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Emissões de Nox em
Turbinas a Gás:
Mecanismos de
Formação e Algumas
Tecnologias de Redução
NOX Emissions in Gas Turbines: formation mechanism and reduction
ANTONIO GARRIDO GALLEGO
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
GILBERTO MARTINS
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
WALDYR L. R. GALLO
Universidade Metodista de Piracicaba
[email protected]
RESUMO – Este trabalho apresenta a questão das emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) produzidos por turbinas a gás
de uso industrial. São discutidos os aspectos de regulamentação de emissões (no Brasil e em outros países), os principais
mecanismos de formação dos óxidos nitrosos em câmaras de combustão de turbinas a gás e as principais estratégias para
o controle das emissões, incluindo injeção de água, injeção de vapor, combustão por estágios, combustores “low-NOx” e
redução catalítica. A necessidade de revisão da legislação brasileira é ressaltada.
Palavras-chave: TURBINAS A GÁS INDUSTRIAIS – EMISSÕES DE NOX – FORMAÇÃO DE NOX.
ABSTRACT – This work studies some aspects related to the NOx emissions from industrial gas turbines. Brazilian and
international emission regulations are discussed. The main oxide formation mechanisms inside the combustion chamber
are presented, and the main strategies for the reduction of NOx emission are explored (including water and steam injection, staged combustion, low-NOx burners and catalytic reduction). The need for a revision on Brazilian regulations for
NOx is evidenced.
Keywords: GAS TURBINES – NOX EMISSIONS – NOX FORMATION MECHANISM.
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INTRODUÇÃO
N
o atual cenário energético mundial, no qual a
escassez dos recursos soma-se aos problemas
ambientais oriundos da utilização de energia e
extração de produtos naturais, observa-se uma crescente preocupação com a busca de maior racionalidade no uso da energia, além da procura de
processos com menor impacto ambiental. No Brasil,
como em todo o mundo, o setor energético vem
sofrendo profundas transformações motivadas não
apenas por questões de ordem técnica e econômica,
mas também por pressões da sociedade.
A capacidade atual instalada de geração de
energia elétrica no País é de pouco mais de 60 GW.
Desse total, cerca de 94% são de origem hidráulica
e o restante, de origem térmica. Porém, com o
aumento da demanda de energia elétrica e a necessidade da garantia na qualidade de fornecimento,
existe a necessidade do aumento do parque gerador.
Dificuldades para a exploração do potencial hídrico,
como altos custos de investimento, longos prazos de
instalação e problemas ambientais, foram levados
em conta na elaboração do Plano Decenal de
Expansão do Setor Elétrico para o período 19972006, que estima para 2006 uma composição da
geração de energia elétrica hidroelétrica de 83% e
termoelétrica de 17%.
Com essa perspectiva de mudança do perfil
de geração de energia elétrica, além da possibilidade
de implantação de plantas térmicas e sistemas de cogeração devido à efetivação do projeto do gasoduto
Brasil-Bolívia, verifica-se a necessidade de se rever
alguns aspectos da legislação ambiental, principalmente no que concerne às emissões de óxidos de
nitrogênio.
Frente às atuais tecnologias disponíveis para a
geração de energia elétrica, é esperado o uso de
combustíveis de origem fóssil como fonte energética. A efetivação do gasoduto Brasil-Bolívia certamente irá contribuir para a viabilização de plantas
termelétricas ou sistemas de co-geração, ao disponibilizar grandes quantidades de gás natural. Nesse
sentido, deve-se discutir qual a melhor forma de
gerar energia elétrica com o menor impacto ambiental em plantas térmicas e sistemas de co-geração.
Em todos os processos térmicos existem substâncias
que são liberadas e que podem tornar-se problemá-
14
ticas para os seres vivos e estruturas urbanas, dependendo da concentração, características do local e
situação climática, entre outros fatores.
Os óxidos de nitrogênio (NOX) são gases
nocivos à saúde, causam irritação nos olhos e no sistema respiratório, sendo ainda parcialmente responsáveis pelas chuvas ácidas e formação do smog
(processo fotoquímico de oxidação da atmosfera),
juntamente com material particulado, ozônio e
hidrocarbonetos.
Frente às considerações acima, este trabalho
apresenta alguns aspectos relacionados às emissões
de NOX provenientes de turbinas a gás industriais
para geração de eletricidade, enfocando principalmente seus mecanismos de formação e formas de
prevenção e redução de emissões.
POLUIÇÃO DO AR:
REGULAMENTAÇÕES
E EMISSÕES
A adoção de padrões de qualidade do ar
objetivos e coerentes é um instrumento de gestão
ambiental que procura resguardar a saúde pública,
o bem-estar da população, assim como fauna, flora
e meio ambiente em geral. Para que esse instrumento seja eficaz, é necessário, porém, que também
se estabeleçam padrões de emissão para cada poluente atmosférico monitorado pelos padrões de qualidade do ar, e, mais do que isso, que se estabeleçam
modelos de dispersão de poluentes capazes de correlacionar as emissões à qualidade do ar na região.
Infelizmente, na regulamentação brasileira
para fontes estacionárias de emissões gasosas,
CONAMA n.º 008/90 (Ventura, 1996), não existe
qualquer referência a emissões de NOX. Esse tipo
de poluente é avaliado apenas quanto à qualidade
do ar, CONAMA n.º 003/90 (Ventura, 1996).
Assim, não existem limites para a emissão de NOX,
seja por turbinas a gás, seja por qualquer outra fonte
estacionária ou móvel senão indiretamente. Na verdade, a legislação menciona a necessidade de se
empregar “a melhor tecnologia disponível”, quando
não existe limitação explícita para um dado poluente (Ventura, 1996). Países da Europa, Japão e
Estados Unidos possuem limites de emissões por
fonte geradora, que servem de parâmetro de controle e acompanhamento.
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Bathie (1996) apresenta padrões de emissões
de NOx aplicados para turbinas a gás industriais utilizados pelo New Source Performance Standards
(NSPS) dos Estados Unidos. O critério usado para
determinação do limite de emissões de NOX foi
baseado no consumo de combustível e na quantidade de nitrogênio em sua composição, sendo os
valores corrigidos para 15% de oxigênio em base
seca. Para termelétricas, o limite é fixado em 75
ppmv e, para outros usos, em 150 ppmv. No caso
de aplicações militares, de combate a incêndio e de
emergência, não há limites.
Estudos conduzidos pela CORINAIR (CORe
INventories AIR), da Enviromental European
Agency (EEA, 1998), mostram que os setores que
apresentam maiores níveis de emissões totais de
NOX são os de geração de energia elétrica, em uso
industrial e em transportes, com contribuição de
20,93%, 13,65% e 56,68%, respectivamente.
A Tokio Electric Power Company (TEPCO) é
a segunda maior companhia de geração de energia
elétrica privada do mundo, suprindo a área metropolitana de Tóquio. Sua preocupação é atender à
demanda de energia elétrica com a menor emissão
de poluentes por kWh instalado. Na figura 1 é apresentada sua tendência histórica de geração elétrica e
de emissões de NOX entre 1973 e 1995. Durante o
período 1985-1995 houve aumento de 47% na
produção de eletricidade, com redução de emissão
de NOX de 36%. A melhora dos níveis de emissões
de NOx é atribuída ao uso de combustíveis de
melhor qualidade, melhora contínua dos sistemas
de combustão e instalação de sistemas de denitrificação nas chaminés.
Fig. 1. Emissões médias de NOX dos sistemas de potência em operação (TEPCO, 1998).
Emiss es de NOx (m dia de sistemas de pot ncia em opera o)
Uma comparação entre os valores das emissões
médias de Nox de sistemas de potência de países
como Canadá, França, Alemanha, Itália, Inglaterra,
Estados Unidos e do próprio Japão, divulgados pela
TEPCO (1998) é apresentada na tabela 1. Note-se
que a primeira coluna (geração termelétrica) considera diferentes tecnologias e combustíveis, variando
entre os países. Da mesma forma, a segunda coluna
(geração elétrica total) inclui todos os tipos de tecnologias de geração elétrica (hidráulica, nuclear, térmicas convencionais).
O valor médio de emissões da geração de eletricidade de todos os países é inferior aos valores das
emissões das termelétricas, graças à mistura de sistemas de geração com diferentes tecnologias que possuem poluentes ou emissões que não foram levados
em conta (por exemplo, energia nuclear).
Verifica-se na tabela 1 que grande parte dos
países apresenta valores médios de emissões de Nox
em termelétricas superiores a 2 g/kWh, mas existe
potencial e tecnologia para redução desses níveis de
emissões, como o apresentado pela Alemanha, com
níveis de emissões inferiores a 2 g/kWh, e o Japão,
com níveis inferiores a 0,5.
Tab. 1. Níveis de emissões de NOx em geração de eletricidade de vários países (TEPCO, 1998).
MÉDIA DAS MÉDIA DA GERAÇÃO
PAÍSES
TERMELÉTRICAS DE ELETRICIDADE
g/kWh
g/kWh
Alemanha
Canadá
França
Grã-Bretanha
Itália
Japão
EUA
(1992)
(1991)
(1992)
(1993)
(1990)
(1995)
(1993)
1,50
2,45
2,21
2,52
2,28
0,35
2,98
0,99
0,55
0,24
1,77
1,91
0,19
2,09
g/kwh
Centena de milh es de KWh / ano
3000
1,6
1,4
2500
1,2
2000
1
<---Pot ncia de sa da
1500
0,8
0,6
1000
0,4
Emiss es --->
500
0,2
0
0
1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995
Anos
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • 15 – pp. 13-22
No Brasil, com a tendência da expansão da
geração elétrica através de termelétricas ou sistemas
de co-geração, os projetos que não estejam enquadrados em limites de emissões recomendados internacionalmente devem ser questionados e rejeitados,
porque trarão problemas ambientais futuros ou agravarão os já existentes. A elaboração de normas brasileiras rígidas de controle ambiental, com a adoção de
padrões de emissão de NOx e um sistema de moni-
15
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toramento que garanta a manutenção dos padrões
de qualidade do ar, é portanto tarefa urgente.
MECANISMOS DE
FORMAÇÃO DE NOX
A Formação de NO
Entre os óxidos formados durante o processo
de combustão, o mais encontrado é o óxido de
nitrogênio (NO). Esse óxido pode ser obtido no
processo de combustão por três caminhos: a reação
do nitrogênio atmosférico com o oxigênio a altas
temperaturas, formando o NO térmico; reação de
radicais hidrocarbônicos livres com a molécula de
nitrogênio, formando o NO prompt (NO rápido); e
pela reação do nitrogênio existente no combustível,
formando o NO combustível. Dependendo das
condições em que ocorre a combustão, existe o predomínio de um dos tipos de mecanismos mencionados: a altas temperaturas, predomina NO térmico;
se a quantidade de nitrogênio contido no combustível é alta e a temperatura é baixa, o NO combustível
e o NO prompt são os predominantes.
O NO térmico é obtido a partir da reação do
nitrogênio do ar atmosférico com o oxigênio dissociado pelas altas temperaturas impostas no processo
de combustão. As principais reações de formação
do NO térmico são apresentadas abaixo, segundo
modelo proposto por Zeldovich:
N2 + O ⇔ NO + N
N + O2 ⇔ NO + O
N + OH = > NO + H
(1)
(2)
(3)
A velocidade de formação do NO térmico é
determinada pela equação (1), importante quando
em condições próximas a estequiométrica e mistura
rica. Nessas condições se produz grande quantidade
e óxido de nitrogênio. A velocidade de formação de
NO é menor do que a velocidade da maioria das
reações de combustão e verifica-se que na região da
chama pouco NO térmico é formado, com grande
parcela sendo gerada na região de pós-chama (Chigier, 1981).
Chigier (1981) apresenta na equação (4) a
taxa de formação de óxido de nitrogênio, indicando
que a quantidade de NO depende exclusivamente
16
da temperatura e das concentrações de oxigênio e
de nitrogênio. O autor comenta a boa concordância
com valores da equação e os valores de NO medidos na região de pós-queima, mas quando comparado a valores medidos na região de combustão,
existe um erro significativo, devido à não possibilidade de se prever o acréscimo de NO formado,
proveniente do NO combustível e NO prompt.
d ( NO )
10
1⁄2
1⁄2
----------------- = 6x10 T eq exp ( [ – 69090 ⁄ T eq ] [ O 2 ] eq [ N 2 ] eq )
t
(4)
A formação de NO térmico aumenta com a
temperatura e com o tempo de exposição. O
aumento de temperatura contribui com a energia
que acelera a reação de dissociação, exigindo menor
tempo de exposição para que ela ocorra. Isso significa que, para uma dada mistura, existe uma temperatura na qual o tempo de exposição não é mais
significativo no aumento de NO térmico, devido ao
fato de o processo de formação de NO ter atingido
o equilíbrio químico.
Deve ser observado que, para uma dada temperatura de referência, uma nova condição de equilíbrio para formação do NO térmico pode ser
atingida com o aumento do excesso de ar (mistura
pobre), em função da maior presença de oxigênio e
nitrogênio, que podem se dissociar e reagir. Outro
fator importante é o tempo de residência; todavia
para relações de combustível/ar baixas (por volta de
0,4), o tempo de residência não tem influência no
aumento da formação de NO térmico, dada a diminuição da temperatura da chama.
Lefebvre (1995) cita que os pontos-chave
relativos à formação de NO térmico podem ser
resumidos da seguinte forma: a) a formação do NO
térmico é controlada pela temperatura de chama; b)
pequena quantidade de NO térmico é formada com
temperaturas abaixo de 1.850 K; c) para relações de
combustão com mistura pobre (relação combustível/ar < 0,5), NO formado independe do tempo de
residência.
O NO combustível é formado a partir da reação do oxigênio com o nitrogênio contido no combustível durante o processo de combustão. Frações
de nitrogênio podem se encontradas nos combustíveis desde 0,2% em massa, nos destilados leves, até
2% em massa nas frações asfálticas e carvões.
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A oxidação de moléculas de baixo peso molecular que contêm nitrogênio, presente no combustível ou formadas durante a combustão (NH3, HCN,
CN), é muito rápida, ocorrendo em escala de
tempo similar à das outras reações do processo de
combustão. A formação do NO combustível, além
de ser fortemente influenciada pela quantidade de
nitrogênio presente na composição do combustível,
é influenciada pela relação ar/combustível da reação
de combustão. Altas concentrações de NO combustível são obtidas em reações pobres (baixas temperaturas de chama), ou seja, a temperatura tem pouca
influência. Quando a combustão ocorre a baixas
temperaturas, como em reatores de leito fluidizado
(750 a 950ºC), o NO combustível é o mais predominante. O mecanismo de formação do NO combustível pode ser encontrado em Chigier (1981).
Conforme Lefebvre (1983), o mecanismo de
formação do NO combustível parece seguir os
seguintes critérios: a) a conversão do nitrogênio pertencente ao combustível para óxido de nitrogênio
(NO) é praticamente total para condições de
excesso de ar, quando operando com combustível
que possui baixas concentrações de nitrogênio
(menos que 0,5% em massa); b) a conversão
decresce com o acréscimo da concentração de nitrogênio no combustível, especialmente para condições
de mistura rica; c) a conversão aumenta vagarosamente com a elevação da temperatura de chama.
O termo prompt NO ou NO rápido foi apresentado por Fenimore (Chigier, 1981), que o caracterizou pelo rápido aparecimento de NO na frente
de chama, envolvendo mecanismo cinéticos que não
são completamente compreendidos. Uma explicação para a obtenção do NO prompt é baseada na
reação do nitrogênio com radicais hidrocarbônicos
(CH, C etc.), existentes na frente de chama. Conforme Lefebvre (1995), a reação inicial para a formação do NO prompt é iniciada a partir da
formação do HCN, representada pelas equações 5 e
6, ocorrendo reações intermediárias, que formam
compostos como CN, NCO, HNCO; estes por sua
vez são oxidados, formando o NO.
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N2 + CH ⇔ HCN + N
C + N2 ⇔ CN + N
(5)
(6)
Chigier (1981) cita que, ao serem analisados
experimentos realizados com grandes concentrações
de HCN próximo à zona de chama, verificou-se
uma rápida queda da concentração de HCN e uma
rápida formação de NO. Uma das teorias utilizadas
para explicar o ocorrido é a de que na frente de
chama o nitrogênio proveniente do combustível
reage para a formação do NO via HCN. Essa teoria
na realidade junta o mecanismo de formação do NO
combustível com o NO prompt.
Algumas características com relação ao NO
prompt são apresentadas por Chigier (1981): a) a
absoluta dependência da presença de hidrocarbonos
ativos; b) a relativa independência da temperatura,
tipo de combustível ou mistura. Em experiências
realizadas em condições estequiométricas foram
obtidos níveis de NO prompt de 50 a 90 ppm; ao se
alterar a temperatura de 1.900 K para 2.350 K não
houve significativo aumento NO prompt; em compensação, ao se aumentar relação combustível/ar de
0,9 para 2,0 a 1.900 K foi produzido significativo
aumento na produção de NO prompt; c) quando
em baixas temperaturas de chama, um tempo longo
de residência promove a destruição do NO ativo formado a partir de reações desse com hidrocarbonos.
A Formação de NO2
A formação de NO2 próximo à chama é praticamente desprezível se comparada com o NO formado, sendo que parcela do NO2 formado nessa
região se converte em NO. A conversão de NO em
NO2, por sua vez, ocorre nas zonas em que existe
excesso de ar na câmara de combustão, o que caracteriza uma maior estabilidade do NO2 a baixas temperaturas, quando comparado com o NO. A partir
da cinética de reação pode ser prevista a conversão
de NO em NO2. Tomando um exemplo: a 700 K e
para um tempo de 0,1 ms, ocorre rapidamente
25% de conversão; por outro lado, ao se aumentar
a temperatura para 900 K, a conversão é menor que
6%. Existem dúvidas se a conversão de NO para
NO2 ocorre dentro da câmara de combustão ou nas
proximidades da saída da câmara.
17
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CORRELAÇÕES EMPÍRICAS
PARA PREVISÃO DA
FORMAÇÃO DE NOX
A possibilidade de se prever o comportamento térmico e as emissões geradas por uma turbina são importantes, principalmente na fase de
projeto e escolha do sistema a ser utilizado. Existem
duas formas para determinar a quantidade de NOx:
a primeira vem da necessidade de se conhecer os
mecanismos de reação, equações de equilíbrio e as
constantes de velocidade de reação e de se resolver
essas equações por métodos computacionais; outra
forma é desenvolver correlações empíricas a partir
de dados coletados em equipamentos existentes. A
elaboração dos modelos está baseada em três parâmetros: a) tempo de residência na zona de combustão; b) taxa da reação química; c) taxa de mistura. A
partir desses parâmetros podem ser obtidos termos
que relacionam tamanho da câmara de combustão,
perda de carga, proporções dos fluxos envolvidos,
além das condições de entrada, como pressão, temperatura e fluxo de massa.
Seguindo essa metodologia, algumas equações
para previsão de formação de NOX em turbinas a
gás são apresentadas por Lefebvre (1995). A equação (7) foi desenvolvida pelo próprio autor:
NOx = 9 × 10-8 P -1,25 Vc exp (0,001Tst) / mA Tpz (7)
onde: Vc é volume da combustão (m3), P é a
pressão da combustão (kPa), Tst é a temperatura da
chama (K), Tpz é a temperatura média da câmara da
chama (K), e mA é fluxo de massa de ar (kg/s); o
resultado obtido é dado em gramas de NOx por
quilo de combustível (g/kg de combustível). Conforme o autor, esta equação oferece boa previsão da
determinação de NOx em câmaras de combustão
do tipo “spray”.
Outros autores, como Odgers & Krestchmer,
Lewis & Rokk (In: Lefrevre, 1995), apresentam
também correlações empíricas, apresentadas nas
equações 8, 9 e 10.
NOx = 29 exp – (21.670/T) P0,66 × [ 1 – exp -(250 t) ] (8)
onde: P é a pressão da câmara de combustão
(Pa), T é a temperatura da chama (K), e t é o tempo
18
de formação do NOx (ms), sendo atribuído 0,8 ms
para “airblast atomizers”, 1,0 ms para “pressure atomizers”, 1,5 a 2,0 ms para turbinas industriais queimando combustível líquido; o resultado obtido é
dado em gramas de NOx por quilo de combustível
(g/kg de combustível).
NOx = 3,3192 × 10-6 exp (0,0079776 Τ) P0,5
(9)
onde: P é a pressão da câmara de combustão
(atm), T é a temperatura da chama (K), o resultado
obtido é dado partes por milhão em volume
(ppmv). Esta equação se aplica em câmaras de combustão de turbinas aeroderivativas e não é recomendada para turbinas industriais.
NOx = 18.1 P1,42 mA0,3 q0,72
(10)
onde: P é a pressão da câmara de combustão
(atm), mA é fluxo de massa de ar (kg/s), e q é a relação combustível/ar; o resultado obtido é dado em
ppm. Essa correlação tem boa aproximação para
turbinas utilizando gás na faixa de 1,5 a 34MW.
TECNOLOGIAS PARA A
REDUÇÃO DE EMISSÕES
DE NOx
As soluções para a redução do nível de emissões de NOx em turbinas a gás podem ser variadas:
injeção de água líquida ou vapor, uso de câmaras de
combustão como baixa emissão de NOx, ou tratamento dos gases de combustão, dependendo a escolha final de sua viabilidade técnica e econômica.
Em geral, tecnologias que tendem a diminuir
as emissões de NOx atuam de forma desfavorável
quanto às emissões de monóxido de carbono (CO)
e de hidrocarbonetos não queimados (UHC). A
figura 2 mostra os problemas que podem ocorrer a
partir da escolha de temperaturas muito baixas para
a zona primária de uma câmara de combustão:
abaixo de 1.600 K, embora as emissões de NOx
sejam baixas, ocorre um aumento nas emissões de
monóxido de carbono (CO). De forma inversa,
acima de 1.800 K o nível de CO seria reduzido, mas
os níveis de emissões de NOx seriam altos.
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Fig. 2. Influência da temperatura da zona primária nas
emissões de NOx e CO (Chigier, 1981).
Injeção de Água ou Vapor na
Câmara de Combustão
A injeção de água líquida ou vapor na câmara
de combustão diminui substancialmente a temperatura de chama na zona primária, conseguindo baixos níveis de emissões de NOx, além de um
aumento de trabalho máximo fornecido pela turbina em função do aumento do fluxo de massa. Proporções usuais de injeção de água líquida estão por
volta de 50% do fluxo de combustível e na faixa de
100 a 200% do fluxo de combustível para a injeção
de vapor.
As desvantagens desse tipo de sistema são: a)
no caso de injeção de água líquida, há necessidade
de se usar água desmineralizada e em quantidade
substancial; b) no caso da injeção de vapor, além da
vazão necessária, o gerador de vapor deve ter pressão compatível com a pressão da câmara de combustão da turbina; c) pode ocorrer aumento do
nível de emissões de monóxido de carbono e de
hidrocarbonetos; d) pode haver oscilações da
chama, no caso de injeção de água na fase líquida; e)
há redução no rendimento térmico da turbina sempre que se usa injeção de água na fase líquida.
Na tabela 2 são apresentados níveis de emissões alcançados de NOx em função da quantidade
de água líquida ou vapor adicionada na câmara de
combustão, e sua influência no aumento da potência e da eficiência da turbina.
REVISTA DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA • 15 – pp. 13-22
Câmara de Combustão
de Geometria Variável
Esse tipo de configuração de câmara de combustão não é nova e possui muitas variantes. Sua utilização em turbinas aeronáuticas é justificada por ser
um dos meios de reacendimento em vôo. Esse tipo
de câmara não era bem aceito pelos projetistas de
turbinas estacionárias em razão das complexidades
mecânicas envolvidas. Porém, com a necessidade da
redução de emissões, tal tecnologia passou a ser utilizada também em turbinas industriais.
O sistema de variação da geometria modula a
quantidade de ar necessário de diluição, mantendo a
temperatura da zona primária próxima às condições
de baixa formação de NO. Quando a turbina trabalha em baixa carga, existe um sistema que desvia
parte do ar para a zona de mistura, mantendo a
chama controlada. A desvantagem desse sistema
reside na complexidade do seu controle, que tende a
aumentar custo e peso, bem como reduzir a confiabilidade da operação.
Câmara de Combustão em Estágios
Esse tipo de sistema é utilizado por vários fabricantes, nele encontrando-se valores de emissões de
NOx inferiores a 25 ppmv (base 15% oxigênio) e
sem a injeção de água ou vapor. O conceito da combustão em estágios é promover uma distribuição uniforme do fluxo de ar na câmara, alternando o fluxo
de combustível para manter a temperatura de combustão constante e em valores adequados a baixas
emissões. Um meio de se fazer à injeção de combustível seletiva pode ser pela combinação de injetores de
combustível em uma coroa circular, conseguindo-se
temperatura da combustão localizada e divida. A desvantagem desse sistema é o resfriamento de reações
químicas que acontecem nas extremidades das zonas
de combustão, o que pode ocasionar baixa eficiência
e aumento na formação de CO e UHC.
Em uma típica combustão por estágio, uma
relação combustível/ar ao redor de 0.8 no primeiro
estágio é usada para alcançar eficiência de combustão alta, baixa emissão de CO e UHC. Já em condições de plena carga, a zona de chama e de mistura
são mantidas com uma relação combustível/ar ao
redor de 0.6 para minimizar as emissões de óxido
nítrico e fumaça.
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Tab. 2. Emissões NOx em função da quantidade de água injetada (Schorr, 1991).
EM MASSA
NÍVEL DE NOX (PPMVD) COMBUSTÍVEL PÁROPORÇÃO
POTÊNCIA DE SAÍDA
GUA / COMBUSTÍVEL
75
42
42
25
25
Óleo leve
Gás natural
Gás natural
Gás natural
Gás natural
50% (líquida)
100% (vapor)
140% (vapor)
120% (líquida)
130% (vapor)
Turbinas a gás aeronáuticas costumam empregar sistemas radiais ou paralelos de injeção de ar,
quando em câmaras anulares. Para as turbinas
industriais o sistema utilizado pode ser do tipo série
ou axial, em que uma porção do combustível é injetada em uma zona de combustão primária (piloto) e
a jusante, em uma zona de combustão principal que
opera a baixas relações de combustível/ar, minimizando a formação de fumaça e NOx. Uma das vantagens desse tipo de sistema é o fato de o fluxo de
gás quente da zona piloto assegurar alta eficiência de
combustão, até mesmo a baixas relações de combustível/ar, além do bom perfil de temperatura
radial na saída da câmara. Sua principal desvantagem é a dificuldade de realização da adaptação em
algumas turbinas, devido principalmente à adaptação dos injetores de combustível para as duas fases
de combustão.
Câmara de Combustão
Dry Low NOx Combustor
O termo “dry low" é usado para indicar a
câmara de combustão capaz de alcançar baixas
emissões de NOx sem a necessidade da injeção de
água ou vapor, através de uma estratégia centrada
na mistura prévia entre o combustível e o ar (premix). A rigor, as câmaras de combustão em estágios
descritos anteriormente poderiam ser também
enquadradas como “dry-low-NOx”.
As avaliações realizadas pela Solar Turbines
(Lefebvre, 1995) indicam baixos níveis de NOx, ao
redor de 12 ppm a 6 bar e 20 ppm a 9 bar, com o
CO abaixo de 50 ppm. Tais níveis de concentrações
são atingidos a partir da boa mistura do ar com o
combustível e em condições operacionais restritas.
Para produzir uma câmara de combustão de
baixa emissão em uma versão industrial da turbina
Rolls Royce RB 211, o combustor anular foi substi-
20
Aumento de 3 %
Aumento de 5 %
Aumento de 5 %
Aumento de 6 %
Aumento de 5.5 %
EFICIÊNCIA
Aumento de 1,8 %
Aumento de 3,0 %
Aumento de 2,0 %
Aumento de 4,0 %
Aumento de 3,0 %
tuído por nove combustores que realizam uma mistura prévia entre o ar e o combustível. Testes
realizados com pressões de no mínimo 20 atm
demonstraram a habilidade desta câmara para
alcançar simultaneamente baixo NOx e CO em
grande faixa de temperatura sem recorrer a geometria variável ou extração de ar.
A Asea Brown Boveri desenvolveu um
módulo “Premix Cônical Burner” (queimador
“EV”) que oferece bom potencial para baixas emissões em uma larga faixa de trabalho. Uma característica importante desse queimador é a estabilização
de chama no espaço livre perto da sua saída,
podendo utilizar combustíveis gasosos e líquidos em
conjunto. Uma combinação de escoamento do ar e
injeção tangencial de combustível proporciona uma
boa mistura antes da região de chama. Valores de
NOx abaixo de 12 ppmv são obtidos, mantendo
baixa emissão de CO e UHC.
Câmara de Combustão Lean
Premix-Prevaporize Combustion
Esse conceito de câmara é freqüentemente
usado quando se requer níveis muito baixos de emissão utilizando combustíveis líquidos. O combustível
é injetado de forma atomizada no fluxo de ar em alta
velocidade e direcionado para a zona de combustão.
O objetivo desse tipo de projeto é obter a completa
evaporação e a melhor mistura possível do combustível e do ar, evitando-se a formação de gotas, além
de se ter uma mistura com excesso de ar que reduz as
emissões de NOx. Os problemas dessa tecnologia
incluem a vaporização incompleta da mistura, risco
de auto-ignição, possibilidade de retrocesso da mistura e dificuldade de acendimento. Alguns desse problemas são resolvidos com a inclusão de sistema de
combustão por estágio ou geometria variável. Conforme Lefebvre (1995), o “lean premix” tem consi-
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derável potencial, obtendo-se valores de emissões de
NOx inferiores a 10 ppm, com temperatura de
chama de 2.000 K, mas os problemas de mistura e
auto-ignição ainda são presentes.
Redução Catalítica Seletiva
A Redução Catalítica Seletiva (RCS) é uma
forma de tratamento dos gases de combustão na
saída da turbina. Trata-se de um processo baseado
na grande afinidade da amônia (NH3) com o NOx:
a amônia é injetada de forma controlada (devido ao
seu poder corrosivo) nos gases de combustão antes
da entrada no conversor catalítico, local onde se
converte seletivamente o NOx em N2 e água. São
usados como catalisadores o pentóxido de vanádio
(V2O5) ou óxido de titânio (TiO2), devendo o processo ocorrer dentro de uma faixa de temperatura
de 285 a 400ºC, o que limita o seu uso em ciclos
que possuam sistema de recuperação de energia dos
gases de combustão. Outro problema é o controle
da injeção de amônia, que não pode ser arrastada
com os gases de combustão (a emissão de amônia é
ainda pior que a de NOx). Com essa tecnologia é
possível atingir níveis extremamente baixos de emissões de NOx. Cohen (1996) cita que se consegue
valores inferiores a 10 ppmvd.
A National Aeronautics and Space Administration (NASA), visando eliminar NOx proveniente
dos propulsores das naves espaciais, desenvolveu
um sistema de conversão de óxidos de nitrogênio
em nitrato de potássio, matéria-prima utilizada na
fabricação de fertilizantes.
O sistema é composto de um reservatório
que possui uma solução “scrubber” (limpadora),
bombeada no topo de uma coluna que absorve dos
gases o NOx presente, convertendo-o em ácido
nítrico e nitroso, e fluindo junto com a solução para
o reservatório. Um sistema controla a adição de
peróxido de hidrogênio, que assegura somente a
existência de ácidos nítrico e nitroso no tanque.
Existe outro sistema que mantém o pH entre 5.0 e
9.0 a partir da adição de hidróxido de potássio, que,
ao reagir com o ácido de nítrico, forma o nitrato de
potássio. Esse nitrato de potássio aquoso pode ser
removido a qualquer momento do reservatório,
enquanto a concentração se aproxima do limite de
solubilidade de 18%. Esse projeto ainda não foi
fabricado em escala industrial, mas pode ser mais
uma tecnologia a ser adotada para a diminuição das
emissões de NOx e ainda com possibilidade de produzir fertilizante (National Aeronautics Space Administration, 1998).
CONSIDERAÇÕES FINAIS
E CONCLUSÕES
A formação de NOx em turbinas a gás está
ligada ao próprio processo de combustão. Os mecanismos de formação de NOx indicam a influência
da temperatura na zona primária, da pressão de
operação da câmara, das concentrações de oxigênio
e nitrogênio e da presença de nitrogênio na composição química do combustível. Assim, as tecnologias
existentes de redução de formação de NOx utilizam-se desses parâmetros para conseguir obter uma
diminuição das emissões.
Atualmente existem tecnologias que atuam
preventivamente sobre a formação de NOx, especialmente através de novas concepções de projeto de
câmaras de combustão. A alternativa de redução catalítica do NOx deve ser evitada sempre que possível,
dado que o emprego de amônia para tal finalidade
aumenta os custos e pode ser inconveniente se mal
controlada (emissão de amônia para o ambiente).
Antes da elaboração de projetos e da instalação
de sistemas de potência ou de co-geração empregando turbinas a gás, unicamente preocupados com
a maior eficiência, é necessário que se avalie que tipo
de câmara de combustão está sendo fornecido e se
compare os níveis de emissão, para cada condição de
operação, com padrões internacionalmente aceitos.
Do ponto de vista legal, é urgente que sejam
instituídos limites de emissões de NOx na legislação
brasileira, bem como instrumentos que operacionalizem seu controle. Esse tipo de medida certamente
incentiva a busca de sistemas mais eficientes do
ponto de vista térmico e ambiental.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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