AVALIAÇÃO DE LAVADORES VENTURI DE SEÇÃO RETANGULAR E CIRCULAR NA COLETA DE PARTICULADOS EMITIDOS PELA QUEIMA DE BIOMASSA Lopes, S.D.A. 1, Dias, R.R. 1, Cimatti, M.F. 1, Filho, F.A. 1, Martins Costa, M.A. 1 1 Departamento de Engenharia Industrial Madeireira Universidade Estadual Paulista Campus Experimental de Itapeva, CEP: 18409-010 Itapeva SP Brasil Telefone: (xx-15) 3524-9100 Fax: (xx-15)3524-9107 Email:mangelica@itapeva.unesp.br RESUMO O Brasil gera anualmente 60 milhões de toneladas de resíduos madeiráveis, sendo que grande parte é utilizada em queimadores de biomassa. Estes queimadores emitem particulados, sendo que o impacto causado abrange ainda a emissão de componentes tóxicos como CO e SO 2. Existem equipamentos utilizados no controle da emissão destes poluentes, entre estes destaca-se os lavadores Venturi. Este trabalho avaliou os fenômenos básicos que afetam o desempenho de dois lavadores Venturi na coleta de particulados. Foram utilizados lavadores de geometrias retangular e circular, com comprimentos de garganta variável. O líquido de lavagem utlizado foi água e trabalhou-se com vazões de 0,4; 0,6 e 0,8 L/min. Por meio de amostragem isocinética, obteve-se resultados de eficiências globais de coleta de cada lavador. Estes resultados superaram os 94,59%, sendo que o Venturi retangular apresentou o melhor desempenho, superando os 97,50% de eficiência. Estes resultados foram comparados com trabalhos anteriores e modelos da literatura. PALAVRAS-CHAVE: biomassa, material particulado, lavadores venturi, controle de poluição ABSTRACT Brazil produces annually 60 million tonnes of waste wooden, which is largely used in burners of biomass. These burners emitting particles, and that the impact also covers the issue of toxic components as CO and SO2. There are equipment used in controlling the emission of these pollutants, among these there is the Scrubbers Venturi. This study assessed the basic phenomena that affect the performance of two scrubbers Venturi in the collection of particles. Were used scrubbers, rectangular and circular geometries with variable lengths of throat. The liquid was water washing and worked up with flow rates of 0.4, 0.6 and 0.8 L / min. Through isokinetic sampling, got up results of comprehensive collection efficiencies of each scrubber. These results exceeded the 94.59%, while the rectangular Venturi showed the best performance, surpassing the 97.50% efficiency. These results were compared with previous models in the literature.
1. INTRODUÇÃO O Brasil é considerado um dos grandes emissores de gases do efeito estufa devido à queimada e ao desmatamento. Segundo Andrade et.al. (2002) vários autores têm mostrado que as emissões de gases e partículas pelas queimadas de floresta ocorrem de forma significativa e podem afetar o inventário das emissões globais. As queimadas são uma efetiva fonte global de vários gases do efeito estufa como o CO 2, CH 4, N 2 O, CO, NO 2 e particulados. Entretanto cada vez mais o uso da biomassa como fonte de energia vem se intensificando tanto no Brasil como em outros paises. Segundo Landim et al. (2007), em grande parte dos países desenvolvidos a biomassa é responsável por mais de 40% do combustível consumido, merecendo destaque o uso da biomassa madeirável, como cascas, cavaco e serragem, pois quando recebida o tratamento adequado pode ser utilizada em queimadores, para geração de energia através da biodigestão ou outros processos tais como, hidrólise, gaseificação ou queima direta. A geração de energia útil pelo processo de combustão resulta em graus variados de poluentes, que uma vez lançados na atmosfera, se misturam com o ar e são levados pelas correntes de vento num movimento praticamente incontrolável como citam Carvalho e Laçava, Jr. J. A., (2003). Segundo Timothy, B.J. (2005) finas partículas são emitidas pelos queimadores de biomassa e estas muito contribuem com a poluição atmosférica. O impacto da emissão da queima da madeira não está limitado na emissão das partículas, mas também em uma ampla faixa de componentes tóxicos orgânicos e inorgânicos que são emitidos como gases ou adsorvidos pelas partículas. Muitos desses compostos podem ser tóxicos e/ou cancerígenos, especialmente, se o nível de exposição das pessoas for muito elevado. A queima de biomassa madeirável emite uma vasta variedade de compostos gasosos e particulados com significativa implicação nos ciclos atmosféricos. Mesmo em ótimas condições de processo, a queima da biomassa produz partículas incombustas, constituídas de uma alta relação Carbono/Hidrogênio, normalmente chamada de fuligem ou black carbon. A constituição básica do black carbon é um núcleo de carbono elementar, onde podem agregar-se uma ampla faixa de componentes tóxicos orgânicos e inorgânicos, sendo estes também prejudiciais à saúde dos seres vivos, já que o transporte para o interior do organismo é facilitado pela inalação dos particulados. Rebelatto (2005) diz que o black carbon é também de grande importância no estudo climático, pois pode atuar direta ou indiretamente. Alguns de seus efeitos diretos são: ausência de nuvens, retorno da luz solar para o espaço, redução dos movimentos convectivos e outros efeitos ocorrentes devida à suas propriedades específicas que influenciam nas mudanças climáticas, inclusive na intensificação do efeito estufa. Em termos de tamanho, os particulados são divididos em duas classes (modas): a fração fina ou moda fina, onde as partículas poluidoras possuem no máximo 2,5 µm de diâmetro e a moda grossa, onde estas variam de 2,5 a 10 µm. O tamanho do particulado é um fator importante na determinação da probabilidade de deposição das partículas no trato respiratório humano, no tempo de residência na atmosfera, no espalhamento da luz interferindo no aquecimento global, e em se tratando de situações industriais, o tamanho da partícula define o tratamento necessário ao efluente gasoso e a escolha do equipamento de controle de poluição. Pensando na minimização dos problemas causados com a contaminação atmosférica por particulados, as indústrias, responsáveis por grande parte da poluição antrópica, devem assumir um pensamento pró-ativo,
compatibilizando a produção industrial com a conservação do meio ambiente, através de alterações em seus processos, monitoramento dos efluentes e instalando equipamentos de controle de poluição, respeitando a legislação ambiental vigente. Existem vários equipamentos utilizados no controle da emissão de particulados, como os multiciclones, lavadores de gás, precipitadores eletrostáticos, filtros de mangas e outros. Muitas empresas adotam os lavadores de gás ou scrubbers, pois estes apresentam altos níveis de eficiência na remoção de particulados finos, além de baixo custo, podendo ainda trabalhar com uma ampla gama de efluentes gasosos em altas temperaturas, incluindo os corrosivos, inflamáveis e explosivos. Dentre estes destaca-se os lavadores de gás tipo Venturi. O uso deste equipamento pode levar o processo de limpeza a ser totalmente fechado, através do tratamento de efluente líquido e o reciclo, o qual anteriormente era visto como uma desvantagem dos lavadores, hoje é visto como um sistema de tecnologia limpa Lora, (2002). 1.1. Lavadores Venturi Trata-se de um duto de seção transversal retangular ou circular, distinto em três partes: a seção convergente, a garganta e a seção divergente. A Figura 1 mostra o esquema de um lavador Venturi. Na seção convergente do lavador ocorre à entrada do gás contaminado por particulados e sua aceleração. Dentro da garganta, o gás alcança sua maior velocidade, podendo variar de 30 a 150 m/s, sendo que neste local normalmente ocorre à injeção do líquido de lavagem através de orifícios localizados em sua parede. Em muitos casos este líquido é água ou outro composto que capture o contaminante do gás. Devido a velocidade do fluxo gasoso o líquido de lavagem injetado atomiza-se na forma de sprays. Esta atomização ocorre primeiramente com a formação de filamentos de gotas devido ao descascamento do jato líquido. Em seguida, ocorre a formação das gotas, que podem ter dimensões entre 10 e 500 m (COSTA, 2005). Entrada de líquido Figura 1 - Esquema do lavador Venturi Na seção divergente do lavador, saem às gotas agregadas ao particulado e o ar teoricamente limpo, desacelerado e com sua queda de pressão parcialmente recuperada. Após a seção divergente, um ciclone é utilizado para separar o efluente líquido gerado da corrente de ar, sendo que este efluente pode ser tratado e reaproveitado em aplicações dentro e/ou fora da indústria, o mesmo vale para o material particulado coletado. 1.1.1. Eficiência de coleta teórica Existem modelos matemáticos designados para a previsão da eficiência de coleta de lavadores Venturi, entre estes citam-se os modelos de Johnstone et al. (1954), Calvert et al. (1977) e de Leith e Cooper, (1980) apud Costa et al. (2004), cujos modelos foram analisados neste trabalho. Estes modelos não desconsideraram variáveis como: não uniformidade do tamanho e distribuição das gotas, comprimento da garganta do lavador, filme líquido nas paredes do equipamento e outros fatores de influência significativa. Além destes três modelos, existem outros mais completos, como os de Azzopardi e Govan (1984), o de Viswanathan (1984) e o de
Gonçalves (2000) apud Costa (2004), onde foram adicionadas outras variáveis e elevada a complexidade em termos de quantidade de cálculos. Industrialmente o modelo de Calvert é bastante utilizado. A eficiência de coleta de partículas no lavador Venturi é influenciada por vários fatores, tais como o tamanho da partícula, razão líquido gás, penetração do jato líquido, distribuição do tamanho de gotas líquidas, evolução das gotas ao longo do Venturi, distribuição das gotas em toda garganta, fração líquido que se deposita na parede na forma de filme, comprimento da garganta e a configuração geométrica do lavador. É importante um estudo dos efeitos que afetam a eficiência. 2. OBJETIVO Este trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento de dois lavadores Venturi, de seção retangular e circular, na coleta de partículas finas dispersas em corrente gasosa proveniente da queima de biomassa vegetal usada como combustível, por meio de uma avaliação experimental envolvendo os fenômenos básicos que afetam a desempenho de um Venturi. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Neste estudo foi utilizado um módulo experimental mostrado na Figura 2, composto por soprador, gerador de pó, dois lavadores Venturi, retangular e circular, um separador ciclônico, equipamentos periféricos para medição de vazão e amostragens isocinéticas. Como material particulado foi utilizado resíduos provenientes da combustão de biomassa de uma indústria madeireira da região de Itapeva/SP, a base de Pinus e Eucalipto. Este particulado apresenta diâmetro médio de 15 µm, este diâmetro de partícula é danoso para a saúde e de grande dificuldade de coleta. A Figura 3 mostra um esquema do lavador Venturi retangular utilizado. As dimensões do lavador são mostradas na Tabela 1. O lavador Venturi circular apresenta garganta de 2 in de diâmetros e comprimento variável nas mesmas dimensões do retangular. Ciclone Figura 2 Módulo experimental Seção Divergente Figura 3 Lavador Venturi Retangular Tabela 1: Dimensões do lavador retangular. Legenda Lavador Venturi Dimensões (m) Seção divergente 0,280 0,064 Comprimentos da 0,090 garganta 0,117 Seção convergente 0,099 Largura 0,024 Altura 0,035 Gerador de Pó Garganta Seção convergente A figura 4 mostra o sistema de amostragem representativa das partículas dispersas na corrente gasosa. Este sistema consiste de uma bomba a vácuo, a qual succiona a corrente gasosa, um medidor de fluxo mássico, um sistema de bocais isocinéticos e uma sonda de
amostragem. A Figura 5 mostra detalhadamente o esquema da sonda a ser utilizada. As partículas são succionadas pela sonda localizada no centro do duto através de uma bomba a vácuo e o pó retido numa membrana filtrante e depois analisado de forma a se obter a eficiência global e a eficiência fracionária em cada teste. O ar limpo é emitido pela parte superior do separador ciclônico e a água contaminada com o particulado é emitida pela sua extremidade inferior. Decantada e retornada ao processo. Sonda isocinética Figura 4 Sistema de amostragem Figura 5 Sonda de amostragem e membrana filtrante De posse dos dados antes e após o lavador, utiliza-se a seguinte equação para cálculo da eficiência global: m m E S η G = Equação 1 me Onde η G é a eficiência de coleta global em %, m E é a massa de partículas coletadas antes do lavador e m S a massa de partículas coletada após o lavador. Para cálculo da eficiência fracionária, os filtros com o pó retidos nos testes foram levados à análise gravimétrica, através do analisador de partículas, Malvern Mastersizer no Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal de São Carlos. De posse das curvas de distribuição de tamanho das partículas, as eficiências fracionárias são calculadas através da equação: ( 1 ηg ) f S ( d ) p η d = 1 Equação 2 f E ( d ) Sendo η d a eficiência de coleta fracionária em %, f S(dp) a fração de partículas de diâmetro dp na saída do lavador e f S(dp) a fração de partículas na entrada do lavador. As variáveis estudadas foram vazão de líquido (0,4, 0,6 e 0,8 L/min), velocidade de gás (20,22 e 24 m/s) e comprimentos de garganta (64, 90 e 117 mm). Neste estudo as vazões de líquido avaliadas foram baixas, visando manipular e aperfeiçoar esta variável de forma a obter jatos com diferentes penetrações no interior da garganta, produzindo diferentes distribuições de gotas na região central da garganta, gerando diferentes situações de eficiência de coleta, como foi estudada por Martins Costa, M. A., (2002). 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os dados de eficiência de coleta global e fracionária observados neste trabalho, resultaram do desempenho dos dois lavadores Venturi estudados. As eficiências globais e fracionárias obtidas foram analisadas considerando os efeitos p
da geometria do lavador, diâmetro do particulado, vazões de gás e líquido e penetração do jato líquido de lavagem. Estes dados de eficiência também foram comparados com modelos matemáticos da literatura. 4.1 Eficiência Global Efeito da geometria do lavador A Figura 6mostra as eficiências globais de cada lavador Venturi, para as três vazões de líquido adotadas (0,4; 0,6 e 0,8 L/min), variando as velocidades da corrente gasosa (20 e 22 m/s) e utilizando a garganta do lavador com comprimento de 90 mm. Pela figura, nota-se que aumentando a velocidade do gás de 20 para 22 m/s melhores resultados de eficiência foram encontrados (alguns acima de 98,0%), pois maior a velocidade do gás melhor a atomização da água nos lavadores. Adicionado ao efeito do alcance da penetração do jato líquido na região central da garganta de cada lavador, os melhores resultados foram obtidos para a vazão de água de 0,6 L/min. A eficiência foi maior utilizando a geometria retangular, devido a esta causar maior turbulência no interior da garganta, sendo que os níveis de eficiência de coleta estiveram todos acima de 97,50%, e o valor máximo encontrado foi de 98,23% para a velocidade de 22 m/s. As duas geometrias estudadas apresentaram eficiências globais de coleta acima de 96,32%. Os menores resultados de eficiência deram-se para o lavador circular, sendo o valor mínimo de 96,32% para velocidade de 20 m/s e vazão de 0,4 L/min. Na Figura 7 podemos observar a variação da eficiência global para os dois lavadores com um e dois orifícios, mantendo-se as mesmas vazões de líquido, apenas esta foi distribuída em um ou dois pontos no interior da garganta. Podemos notar que uma melhor distribuição do líquido, sem um aumento da vazão deste, já eleva notoriamente a eficiência do lavador. Eficiência Global 100,00% 98,00% 96,00% 94,00% 92,00% 90,00% Retangular e 20 m/s Retangular e 22 m/s Circular e 20 m/s Circular e 22 m/s 0,4L/min 0,6L/min 0,8L/min Vazão de Líquido Figura 6 Efeito da geometria do lavador para a garganta de 90 mm de comprimento e diferentes velocidades do gás no duto Este comportamento foi observado em ambos os lavadores. Os melhores resultados foram para a combinação entre o Venturi retangular, com dois orifícios e vazão de 0,8 L/min. O mesmo comportamento foi observado para as velocidades de 22 e 24 m/s, sendo que os valores variam de 95 a 98,5 m/s e 96 e 99m/s, respectivamente. Eficiência Global (%) 100 98 96 94 92 90 Circular e 1 orifício Circular e 2 orifícios 0,4 0,6 0,8 Vazão de Líquido (L/min) Retangular e 1 orifício Retangular e 2 orifícios Figura 7 Efeito da geometria e do número de orifícios para a garganta de 90 mm e velocidade do gás de 20 m/s.
4.2. Efeito da vazão de líquido Na Figura 8 podemos observar o efeito da vazão de líquido para as gargantas de 64 e 90 mm nas três velocidades de gás estudadas e com um único orifício. Eficiência Global (%) 100 98 96 94 92 90 Circular e 64 mm Circular e 90 mm Retangular e 64 mm Retangular e 90 mm 20 22 24 Velocidade do Gás (m/s) Figura 8 Efeito da vazão de líquido Notamos que a eficiência global apresenta um acréscimo para a vazão de líquido de 0,6 L/min, isto se deve ao efeito da penetração do jato, para esta vazão a maior concentração de gotas se encontra na região central da garganta, otimizando a coleta. Observe-se que os valores variaram entre 94,5 e 97,5 %, sendo que para dois orifícios os valores foram de 95 a 99%. 4.3. Eficiência Fracionária A Figura 9 mostra os resultados de eficiência fracionária de coleta para diferentes faixas de diâmetros, para velocidade de gás de 24 m/s, comprimento da garganta de 90 mm com dois orifícios. Para esta situação obteve-se os melhores resultados de coleta, inclusive para a menor faixa (0 a 2,5 µm) variando de 49,3 a 84,3 %, para partículas na faixa de 2,5 a 5 µm a eficiência variou de 89,4 a 96,6 %. Eficiência fracionária (%) 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0 a 2,5 m 2,5 a 5 m 5 a 10 m 10 a 20 m 20 a 30 m 30 a 40 m 0,4 0,6 0,8 Vazão de líquido (L/min) Figura 9 Eficiência fracionária de coleta para velocidade do gás de 24 m/s, comprimento da garganta de 90 mm e dois orifícios. Os valores obtidos para a mesma situação com velocidade do gás de 20 m/s, porém com um orifício nas faixas de (0 a 2,5µ), (2,5 a 5 µm) e (5 a 10 µm) foram de 50 a 70 %, 80 a 89,5 %, 90 a 94 %, respectivamente. Já para a velocidade de gás de 22 m/s e um orifício os valores foram de nas faixas de (0 a 2,5µ), (2,5 a 5 µm) e (5 a 10 µm) foram de 60 a 71 %, 88,7 a 93 %, 95 a 97 %, respectivamente. Na Figura 10 observamos o efeito do número de orifícios de injeção de líquido na coleta fracionária. Observe que o aumento no número de orifícios eleva a eficiência fracionária mesmo para as partículas mais finas A Figura 11 mostra a comparação dos dados experimentais com os modelos teóricos da literatura. Comparando os resultados experimentais de eficiência global e fracionária notamos que os modelos de Jonhstone e Calvert ficam muito distante dos resultados experimentais, somente o modelo de Leith e Cooper se aproximam em ambos os estudos
Eficiência fracionária (%) 100,00 90,00 80,00 70,00 1 orifício e pó de 2,5 a 5 m 1 orifício e pó de 5 a 10 m 2 orifícios e pó de 2,5 a 5 m 2 orifícios e pó de 5 a 10 m 20 22 24 Velocidade (m/s) Figura 10 Efeito do número de orifícios para a vazão de líquido de 0,8 L/min e comprimento da garganta de 90 mm. Eficiência fracionária (%). 100 80 60 40 20 0 Johnstone et al. Calvert et al. Leith e Cooper Experimental e 2 orifícios 0,4 0,6 0,8 Vazão de líquido (L/min) Figura 11 Comparação entre os modelos clássicos e os dados experimentais. 5. CONCLUSÕES Foram obtidas eficiências globais de coleta acima de 94,59% em todos os testes realizados para as duas geometrias de lavador Venturi avaliadas; O Venturi retangular apresentou resultados de eficiência maiores que os obtidos para o lavador circular. A injeção de líquido com dois orifícios mostrou-se mais eficiente mesmo para partículas finas. Os valores de eficiência fracionária foram satisfatório mesmo para a menor faixa de diâmetro. O modelo de Leith e Cooper foi o que mais se aproximou dos testes experimentais, já os de Johnstone e Calvert mantiveram-se inferiores 6. CITAÇÕES BIBLIOGRÁFICAS ANDRADE et.al., Transport biomass burning smoke to upper troposphere by deep conventional in the equatorial region, Geophysical Research Letters, vol 28,n6. (2002) COSTA, M. A. M.; GONÇALVES, J. A. S., COURY, J. R., HENRIQUE, P. R. Droplet Size in a Rectangular Venturi Scrubber. Brazilian Journal of Chemical Engineering, v. 21, n. 2, p. 335-343, 2004 COSTA, M. A. M. Performance of a Venturi Scrubber in the Removal of Fine Powder from a Confined Gas Stream. Materials Research, v. 8, n. 2. p. 177-179, 2005 LANDIM, et. al, Sistema de recuperação de biomassa. Wood Magazine, Curitiba, PR, ano 18, n. 104, abr. 2007. LORA, E. E. S. Prevenção e Controle da Poluição nos Setores Energético, Industrial e de Transporte. 2ªEdição, Editora Interciência, Rio de Janeiro, RJ. p. 02-364, 2002. REBELATTO, A.L. Determinação de índices quantitativos de material particulado inalável nos períodos seco e úmido na cidade de Cuiabá. Cuiabá, MT. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Mato Grosso, 2005. TIMOTHY B.J. et.al Effect of airflow Setting on the Organic Composition of Woodheater emissions. Environmetal Science and Technology. v. 39, p. 3601, 2005.