Universidade do Vale do Paraíba
Faculdade de Engenharia e Arquitetura e Urbanismo
Curso de Graduação em Engenharia Química
JAQUELINE PESSOA DOS SANTOS
JULIANA SANTANA CAMELO
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO CONTROLE DE
EMISSÃO DE SOx DE UMA INDÚSTRIA QUÍMICA
Orientadora interna:
Profª. Me. Liana Alvares Rodrigues
Orientador externo:
Prof. Dr. Emerson Sarmento
São José dos Campos - SP,
Dezembro de 2012
Universidade do Vale do Paraíba
Faculdade de Engenharia e Arquitetura e Urbanismo
Curso de Graduação em Engenharia Química
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DO CONTROLE DE EMISSÃO DE
SOx DE UMA INDÚSTRIA QUÍMICA
Trabalho de Conclusão de Curso submetido à
Universidade do Vale do Paraíba, como requisito
para aprovação na disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso (X520056) realizado pelas
alunas Jaqueline Pessoa dos Santos e Juliana
Santana Camelo no ano de 2012 sob orientação
dos professores Liana Alvares Rodrigues e
Emerson Sarmento.
São José dos Campos - SP,
Dezembro de 2012
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AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente à Deus, que nos guiou em todos os momentos e pela força
nos concedida durante essa etapa de nossa vida.
Aos nossos pais, pois sem eles nada disso seria possível. Por toda dedicação e carinho
que nos forneceram nesse período.
A nossa faculdade e aos nossos professores, que durante esses anos nos proporcionaram
estrutura e conhecimento para concretizarmos nossos sonhos.
Aos funcionários da empresa estudada, que nos auxiliaram no desenvolvimento do
nosso trabalho. Fornecendo-nos dados, soluções e informações para conseguirmos finalizá-lo.
Agradecemos principalmente à nossas famílias e amigos por terem nos apoiado e
ficarem ao nosso lado nas horas que mais precisávamos.
Ao nosso orientador Emerson, que nos ajudou durante sua permanência na
Universidade. Nas etapas iniciais e no desenvolvimento do nosso trabalho.
Em especial, a nossa orientadora Liana que não pode nos acompanhar desde o princípio,
mas que isso não a impediu de dedicar parte do seu tempo a nos orientar, questionar e nos
exigir mais do imaginávamos sermos capazes.
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“O sucesso é medido não tanto pela posição que se atinge na vida, mas sim pelos obstáculos
que tiveram que ser superados em sua busca.”
Booker T. Washington
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RESUMO
A preocupação com o meio ambiente e com poluição atmosférica tem sido um tema
muito abordado atualmente. Por este motivo os órgãos ambientais intensificaram suas
fiscalizações com relação às emissões atmosféricas das indústrias. Este trabalho tem como
objetivo a verificação da eficiência do controle de emissão de SOx através dos resultados
analíticos realizados in loco (chaminé), de um reator que trabalha em conjunto com um
precipitador eletrostático. Durante o estudo, identificou-se que a água utilizada para
refrigeração não estava inserida nas variáveis do processo e que a mesma estava influenciando
a taxa de emissão de SOx. Este problema refletia na vazão da solução de NaOH, pois a
quantidade de água que entra no reator para o resfriamento diluí a solução de maneira que ela
se torne ineficiente para o tratamento. Sendo assim, para corrigir o problema, os parâmetros
foram ajustados levando-se em consideração esta variável de forma a aumentar a vazão da
solução de NaOH conforme aumentasse o volume de água de refrigeração de acordo com a
necessidade. Os resultados obtidos através da análise do efluente gasoso, após a alteração das
variáveis de entrada, corresponderam às expectativas do processo produtivo.
Palavras-chave: Poluição atmosférica; Emissão de SOx; Variáveis de entrada.
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ABSTRACT
The concern about the environment and air pollution is a topic much discussed
nowadays. For this reason the environmental agencies have stepped up their checks with
respect to atmospheric emissions of industries. This study aims to verify the efficiency of SOx
emission control through the analytical results performed in loco (chimney), of a reactor that
works in conjunction with an electrostatic precipitator. During the study, was identified that
the water used for cooling was not inserted in the process variables and that it was influencing
the rate of emission of SOx. This problem is reflected in the NaOH solution flow rate because
the amount of water that enters into the reactor, dilute the solution so that it becomes
ineffective for treatment. Therefore, to correct the problem, the parameters were adjusted
taking into account this variable in order to increase the flow rate of NaOH solution as to
increase the volume of cooling water according to necessity. The results obtained by
analyzing the effluent gas after the change in the input variables, matched expectations of the
production process.
Keywords: Air pollution; SOx Emission; Input variables.
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INTRODUÇÃO
Compostos de enxofre podem ser encontrados na atmosfera, tanto na forma gasosa
quanto na forma de particulados [1]. Estes compostos podem ser introduzidos na atmosfera,
em grandes quantidades, tanto por fontes antropogênicas (queima de biomassa, processos
industriais de combustão, etc) quanto por fontes naturais (erupções vulcânicas, etc) [1]. Em
ambas as formas, contribuem para poluição ambiental, tendo grande impacto nas mudanças
climáticas (acomete ciclos como do oxigênio, nitrogênio e carbono) e na saúde de diversos
organismos (provoca doenças respiratórias, cardiovasculares e problemas ao desenvolvimento
dos fetos) [2,3].
O dióxido de enxofre (SO2), um dos compostos de enxofre mais comuns, é o principal
precursor da chuva ácida e da formação de particulados de enxofre [3]. Pode ser oxidado na
atmosfera formando aerossóis, que são importantes constituintes das finas partículas
suspensas na atmosfera urbana [3]. Os aerossóis ácidos mais comuns são o sulfato (SO42-), o
bissulfato (HSO4-) e o ácido sulfúrico (H2SO4), encontrados dissolvidos nas gotas de água
presentes na atmosfera. Estes aerossóis podem causar inflamação do trato respiratório por
apresentarem pH < 1, bem como as finas partículas suspensas na atmosfera formadas por
estes e outros tipos de aerossóis estão associadas ao aumento da morbidade e mortalidade por
doenças cardiovasculares [2].
A maior parte do SO2 inalado por uma pessoa em repouso é absorvida nas vias aéreas
superiores. Com a atividade física há um aumento da ventilação alveolar, com consequente
aumento da absorção de SO2 pelas regiões mais distais do pulmão, provocando doenças
respiratórias [2].
Tendo em vista os efeitos nocivos causados pela emissão de compostos de enxofre na
atmosfera à saúde humana, vários países estabeleceram padrões de qualidade. O objetivo
destas diretrizes é estabelecer valores limites e alertas para a concentração de dióxido de
enxofre e de materiais particulados no ar (Tabela 1), evitando-se e/ou reduzindo-se os efeitos
prejudiciais à saúde humana, bem como ao meio ambiente [1,2]. No Brasil em 1990, o
Conselho Nacional de Meio Ambiente adotou os mesmos padrões [2].
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Tabela 1- Padrões de qualidade do ar para os principais poluentes [2].
Poluentes
Padrões primários
Tempo médio
Partículas inaláveis (PM10)
50 µg/m3
Média aritmética anual
150 µg/m3
Nível limite para 24 horas
0,03 (80 µg/m3)
Média aritmética anual
0,14 (365 µg/m3)
Nível limite para 24 horas
Dióxido de enxofre (SO2)
O padrão de distribuição das fontes de poluição e sua força estão intimamente
relacionados às condições meteorológicas, tais como a direção do vento, velocidade do vento,
precipitação, temperatura, radiação e estabilidade da camada atmosférica. Portanto, as
condições climáticas interferem diretamente na diluição dos poluentes na atmosfera, sendo o
nível de qualidade do ar diretamente afetado por essa interação entre as fontes de poluição e a
atmosfera [1,3].
Várias técnicas têm sido desenvolvidas para neutralização de compostos de enxofre
[4]. Os métodos mais bem estabelecidos são: absorção em solução alcalina [4], absorção
usando membranas [5,6] e oxidação eletroquímica [7]. Tradicionalmente, todos estes métodos
apresentam algumas desvantagens. A aplicação de membranas não é economicamente viável
devido ao alto custo das mesmas. O maior problema da oxidação eletroquímica é o
envenenamento do catalisador por impurezas do gás [7]. Sendo assim, a absorção em solução
alcalina é a técnica mais simples e econômica para absorção do SOx.
Este método consiste no contato entre o gás (SOx) e a solução, resultando na formação
de sulfato e/ou sulfito. O resíduo da solução pode ser descartado como efluente ou utilizado
como matéria-prima no processo industrial. Dentre os compostos alcalinos, os compostos de
sódio são preferidos em relação aos de potássio e de outros metais alcalinos devido ao seu
menor custo [4]. Entretanto, esta técnica apenas atua na neutralização dos compostos de
enxofre, sendo necessária a utilização de outras técnicas para a remoção dos materiais
particulados produzidos durante o processo de produção ou durante a neutralização dos gases
liberados no mesmo.
Vários dispositivos, tais como separadores ciclônicos, sacos de filtragem e
precipitadores eletrostáticos são empregados para remoção do material particulado suspenso
na atmosfera [8,9]. Adicionalmente, grande parte das indústrias utiliza precipitadores
eletrostáticos para controle da emissão de materiais particulados de fornos [9].
8
O precipitador eletrostático é um equipamento que utiliza um campo elétrico para
separação das partículas em suspensão. O processo de precipitação eletrostática envolve: (i) o
carregamento das partículas em suspensão que fluem entre os eletrodos do equipamento, (ii)
migração e coleta das partículas em placas coletoras, cujas cargas são opostas à das partículas
e (iii) agitação das placas coletoras para remoção do material particulado aprisionado nas
mesmas. A etapa (iii) é efetuada para manutenção da eficiência do precipitador, tendo em
vista que este parâmetro diminui com o aumento da espessura da camada de partículas devido
à diminuição da interação eletrostática entre as placas coletoras e as camadas mais externas de
material particulado [8].
No ambiente estudado, existe um reator em conjunto com um precipitador eletrostático,
cujas finalidades são controlar a emissão de óxidos de enxofre (SOx), principalmente do SO2,
e de material particulado em suspensão em um nível permitido pelos órgãos ambientais.
É válido salientar que muitas variáveis podem afetar a taxa de uma reação química,
influenciando na conversão da reação e, consequentemente, na quantidade de gases liberados
[10]. Com isso, a seleção de um sistema de reação que opere da maneira mais segura e mais
eficiente pode significar o sucesso ou fracasso econômico de uma planta química [11].
Sendo assim, este trabalho tem como objetivo a verificação da eficiência do controle de
emissão de SOx de uma indústria química, através dos resultados analíticos realizados in loco
(chaminé), de um reator que trabalha em conjunto com um precipitador eletrostático.
9
MATERIAIS E MÉTODOS
Para um melhor entendimento do processo, o caminho percorrido pelo efluente gasoso é
demonstrado na Figura 1. Este esquema do processo funciona para as duas linhas de produção
analisadas.
Figura 1- Fluxograma do processo
As matérias-primas são adicionadas ao forno, onde ocorre a reação e liberação dos
gases, que seguem em direção à base do reator. No reator ocorre a neutralização do efluente
com a solução aquosa de NaOH, que é injetada ao sistema na forma de spray.
Dessa forma, através da análise é esperada que a vazão da solução seja suficiente para
que ocorra a absorção dos gases ácidos e reação neutralização. Através da reação do NaOH
com o SO2, formando o sulfito de sódio, o qual ao entrar em contato com os campos
magnéticos do precipitador eletrostático se prende as paredes do mesmo e posteriormente é
recolhido e pode ser utilizado em outros processos. Já os gases que não reagiram saem do
precipitador e entram na base da chaminé.
Para a verificação do controle de emissão de SOx, foi necessário compará-lo com os
resultados analíticos realizados in loco (chaminé).
A análise foi realizada considerando duas linhas de produção distintas, tanto em
tecnologia quanto ao tempo de uso.
10
Os produtos fabricados nas linhas A e B são diferentes, portanto as matérias-primas
utilizadas não serão as mesmas, desta forma suas emissões também não serão iguais.
Por esse motivo foram realizadas análises considerando-se o tipo e a quantidade de
matérias-primas utilizadas em cada processo, pois estes parâmetros influenciam diretamente
na formação SOx, bem como em sua quantidade liberada. Outro fator importante a ser
considerado é a reação de combustão e o tipo de combustível utilizado (óleo ou GLP), pois a
queima dos mesmos pode levar à formação de compostos de enxofre e a quantidade de SOx
liberado varia de acordo com cada tipo de combustível. Além disso, deve ser avaliada a
quantidade de enxofre retida no produto para que não ocorra superdimensionamento das
variáveis analisadas.
Além disso, foi preciso fazer o estudo de todas as variáveis do processo, dentre as quais
foi identificada que a adição de água para refrigeração não havia sido considerada no
processo.
A partir deste momento foi proposto uma nova análise do processo levando em
consideração a interação líquido-gás, na qual está relacionada com a probabilidade da
molécula de interesse se chocar com a solução neutralizadora que dependendo da temperatura
dos gases acaba se diluindo mais devido ao fato de ser adicionada a água de refrigeração.
Após o reajuste das variáveis de entrada, foi realizada a coleta das amostras na chaminé
por uma empresa habilitada junto aos órgãos de controle.
Por se tratarem de duas linhas de produção distintas, foram necessários dois dias para as
coletas das amostras, um dia para cada linha de produção.
Só foi possível realizar as medidas em uma chaminé por dia devido aos seguintes fatos:
normas internas de segurança, a quantidade de pessoas enviadas para a realização da coleta, a
quantidade de equipamentos levados e o tempo de subida dos equipamentos e alocação dos
mesmos.
De acordo com as normas da CETESB, há uma quantidade determinada de amostras a
serem coletadas de acordo com o tipo e o tamanho da chaminé, neste caso 3.
Além disso, houve uma preocupação com as coletas em cada etapa da reação, para
garantir que a emissão não ultrapassaria em nenhum momento a emissão estabelecida pelo
processo. Sendo assim, a primeira coleta é referente ao início, a segunda coleta é referente ao
meio e a terceira coleta é referente ao final da reação.
As demais informações exigidas pela empresa que estava fazendo as análises foram
retiradas do controle do processo produtivo de cada linha.
11
A metodologia utilizada para as análises foram as mesmas referentes à dutos e chaminés
de fontes estacionárias, regulamentadas pela CETESB, pois se trata de um sistema fixo de
combustão.
Sendo assim, para a determinação dos pontos de amostragem foi utilizado o método
L9.221 [12], para a determinação da velocidade e vazão dos gases foi utilizado o método
L9.222 [13], para a determinação da massa molecular seca e do excesso de ar do fluxo gasoso
foi utilizado o método L9.223 [14], para a determinação da umidade dos gases foi utilizado o
método L9.224 [15], para a determinação do material particulado foi utilizado o método
L9.225 [16] e para a determinação de dióxido de enxofre e de névoas de ácido sulfúrico e
trióxido de enxofre foi utilizado o método L9.228 [17].
Desta forma, a empresa responsável pela coleta emitiu um relatório fornecendo as
informações com os resultados das emissões de SOx.
12
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Esta análise surgiu da necessidade de controlar a emissão atmosférica, no qual a
indústria estava tendo dificuldades, pois esta ultrapassava a meta estabelecida (1,2 kg de SOx
por tonelagem produzida) pelo processo produtivo em 25%. Com esta mesma análise do
efluente, verificou-se que a quantidade de emissão do SO2 era muito mais expressiva do que a
emissão de SO3, sendo a de SO3 desprezível.
Sendo assim, o primeiro passo foi analisar as variáveis que estavam influenciando na
liberação de SO2, desde a etapa das reações até o funcionamento dos equipamentos (reator e
precipitador eletrostático).
Desta forma foi realizado o estudo de todo o fluxograma do efluente, desde sua saída do
forno, sua entrada no reator, a quantidade de gases a ser tratado com a solução de NaOH, se a
forma de dispersão da solução de tratamento estava adequada (névoa), a temperatura dos
gases tratados e suas partículas ao entrarem no precipitador, até a sua saída pela chaminé.
Após a análise de todas as variáveis, foi observado que a água que entra no reator para a
refrigeração do gás não estava sendo considerada. A água de refrigeração é necessária, pois
esta faz parte do sistema de segurança do precipitador eletrostático, ou seja, os gases não
podem entrar em uma temperatura muito alta no equipamento para não danificá-lo.
Por este motivo, existe um detector de temperatura na entrada do precipitador que
informa o sistema da necessidade de injeção de água de refrigeração, automaticamente, porém
o mesmo caminho que a água utiliza para entrar no reator é o mesmo utilizado pela solução de
NaOH que trata o SOx.
Apesar de já existir uma proporção da solução de NaOH estabelecida pela empresa.
Com as adições ocasionais da água de refrigeração, a solução de tratamento se torna mais
diluída, diminuindo a probabilidade das moléculas desejadas se chocarem e reagirem com a
solução de NaOH.
Portanto, surgiu a necessidade de ajustar os parâmetros que alimentam o sistema
automático. Desta forma, a análise do processo foi feita de forma a corrigir a vazão da solução
de NaOH, somente quando o processo sofresse adição da água de refrigeração, para que
houvesse quantidade suficiente da solução de tratamento atuando no reator e controlando a
emissão de SOx.
O reajuste das variáveis de entrada então, foi posto em prática e para verificar sua
confiabilidade, foi escolhida uma empresa qualificada para análises de Emissão de SOx.
13
As coletas foram feitas nas chaminés A e B, que correspondem, respectivamente, as
linhas de produção A e B.
Os resultados obtidos da Linha de Produção A e B estão descritos na Tabela 2.
Tabela 2- Resultados obtidos das amostras coletadas nas chaminés
Kg de SOx/tonelagem produzida
1ª coleta
2ª coleta
3ª coleta
Média
Linha de Produção A
1,10
1,14
0,91
1,05
Linha de Produção B
0,88
0,85
1,21
0,98
Sabendo-se que a meta de emissão de SOx estabelecida pelo processo produtivo é de 1,2
kg de SOx/tonelagem produzida, pode ser observado que, através dos resultados obtidos, o
reajuste das variáveis de entrada correspondeu as expectativas do processo para ambas as
linhas de produção.
Nota-se que, para a mesma linha de produção, não há variação significativa dos valores
medidos na 2ª coleta em relação à 1ª coleta (~ 3,5%) para ambas as linhas. Entretanto, a 3ª
coleta apresenta uma variação considerável em relação à 1ª coleta, aproximadamente 20%
menor para a linha A e de aproximadamente 30% maior para a linha B. Esta diferença se
refere ao fato das análises, apesar de serem coletadas no mesmo dia, ocorrerem em momentos
diferentes. Isto porque, as coletas contemplaram diferentes etapas da reação, início, meio e
fim.
Observa-se (Tabela 2) que na 3ª coleta, para a linha de produção B, a quantidade de SOx
liberado é 1% maior que o valor limite estabelecido pelo processo produtivo. Entretanto,
como o que caracteriza a emissão é a média das três coletas, pode-se dizer que ambas as
linhas não excederam o limite estabelecido.
É possível observar também que há uma diferença entre as duas linhas de produção, o
qual pode ser justificado pelo fato da quantidade de produção de cada uma. Pois a quantidade
de produção está diretamente relacionado com a quantidade de emissão de SOx.
Por mais que as duas linhas possuam a mesma capacidade de produção, a quantidade
produzida depende da necessidade de cada cliente. Desta forma, a tonelagem produzida vai
ser definida através da quantidade de produto requerida por cada cliente, o que influencia
diretamente na quantidade de matérias-primas utilizadas e, desta forma na quantidade de SOx
liberado.
Os dados com relação à produção de cada linha estão na Tabela 3.
14
Tabela 3- Relação da tonelagem de produto produzido por hora.
Linhas de Produção Produção (t/h)
A
35,4
B
20,8
Conforme mostrado na Tabela 3, observa-se uma diferença na produção de ambas as
linhas. Neste caso, a produção da linha A é de aproximadamente 70% maior do que a
produção da linha B, desta forma há um maior consumo de matérias-primas e,
consequentemente, maior liberação de gases.
Porém esta maior liberação de gases não é tão pronunciada na tabela 2. Isto se justifica
pelo fato das linhas A e B fabricarem produtos diferentes, portanto as matérias-primas
utilizadas também são diferentes, sendo assim as emissões não serão as mesmas.
15
CONCLUSÃO
Devido a um erro na consideração das variáveis de entrada, a emissão de SOx era 25%
maior do que o estabelecido pelo processo produtivo. Através da análise do processo
identificou-se que a água utilizada para refrigeração não estava sendo considerada na
interação líquido-gás do processo. Desta forma, a quantidade da solução de NaOH era
ineficiente para o tratamento, devido à sua diluição. Sendo assim, as variáveis de entrada
foram reajustadas de forma a corrigir a vazão da solução de NaOH para que houvesse
quantidade suficiente da solução de tratamento atuando no reator e controlando a emissão de
SOx. Após o ajuste dos parâmetros de entrada constatou-se que a emissão de SOx permaneceu
dentro dos parâmetros estabelecidos pelo processo produtivo, sendo assim, o reajuste das
variáveis de entrada satisfez as necessidades do processo e objetivo do trabalho foi atingido.
16
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[13] COMPANHIA AMBIENTAL DO ESTADO DE SÃO PAULO. L9.222: Dutos e
chaminés de fontes estacionárias – determinação da velocidade e vazão dos gases:
método de ensaio. São Paulo, 1992.
[14] COMPANHIA AMBIENTAL DO ESTADO DE SÃO PAULO. L9.223: Dutos e
chaminés de fontes estacionárias – determinação da massa molecular seca e do excesso
de ar do fluxo gasoso: método de ensaio. São Paulo, 1992.
[15] COMPANHIA AMBIENTAL DO ESTADO DE SÃO PAULO. L9.224: Dutos e
chaminés de fontes estacionárias – determinação da umidade dos efluentes: método de
ensaio. São Paulo, 1993.
[16] COMPANHIA AMBIENTAL DO ESTADO DE SÃO PAULO. L9.225: Dutos e
chaminés de fontes estacionárias – determinação de material particulado: método de
ensaio. São Paulo, 1995.
[17] COMPANHIA AMBIENTAL DO ESTADO DE SÃO PAULO. L9.228: Dutos e
chaminés de fontes estacionárias – determinação de dióxido de enxofre e de névoas de
ácido sulfúrico e trióxido de enxofre: método de ensaio. São Paulo, 1992.
18