelacorrea@petrobras.com.br Angela Maria Abreu de Barros (UFF) amabreu@uol.com.br Rodrigo Paiva Ferauche (PETROBRAS) rferauche@petrobras.com.br Resumo A Refinaria Presidente Bernardes de Cubatão (RPBC) da Petrobras utiliza desde 2002 o indicador de energia em tempo real. Essa prática permitiu uma redução nos desperdícios de energia, uma vez que permitiu o acompanhamento constante dos impactos no consumo de energia e a conseqüente atuação no processo para correção dos desvios. Com o objetivo de integrar gestão energética com gestão de emissões atmosféricas foram implantados para os principais fornos e caldeiras (83% dos principais equipamentos da RPBC), os resultados em tempo real dos cálculos de emissões de dióxido de enxofre (SO2), dióxido de nitrogênio (NO2) e gás carbônico (CO2), abrangendo assim poluentes regulados e um gás de efeito estufa. Dessa forma é possível ajustar os fornos e caldeiras quanto à redução de energia e emissões atmosféricas, encontrando o ponto de operação com melhor eficiência energética e menor emissão, além de também colaborar na conscientização para os aspectos de energia e meio ambiente, fortalecendo a cultura e o comportamento da força de trabalho. Abstract The President Bernardes Refinery (RPBC) of Petrobras has the information of the IIE calculation (Index Intensive Energy) available continuously (on-line) since 2002. This practice allowed an improvement in the energy management because whiit the continuous information the optimization energy could be done more quickly and efficiently. After the implementation of the IIE on line, the process engineers decide to improve the integration between energy optimization and atmospheric emission management. This article shows how it was done. They improve the emissions management with a continuous

emissions inventory calculation for the sulphur dioxide (SO2), nitrogen dioxide (NO2) and carbon dioxide (CO2) in the main sources of the refinery. In this way is possible to regulate the furnaces and boilers in order to reduce the energy and atmospheric emissions, reaching the best point of operation, besides to improve, among the employs, the commitment with energy and environmental aspects. Palavras-chaves: gestão, emissões, energia IV CNEG 2

1. INTRODUÇÃO A utilização do indicador de energia em tempo real na Refinaria Presidente Bernardes de Cubatão (RPBC), da Petrobras, já é uma prática consolidada e que trouxe vários benefícios para a refinaria, relacionados não só à redução de desperdício de energia, mas também na conscientização da força de trabalho. O indicador de energia é calculado em tempo real para todas as unidades bem como a eficiência energética dos fornos e caldeiras. O cálculo do indicador de energia é realizado utilizando o software PI (Plant Information) que coleta e armazena informações do processo usadas no cálculo do indicador. Esses dados são atualizados continuamente, bem como os cálculos realizados. Baseado na experiência positiva do indicador de energia em tempo real e buscando a integração entre energia e emissão atmosférica, foram implantadas no PI as informações de emissões atmosféricas instantâneas na tela de todos os fornos e caldeiras que tem o cálculo da eficiência. Com a informação em tempo real é possível a identificação pelo operador de como a operação dos equipamentos está afetando as emissões, além do consumo de energia. As fontes de combustão têm grande contribuição nas emissões atmosféricas e a otimização energética é um grande contribuinte para redução das emissões. 2. IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA Poluentes Considerados A primeira etapa do trabalho foi a escolha dos poluentes que deveriam ter o cálculo de emissão disponibilizado na tela de eficiência dos fornos e caldeiras, sendo escolhidos o dióxido de enxofre (SO 2 ), o dióxido de nitrogênio (NO 2 ) e o gás carbônico (CO 2 ), conforme justificativas a seguir: SO 2 por ser um poluente regulado, acompanhado por indicador corporativo na Petrobras, afetado pela operação dos fornos e caldeiras, e de grande contribuição nas atividades de refino - 40 %, conforme dados do inventário de emissões atmosféricas da Petrobras (Petrobras, 2005). Ver figura 1. IV CNEG 3

NO 2 também é um poluente regulado, e apresenta diversas variáveis na operação dos fornos e caldeiras que afetam as emissões. Além disso, contribui em média com 30% das emissões totais do refino (Petrobras, 2005). Ver figura 1. Emissões Refino 30% 2% 7% 40% SOx Nox CO MP HC 21% Figura 1 Distribuição das Emissões Atmosféricas de Poluentes Regulados no Refino (Fonte: Petrobras, 2005) CO 2 dos gases de efeito estufa emitidos por refinarias (gás carbônico - CO 2, metano - CH 4 e óxido nitroso - N 2 O), o CO 2 é o de maior emissão por refinarias de petróleo; 99,95% (Petrobras, 2005). Embora o CH 4 e o N 2 O tenham maior potencial de absorver calor da atmosfera, 21 vezes e 270 vezes respectivamente em relação ao CO 2, (US-EPA, 2006) a quantidade emitida é praticamente desprezível em relação ao CO 2 gerado e por esse motivo esse é o gás de maior impacto para o refino. As fontes de combustão têm grande participação no total das emissões de CO 2 no refino (Petrobras, 2005) e é importante acompanhar sua evolução, uma vez que a tendência é de aumento com as perspectivas de ampliação das refinarias de uma maneira geral. A figura 2 representa a contribuição das diversas fontes de emissão de CO 2 no refino. IV CNEG 4

Emissão de CO 2 no Refino 3% 5% 32% 39% Fontes de Combustão - gás Fontes de Combustão - óleo Regenerador de FCC Tocha Outros 21% Figura 2 Contribuição das Fontes de Emissões de CO 2 no Refino (Fonte: Petrobras, 2005) Protocolo de Cálculo A Petrobras já dispõe de um protocolo de cálculo para todos os poluentes regulados e gases de efeito estufa (Petrobras, 2002) e foi desenvolvido em parceria com a ERM do Brasil (Environmental Resources Management). O protocolo utiliza balanço de massa para obtenção da emissão de SO 2 e CO 2 e utiliza fatores da Associação Regional de Empresas de Petróleo e Gás Natural da América Latina e Caribe ARPEL (ARPEL, 1999) e da United State Environmental Protection Agency - US-EPA (US-EPA,2003) para cálculo das emissões de NO 2. Além desses fatores foi desenvolvido pela Petrobras fatores de correção visando adequar os fatores de emissão utilizados ao tipo de óleo combustível queimado no Petrobras (SOUZA, 2003). 2.2.1 Emissão de SO 2 A emissão de SO 2 é obtida por balanço de massa, considerando que 100% do enxofre contido no combustível é convertido a SO 2. O cálculo da emissão de SO 2 é realizado em função da massa de combustível líquido queimada e o teor de enxofre do combustível, sendo essas informações disponíveis no PI. No caso da massa de combustível, o dado pode ser obtido diretamente do instrumento de vazão, quando disponibilizado em vazão mássica, ou obtido através de cálculo utilizando a vazão volumétrica e a densidade do combustível. Os dados referentes à característica dos combustíveis, como densidade e teor de enxofre podem IV CNEG 5

ser obtidos direto do PI, seja por analisador em linha, seja por análise de laboratório, cujo resultado é lançado no PI sempre que a análise for realizada. 2.2.2 Emissão de NO 2 Para o cálculo da emissão de NO 2 não é possível a utilização de balanço de massa uma vez que a formação de NO X em fontes de combustão se dá de forma bem mais complexa. A alta temperatura de operação das câmaras de combustão e a utilização de combustíveis com teores de nitrogênio são fatores que contribuem para formação de NO X. Os dois componentes de nitrogênio mais emitidos em processos de combustão são o óxido nítrico (NO) e o dióxido de nitrogênio (NO 2 ). A maior parcela de NO X formada é de NO. No entanto, quando na atmosfera, o NO reage transformando-se de forma simplificada, em NO 2. As taxas de emissão mássica de NO X são sempre calculadas, considerando seus dois compostos, como exclusivamente NO 2 (LACAVA; CARVALHO, 2003). O NO X pode ser formado segundo 3 mecanismos (NEGRI, 2002): - NO X térmico formado a partir da oxidação do nitrogênio do ar atmosférico, em chamas com altas temperaturas; - NO X combustível formado a partir da quebra das ligações do nitrogênio presente no combustível que reage com o oxigênio do ar, em temperaturas moderadas; - NO X ativo ou prompt formado a partir de reações de radicais derivados de hidrocarbonetos presentes na chama de combustíveis. Para o cálculo das emissões de NO X das fontes de combustão foram utilizados fatores de emissão em massa da ARPEL (ARPEL, 1999) e da EPA (US-EPA,2003), em função do consumo de combustível, sendo esses fatores diferenciados para o tipo de combustível utilizado. Tabela 1 Fatores de Emissão para NO X Fontes de Combustão Combustível Fator de Emissão Líquido 2,465 + 12,526 * % N (kg / 10 3 L) ARPEL Gás combustível pequeno porte (<= 29 MW) 1600 kg / 10 6 m 3 EPA IV CNEG 6

Gás combustível grande porte (> 29 MW) 3040 kg / 10 6 m 3 EPA Fonte: ARPEL, 1999 e US-EPA,2003 O tipo de combustível queimado, no entanto, não é a única variável que afeta as emissões de NO X. Outras variáveis, como: temperatura da fornalha, temperatura do ar, excesso de ar, tipo de queimador e tipo de tiragem, também afetam as emissões de NO X (US- EPA, 1993). Para correção dos fatores de emissões foi desenvolvido pela Petrobras fatores de correção das emissões em função dessas variáveis. São as seguintes as variáveis: Tabela 2 Variáveis que afetam a Emissão de NO X Parâmetro Variação Temperatura da fornalha fria (<700º C) ou quente (> 700º C) Temperatura do ar de -15º C à 300º C Excesso de ar < 20 % ou > 20 % Queimador Convencional ou Low NO X Tiragem Natural ou Forçada Fonte: Souza, 2003 No item 4 referentes aos impactos nas emissões serão detalhados como essas variáveis afetam as emissões de NO X. 2.2.3 Emissão de CO 2 A emissão de CO 2 na queima de combustível líquido ou gasoso também é obtida por balanço de massa considerando que 100% do carbono contido no combustível é convertido a CO 2. O cálculo da emissão de CO 2 é realizado em função da massa de combustível líquido queimada e o teor de carbono no combustível, sendo essas informações disponíveis no PI. No caso da massa de combustível o dado pode ser obtido diretamente do instrumento de vazão, quando disponibilizado em vazão mássica, ou obtido através de cálculo utilizando a vazão volumétrica e a densidade do combustível. Os dados referentes à característica dos combustíveis, como densidade e teor de carbono podem ser obtidos direto do PI, seja por analisador em linha, seja por análise de laboratório, cujo resultado é lançado no PI sempre que a análise for realizada. IV CNEG 7

3. CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA Para integração da gestão energética e gestão das emissões atmosféricas, foram acrescentados às telas existentes, os dados de emissão, bem como outras variáveis que afetam a emissão. Nas telas referentes à eficiência dos fornos já constavam informações referentes ao acompanhamento energético, como carga térmica do forno, eficiência do forno e consumo de combustível, entre outros. Foram acrescentadas então as informações referentes às emissões dos poluentes e outras variáveis que afetam as emissões, como teor de enxofre do combustível, excesso de ar e temperatura do ar de combustão. As figuras 3 e 4 são exemplos de telas configuradas para um forno e uma caldeira da refinaria, respectivamente. Figura 3 Tela do PI com dados de energia e emissões atmosféricas para um forno da refinaria Fonte: Arquivo interno RPBC, 2006 IV CNEG 8

Figura 4 Tela do PI com dados de energia e emissões atmosféricas para uma caldeira da refinaria Fonte: Arquivo interno RPBC, 2006 Todas as informações das telas permitem um acompanhamento não só do valor atual quanto dos valores passados, de forma gráfica, permitindo a verificação do comportamento dos dados. A figura 5 é um exemplo de gráfico do teor de NO X para um forno em um período de 15 dias. Dessa forma é possível também incluir o gráfico das variáveis que afetam as emissões de NO X para identificar o porquê da variação. IV CNEG 9

Figura 5 Gráfico da variação de emissão de NO X Fonte: Arquivo interno RPBC 4. IMPACTO NAS EMISSÕES Alguns dos impactos nas emissões atmosféricas são decorrentes do hardware existente na refinaria ou da filosofia de operação e não podem ser alterados em curto prazo ou através de procedimento operacional. Foram relacionadas as principais variáveis destacando as que afetam as emissões e podem ser alteradas por ação operacional. 4.1 Emissões de SO 2 Conforme citado anteriormente, o cálculo da emissão de SO 2 para fontes de combustão é realizado por balanço de massa e é função do consumo de combustível e do teor de enxofre do combustível. A otimização energética permite operar com menores consumos de combustível, consequentemente com menor emissão. IV CNEG 10

A utilização de combustíveis com menores teores de enxofre também implicarão em menores emissões. Embora na maioria das vezes a opção do tipo de combustível não seja uma variável operacional, o operador poderá perceber o impacto dos diversos combustíveis nas emissões. 4.2 Emissões de NO 2 Para o NO 2 são vários os fatores que afetam a emissão, conforme descrito a seguir: 4.2.1 Tipo de combustível Os processos de combustão, de uma maneira geral, queimam combustíveis fósseis, líquido ou gasoso. A formação do NO X combustível representa uma grande fração do total de NO X emitido quando óleos combustíveis de alto teor de nitrogênio, como óleos residuais, são queimados. Pesquisas indicam que mesmo combustíveis com baixo teor de nitrogênio, como óleos destilados, emitem mais NO X do que a combustão de gás natural sob as mesmas condições de queima, logo, o tipo de combustível tem grande efeito sobre a emissão de NO X (Shareef et al., 1988). No caso do gás de refinaria, a variação do percentual de hidrogênio do gás pode causar diferenças nas características de combustão do gás. Combustíveis com maior teor de hidrogênio produzem chamas de temperaturas mais elevadas resultando em maior formação do NO X térmico (US-EPA, 1993). Da mesma forma que para emissão de SO 2, na maioria das vezes, a opção do tipo de combustível não é uma variável operacional, mas permitirá que o operador perceba o impacto dos diversos combustíveis nas emissões. 4.2.2 Temperatura da fornalha A taxa de formação do NO X térmico aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura da chama, que por sua vez está diretamente relacionada à temperatura da câmara de combustão, conforme mostrado na figura 5 (US-EPA, 1993). Fornos são considerados fornalhas quentes (temperatura > 700 o C) e caldeiras fornalhas frias (temperatura < 700 o C). IV CNEG 11

A temperatura da fornalha, no entanto, é um dado de projeto, não sendo possível alteração operacional. Figura 5 Efeito da Temperatura da Fornalha na formação do NO X térmico para equipamentos que queimam gás combustível (excesso de ar constante) Fonte: US-EPA, 1993 4.2.3 Temperatura do ar de combustão Os projetos de equipamentos de combustão consideram sempre o consumo eficiente de combustível. Um método efetivo para redução do consumo de combustível é o préaquecimento do ar de combustão. Essa prática, no entanto, aumenta a temperatura da chama no queimador, o que resulta na maior formação do NO X térmico, conforme resultados de testes mostrados na figura 6 (US-EPA, 1993). O acompanhamento da temperatura de combustão na eficiência energética e na emissão de NO X permitirá o operador ajustar o ponto ótimo de operação. IV CNEG 12

Figura 6 - Efeito da temperatura do ar de combustão na emissão de NO X Fonte: US-EPA, 1993 4.2.4 Excesso de ar Na reação de combustão é necessário um excesso de ar para garantir a queima completa do combustível. A eficiência de queima com baixa emissão de poluentes (HC, CO e NO X ) é obtida numa faixa estreita de excesso de ar. Um valor típico de excesso de ar compreende a faixa de 15%, o que equivale a aproximadamente 3% de O 2. Resultados de experimentos evidenciaram que a redução do excesso de ar (limitado ao menor valor sem emissão de CO e fuligem), implica em reduções de 17 a 38% no teor de NO X (VERGNHANINI; USHIMA, 1998). Com o aumento do excesso de ar, a formação de NO X também aumenta, até um determinado ponto, em que a emissão começa a decrescer. Esse decréscimo pode ser atribuído ao resfriamento da chama devido ao excesso de ar. A figura 7 mostra esse comportamento em função de resultados de experimentos para equipamentos que queimam gás combustível, para diversas temperaturas do ar de combustão (US-EPA, 1993). O excesso de ar é uma variável que poderá ser variada operacionalmente e verificado o impacto nas emissões. IV CNEG 13

Figura 7 Efeito do excesso de ar na formação do NO X Fonte: US-EPA, 1993 4.2.5 Tipo de Queimador A função do queimador é garantir a mistura adequada dos reagentes da reação de combustão, suprir continuamente esses reagentes e promover a dispersão do calor pela regulagem do tamanho e forma da chama. Como a formação do NO X é afetada pela temperatura da chama, mistura dos reagentes e tempo de residência dos reagentes na temperatura de pico da chama, o projeto do queimador afeta significativamente a emissão de NO X. Os queimadores são divididos em convencional e Low NO X. Os convencionais apresentam alta eficiência de combustão, e as emissões de hidrocarbonetos e monóxido de carbono são baixas. Em contrapartida as emissões de NO X são altas. Queimadores Low NO X foram desenvolvidos para operar com baixa emissão de NO X, procurando manter as emissões de HC e CO baixas e com alta eficiência de combustão (LACAVA; CARVALHO, 2003). O tipo de queimador é um dado de projeto, logo, não passível de alteração operacional. IV CNEG 14

4.2.6 Tipo de tiragem O fornecimento de ar de combustão pode se dar de duas formas: natural ou mecânica. Nos fornos que operam com tiragem natural, o fluxo de ar é admitido pela diferença de pressão causada entre os gases quentes na chaminé e o ar frio externo. No caso de tiragem mecânica, o fluxo de ar é admitido com o uso de ventiladores. Em função da posição do ventilador, a tiragem pode ser do tipo forçada, induzida ou balanceada. Na tiragem forçada, o ventilador está locado antes da câmara de combustão, na induzida, está após a câmara de combustão e na balanceada são usados ventiladores de tiragem forçada e induzida para controlar o fluxo de ar de combustão. Os equipamentos com tiragem mecânica podem ter uma emissão menor de NO X, uma vez que possibilitam o controle do excesso de ar, podendo então trabalhar com um excesso de ar menor e conseqüentemente menor emissão. 4.3 Emissões de CO 2 A emissão de CO 2 na queima de combustível líquido ou gasoso é função do consumo e do teor de carbono contido no combustível. Conforme visto, a otimização energética permite operar com menores consumos de combustível e consequentemente com menor emissão. É importante o acompanhamento da emissão de CO 2, visto que este é um gás de efeito estufa. Embora o Brasil ainda não tenha meta de redução, na próxima revisão do Protocolo de Kyoto em 2012, existe a possibilidade de definição de meta de redução. Como a emissão de CO 2 é proporcional ao combustível queimado e a perspectiva da empresa é de crescimento, a tendência de emissão é de aumento. A projeção de emissões de Gases de Efeito Estufa (GEE) da Petrobras foi realizada com base na evolução do Índice de Intensidade de Energia (IIE) que considerou uma série de investimentos em otimização energética. Dessa forma, conhecer as emissões vinculadas ao índice de intensidade de energia será uma importante etapa desse processo. IV CNEG 15

5. CONCLUSÕES A RPBC possui um sistema de informações de variáveis de processo (PI) bastante avançado. Ao longo dos últimos anos, as telas (informações e lay outs) vêm sendo transcritas em um arquivo (process book) compartilhado, de modo que todos os interessados podem ter acesso, com facilidade, às mesmas informações do operador. Os bons resultados experimentados na implantação do cálculo do Índice de Intensidade de Energia segregado por unidade em tempo real motivaram a criação dos principais cálculos de emissões atmosféricas de forma instantânea através do PI, aproveitando este excelente canal de informações. Com a implantação dessa ferramenta é esperada a integração da gestão energética e gestão de emissões atmosféricas, uma vez que as duas áreas são convergentes, bem como o fortalecimento da cultura de redução dos desperdícios de energia e das emissões atmosféricas através da divulgação dos indicadores pelo PI. Outro aspecto positivo da implantação desse sistema, é que ele não demandou investimento, uma vez que foi realizada com os próprios recursos da refinaria, além de poder ser reproduzido em qualquer unidade que tenha um sistema PI operando. Utilização de indicadores ambientais é uma tendência mundial e tem como objetivo permitir a avaliação da implantação das estratégias de Segurança, Meio Ambiente e Saúde (SMS) na empresa. Permite demonstrar que a Petrobras está empenhada em melhorar o desempenho de SMS e em compartilhar essas informações, trabalhando com transparência. A implantação das informações em tempo real é um passo a frente na utilização de indicadores ambientais. 6. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO REGIONAL DE EMPRESAS DE PETRÓLEO E GÁS NATURAL DA AMÉRICA LATINA E CARIBE - ARPEL. Guideline n o 22: Metodologías de inventarios de emisiones atmosféricas em la industria petrolera. [s.l.]: ARPEL, 1999. LACAVA, Pedro Teixeira; CARVALHO JÚNIOR, João Andrade de. Emissões em processo de combustão. São Paulo: UNESP, 2003. IV CNEG 16

NEGRI, Jean Cesare. Modelo preditivo da emissão e dispersão do NO X gerado em usinas termoelétricas como instrumento de análise de inserção e capacidade de suporte regional da qualidade do ar. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Universidade de São Paulo, SP, 2002. PETRÓLEO BRASILEIRO S.A - PETROBRAS. Sistema de inventário de emissões atmosféricas. Rio de Janeiro: Petrobras/SMS, 2005. PETRÓLEO BRASILEIRO S.A - PETROBRAS. Sistema de gerenciamento de emissões atmosféricas - SIGEA. Rio de Janeiro: Petrobras/SMS, 2002. SHAREEF, S.A., ANDERSON, C.L., KELLER, L. E.. Fired Heaters: Nitrogen Oxides Emissions and Controls. U.S. Environmental Protection Agency, Air and Energy Engineering Research Laboratory, 1988. SOUZA, Edson José Joaquim. Fatores de correção de emissão de NO X em processos de combustão. Documento interno Petrobras. SIX, PR, 2003. UNITED STATE ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - US-EPA. Alternative Control Techniques Document NO X Emissions from Process Heaters (Revised). United State Environmental Protection Agency, EUA, 1993. Disponível em: http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/procheat.pdf. Acesso em 18/06/2004. UNITED STATE ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - US-EPA. Air Chief Air clearing house for inventories and emission factors: air pollutant emission factors (AP-42). 2003, US Protection Agency. Washington D.C. USA. Disponível em: http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch05/. Acesso em 25/07/2003. UNITED STATE ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY - US-EPA. Global Warming Emissions. Disponível em: http://www.epa.gov/oar/globalwarming.nsf/content/emissions.html. Acesso em 12/09/2006. VERGNHANINI FILHO, Renato; USHIMA, Ademar Hakuo. Formação de poluentes em processos industriais de Cubatão. São Paulo: Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), 1998. IV CNEG 17