Livro de actas do XI Congresso Nacional de Engenharia do Ambiente Certificação Ambiental e Responsabilização Social nas Organizações 20 e 21 de Maio de 2011 Universidade Lusófona de Humanidades e Tecnologias Campo Grande, 376 Lisboa Organização
20 e 21 de Maio de 2011 ULHT, Lisboa Júlio Paiva 1 ; Romualdo Salcedo 1,2 ; Pedro Araújo 1 1 Advanced Cyclone Systems C. E. NET Edifício PROMONET Rua de Salazares, 842, 4149-002 Porto, Portugal 2 Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias, s/n, 4200-465 Porto, Portugal Email: technical@acsystems.pt 3 Artigo apresentado no XI CNEA Congresso Nacional de Engenharia do Ambiente, subordinado ao tema Certificação Ambiental e Responsabilização Social nas Organizações, que decorreu na Universidade Lusófona de Humanidades e Tecnologia (Lisboa), nos dias 20 e 21 de Maio de 2011. Citar como: Paiva, J.; Salcedo, R. e Araújo, P. (2011). Sistemas Hurricane e Recyclone para Captura de Partículas Finas. XI CNEA Congresso Nacional de Engenharia do Ambiente. Lisboa.
Paiva et al. SUMÁRIO A ACS é uma empresa exclusivamente dedicada ao desenvolvimento e comercialização dos sistemas de ciclones mais eficientes actualmente existentes, próprios para filtragem de partículas e trata-se de uma empresa muito focada em termos de tecnologia, apresentando uma linha de produtos reduzida, mas muito dispersa no que toca à geografia e âmbito de aplicação. Os seus campos de aplicação passam pelo Controlo de Emissão de Partículas (passando por diversos tipos de caldeiras, fornos de ligas de aço e ferro, ar de arrefecedores de clínquer, pirólise, incineração e gasificação, etc) e pela recuperação de Produto (desde ingredientes farmacêuticos, produtos químicos, ingredientes alimentares, nanopartículas, etc.). PALAVRAS-CHAVE: Ciclones optimizados, Modelização, Controlo de emissões. 4
20 e 21 de Maio de 2011 ULHT, Lisboa CONTEXTUALIZAÇÃO DOS SISTEMAS HURRICANE A base dos sistemas da ACS passa pelos ciclones Hurricane, que se tratam de um conjunto de geometrias de ciclone completamente novo. Como breve contextualização da obtenção destes sistemas, considerando que seria necessário construir um número muito elevado de protótipos para explorar o efeito da variação da relação entre todas as dimensões e a eficiência dos ciclones, foram surgindo ao longo do tempo centenas dos chamados ciclones de alta eficiência (HE) sem que esta tenha sido verdadeiramente optimizada. Assim sendo, recorrendo a um bom modelo de simulação do desempenho dos ciclones e combinando-o com processos de optimização numérica (que pode sim gerar milhões de protótipos virtuais em tempo útil), foi obtido este conjunto de geometrias, que levam a eficiências de ciclones muito mais elevadas. Considerando este facto e sabendo que outros ciclones não tão eficientes são muito utilizados na indústria, pois são simples e de baixo custo, aqui surge a grande mais-valia dos sistemas Hurricane, como os ciclones mais eficientes existentes até à data. 5
Paiva et al. CONTEXTUALIZAÇÃO DOS SISTEMAS RECYCLONE De forma a obter ainda maiores eficiências e o cumprimento dos limites de emissão de partículas, foi adoptado um sistema de recirculação para tirar o maior proveito dos ciclones Hurricane, tendo este processo (à semelhança da criação dos Hurricane) sido alvo de publicação científica e simultaneamente patenteado. Assim surgiram os ReCyclone. Um ReCyclone mecânico (ReCyclone MH) é composto por um Hurricane e por um separador de partículas (ciclone cilíndrico), colocado a jusante do ciclone que é denominado recirculador, cujo principal objectivo é o de reintroduzir as partículas finas, não capturadas, no ciclone, depois destas terem sido projectadas para as paredes do recirculador pelas forças centrífugas. Uma vez que o sistema de recirculação apenas tem o objectivo de concentração das partículas (e não de captura), estas são exclusivamente capturadas no ciclone. A eficiência aumenta graças à recirculação e aglomeração de partículas muito pequenas com partículas de maior dimensão vindas directamente do processo. Um ReCyclone MH baixa as emissões dos ciclones Hurricane entre 40 a 60 %. A recente adopção da recirculação electrostática no mesmo sistema de ciclones provou, com absoluto sucesso, a redução adicional da emissão de partículas, mesmo na gama de tamanhos de [1;5] µm, assegurando o cumprimento da futura legislação, particularmente onde os limites legais são muito apertados, sendo este sistema referido como ReCyclone EH, baixando as emissões do ReCyclone MH em 50% 6 Nestes, uma alta tensão contínua é aplicada num eléctrodo dentro do recirculador, favorecendo a recirculação de partículas submicrométricas (mais resistentes às forças centrífugas) ao ciclone. Depois de terem sido separadas no recirculador e mantidas na corrente de recirculação, as partículas finas, carregadas electricamente, são atraídas pelas paredes do ciclone, e são aglomeradas com partículas de maiores dimensões que entram no sistema. Como as partículas não são capturadas nas paredes do recirculador, contrariamente aos ESPs, os Sistemas ReCyclone evitam os problemas associados à resistividade eléctrica das partículas. A potência da alta tensão necessária é de apenas 10 a 20 % da utilizada nos ESPs. A Figura 1 apresenta o desenho de conceito de um ReCyclone elementos conceptuais. EH, destacando os seus principais De uma forma mais realista, a Figura 2 apresenta um modelo 3D de um sistema ReCyclone EH industrial, para tratar um caudal de 12500 m 3 /h. Nesta identificam-se os diversos componentes principais deste sistema, assim como as respectivas entradas e saídas.
20 e 21 de Maio de 2011 ULHT, Lisboa Figura 1 - Esquema ReCyclone EH 7 Figura 2 - Modelo 3D de um ReCyclone EH e identificação dos principais constituintes. As Figuras 3 e 4 apresentam um caso de aplicação de um ReCyclone MH/EH numa caldeira de grelha cujo combustível são resíduos de madeira. Esta tinha emissões de cerca de 1000mg/Nm 3, tendo-se obtido para o
Paiva et al. sistema ReCyclone MH emissões abaixo dos 100 mg/nm 3 e para o sistema ReCyclone EH abaixo dos 30 mg/nm 3. Figura 3 - ReCyclone MH Figura 4 - ReCyclone EH 8
20 e 21 de Maio de 2011 ULHT, Lisboa CONTEXTUALIZAÇÃO DO MODELO DE PREVISÃO PACYC Em trabalho prévio propôs-se que após aglomeração (principalmente das partículas mais finas com as partículas maiores), as partículas mais finas se comportam dinamicamente como partículas maiores, e como a estas partículas maiores correspondem eficiências de captura maiores, as partículas pequenas (já sob a forma de aglomerados) são capturadas com eficiências de captura anormalmente elevadas. A geometria Hurricane, devido às mais elevadas eficiências para partículas acima de 1- captura das partículas finas aglomeradas dentro do ciclone de uma forma muito mais evidente do que outras geometrias. A Figura 5 apresenta um diagrama do fluxo de informação do modelo PACyc. 9 Figura 5 - Funcionamento modular do modelo PACyc PREVISÃO BASE DOS CICLONES HURRICANE Em termos dos principais constituintes teóricos do modelo PACyc, considera-se que o modelo de Mothes e Löffler [1] descreve de uma forma correcta o comportamento do ciclone quando este opera isolado sem aglomeração.
Paiva et al. PREVISÃO BASE DOS RECYCLONES MH E EH No caso da recirculação sem a presença de campo eléctrico, o modelo de previsão da captura do recirculador é o modelo proposto por Salcedo et al. [2] e a correspondente dispersão turbulenta é calculada através de um método semelhante à do ciclone. No caso em que o campo eléctrico está presente no recirculador, este é simulado através de uma combinação de vários modelos propostos por vários autores, sendo alguns dos componentes principais baseados nos modelos de White [3], Oglesby [4] e Parker [5]. PREVISÃO DA AGLOMERAÇÃO INTERPARTICULAR No sentido de prever o fenómeno de aglomeração nas zonas de aglomeração consideradas, é feito um acoplamento do modelo proposto por Sommerfeld [6] e Ho e Sommerfeld [7] e mais tarde completado por Sommerfeld e Ho [8]. FUNCIONAMENTO INTERNO MODELO AGLOMERAÇÃO Este incide no efeito de agregação de partículas em meios turbulentos. Neste trabalho foi feita a adaptação para os ciclones de fluxo-invertido estudados. Apresenta-se na Figura 6 um esquema representativo do funcionamento interno, onde se evidenciam as duas principais zonas com impacto na simulação (losangos da figura): se ocorre colisão e caso ocorra, se ocorre aglomeração. 10 Figura 6 - Tomada de decisão em função da análise binomial de partículas
20 e 21 de Maio de 2011 ULHT, Lisboa DEFINIÇÃO DO VOLUME DE CONTROLO Como processo intrínseco do modelo PACyc, há ainda a redefinição do volume de controlo disponível para as colisões. Ainda que seja de presumir que existam colisões em todo o ciclone, nem todas as colisões são relevantes para o aumento da eficiência de captura de partículas. Assim sendo, são negligenciadas as colisões que ocorrem após o gás inverter o sentido o que equivale a dizer que apenas a zona apresentada a cinzento na Figura 7 foi considerada como volume de controlo. O principal impacto desta decisão é a diminuição do tempo de passagem de gás no volume de controlo de colisão, o que faz com que o fenómeno de aglomeração seja menos determinante. Foi ainda estabelecida uma consideração adicional, que passa por considerar que as partículas que estão no vórtice central escapam ao ciclone, não sendo reinjectadas no passo seguinte. Em relação à definição do limite exterior do ciclone, as partículas que colidem com a parede ficam indisponíveis para colisão, sendo removidas com a respectiva eficiência de remoção. No sentido de evidenciar de uma forma mais clara as propriedades que as partículas têm em função da sua posição no volume de controlo, apresenta-se na Figura 7 as três zonas com principal impacto nas propriedades das partículas. 11 Figura 7 - Definição do volume de controlo para aglomeração interparticular
Paiva et al. RESULTADOS EXPERIMENTAIS E PREVISÕES DO MODELO PACYC Nesta secção são apresentados resultados experimentais à nível piloto e industrial, e é feita uma comparação com as previsões do modelo PACyc. EXEMPLOS À ESCALA PILOTO Em ambos os casos foi usado um ReCyclone EH com diâmetro interno de 450 mm. Para controlar a concentração de alimentação de pó foi usado um alimentador por correia transportadora TOPAS 410G. Para o primeiro caso a velocidade media de entrada nos ciclones foi cerca de 18 m/s, enquanto que no Segundo caso foi cerca de 15 m/s. As curvas de eficiência-fraccional experimentais foram obtidas com amostragem simultânea da entrada e saída, usando para isso bombas Techora Bravo com aspiração de caudal constante, tendo-se retido o pó em filtros de fibra de vidro e em seguida medidos por um granulómetro laser Coulter LS230. Foram também efectuadas medições online com um espectrómetro laser GRIMM 1.108. O primeiro caso refere-se a controlo de emissões de uma caldeira de queima de resíduos de biomassa de cortiça. A Figura 8 apresenta os resultados do granulómetro laser Coulter assim como as emissões online medido pelo e 3, concentração = 2.60 g/m 3 ). A Figura 9 apresenta a comparação entre a previsão PACyc e os resultados obtidos por cada um dos métodos para as eficiências fraccionais. 12 Figura 8 - Caso 1: DTP entrada e saída Figura 9 - Caso 1: Eficiências fraccionais O segundo caso refere-se a controlo de emissões de uma fornalha de cal, para a produção de cimento. A Figura 10 apresenta os resultados do granulómetro laser Coulter assim como as emissões online medidas 3, concentração = 0.60 g/m 3 ). A Figura 11 apresenta a comparação entre a previsão PACyc e os resultados obtidos por cada um dos métodos para as eficiência fraccionais.
20 e 21 de Maio de 2011 ULHT, Lisboa Figura 10 Caso 2: DTP entrada e saída Figura 11 - Caso 2: Eficiências fraccionais A Figura 12 apresenta a eficiência global para ambos os casos, em função da concentração, apresentando ainda as previsões do modelo PACyc. 13 Figura 12 - Eficiências globais experimentais e previsões PACyc em função da concentração
Paiva et al. CONCLUSÕES Os sistemas ReCyclone foram obtidos após a resolução sequencial de vários problemas de optimização numérica. Nestes sistemas, a inclusão de um campo electrico dentro do recirculador, veio-se a mostrar muito eficiente na captura de partículas muito finas (submicrométricas), sendo destas exemplo as que as caldeiras de biomass emitem. Esta captura aparentemente anormal das partículas submicrométricas é verificada nos mais diversos pós já testados e é atribuida a um fenómeno de alglomeração interparticular dentro do fluxo turbulento que ocorre no ciclone. Assim surgiu o modelo PACyc que é baseado no modelo de aglomeração de Sommerfeld [6] e Ho e Sommerfeld [7], onde se inclui a teoria proposta por Mothes e Löffler [1] para a captura de particulas dentro de ciclones isolado ou pelo modelo proposto por Salcedo et at. [2] para sistemas com recirculação mecânica. Agroupando estes modelos, com os modelos classicos de previsão de precipitadores electrostáticos (White [3], Oglesby [4] e Parker [5]) permite a previsão dos sistemas ReCyclone EH. De uma forma sintética, poder-se-á dizer que em média os ciclones Hurricanes conseguem reduzir as emissões em cerca de 40-60% de outras geometrias de alta eficiência para quedas de pressão comparáveis, ReCyclone MH em cerca de 75-80% e ReCyclone EH em cerca de 90-95%. A eficácia de cada um destes sistemas já foi demonstrada à escala laboratorial, piloto e industrial, para uma multiplicidade de pós, revelando que os sistemas ReCyclone EH são alternativas viáveis a filtros de mangas para o controlo de emissão em caldeiras de biomassa. 14
20 e 21 de Maio de 2011 ULHT, Lisboa REFERÊNCIAS Mothes, H. and F. Löffler, Prediction of particle removal in cyclones separators. International Chemical Engineering, 1988. 28: p. 231. Salcedo, R.L.R., et al., Fine particle capture in biomass boilers with recirculating gas cyclones: Theory and practice. Powder Technology, 2007. 172(2): p. 89-98. White, H.J., Industrial Electrostatical Precipitation. 1963: International Society for Electrostatical Precipitation. Oglesby, S., Electrostatical Precipitation - Pollution Engineering and Technology 8, ed. R.A. Young and P.N. Cheremisinoff. 1978: Marcel Dekker Inc. Parker, K.R., Applied Electrostatic Precipitation. 1997: Blackie Academic \& Professional. Sommerfeld, M., Validation of a stochastic Lagrangian modelling approach for inter-particle collisions in homogeneous isotropic turbulence. International Journal Of Multiphase Flow, 2001. 27(10): p. 1829-1858. Ho, C.A. and M. Sommerfeld, Modelling of micro-particle agglomeration in turbulent flows. Chemical Engineering Science, 2002. 57(15): p. 3073-3084. Sommerfeld, M., Analysis of collision effects for turbulent gas-particle flow in horizontal channel : Part I. Particle Transport. International Journal of Multiphase Flow, 2003. 29: p. 675-699. 15