De um modo geral, os processos térmicos de tratamento dos RSU podem ser definidos como correspondendo à conversão, por acção térmica controlada, de uma massa sólida de materiais (resíduos) num conjunto de gases, líquidos e sólidos, com a concomitante libertação de energia térmica. Segundo White et al. (1995), os três principais objectivos da incineração de RSU são os seguintes:
a) Redução do volume e do peso dos RSU – A incineração permite obter uma redução do volume e do peso dos RSU, que pode atingir os valores de 90% e 70%, respectivamente, do volume e do peso iniciais;
b) Recuperação de energia – A combustão dos RSU conduz à libertação de energia que, nas unidades de incineração mais modernas, é recuperada e utilizada sob a forma de energia térmica, energia eléctrica ou conjugada. A energia eléctrica é produzida em quantitativos que excedem largamente as necessidades endógenas das centrais de incineração, pelo que o excesso é habitualmente exportado para o exterior do sistema, permitindo reduzir os custos de exploração das centrais;
c) Estabilização dos RSU – Uma fracção significativa dos produtos finais da incineração dos RSU, designada por escórias ou cinzas de fundo, são quimicamente mais estáveis do que os RSU que estão na sua origem.
No que concerne à fracção das cinzas volantes, uma parte considerável dos poluentes, originalmente presentes nos RSU, são transferidos para estas cinzas. Esta fracção, embora seja menos importante do que as escórias, sob o ponto de vista quantitativo, é, de um modo geral, quimicamente menos estável e apresenta uma maior reactividade com os compartimentos ambientais. Estas cinzas emitem importantes quantitativos de sais de elementos alcalinos, alcalino-terrosos e metálicos, por processos de lixiviação, caso não se proceda à sua estabilização química antes da deposição em aterro.
A fracção de cinzas relativa às escórias pode também apresentar características tóxicas e ecotóxicas para os compartimentos ambientais. Embora os níveis de toxicidade sejam tendencialmente inferiores aos das cinzas volantes, a estabilização química desta fracção de cinzas constitui também um passo importante previamente à sua deposição em aterro ou eventual valorização. É importante salientar, contudo, que o nível de complexidade da estabilização química das cinzas volantes é superior ao requerido para as escórias, pelo que os custos envolvidos são, também, tendencialmente superiores para aquela fracção.
Os processos térmicos de tratamento de resíduos são habitualmente agrupados em função da disponibilidade de oxigénio para o processo de combustão:
a) Processos de combustão estequiométrica – Os processos térmicos incluídos neste grupo caracterizam-se pelo decurso da combustão num ambiente com um teor de oxigénio igual ao necessário para que esta seja completa (teor estequiométrico de oxigénio);
b) Processos de combustão com excesso de ar – Nestes processos térmicos, a combustão dos resíduos decorre num ambiente com um excesso de ar, para além do que é estritamente necessário para assegurar uma combustão completa;
c) Processos de gasificação – Nos processos de gasificação, os resíduos sólidos são submetidos a uma combustão parcial, num ambiente com um teor de oxigénio inferior ao teor estequiométrico. Estas condições geram a formação de gases com elevado poder energético, constituídos por diversos hidrocarbonetos, para além de monóxido de carbono e hidrogénio;
d) Processos de pirólise – Nos processos de pirólise, a massa de resíduos é submetida a combustão num ambiente com ausência total de oxigénio. As três fracções principais, obtidas nos processos de pirólise, são: i) uma fracção gasosa, contendo hidrogénio, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono e outros gases, cuja composição depende da constituição inicial dos resíduos submetidos a pirólise; ii) uma fracção líquida, de elevada viscosidade, designada por alcatrão, constituída, essencialmente, por ácido acético, acetona, metanol e um complexo de hidrocarbonetos presentes em menor proporção; iii) uma fracção sólida, designada por carvão, constituída por carbono quase puro e substâncias inertes originalmente presentes nos resíduos submetidos a pirólise. Estas três fracções podem ser submetidas a processos de valorização.
e) Processos de pirólise por plasma com vitrificação (PP/V) – Como referem Camacho (1988, 1991, 2001) e Circeo (2001), aos processos anteriormente referidos dever-se-á juntar o grupo das tecnologias de pirólise por tocha de plasma. Estes processos, embora sendo realizados em condições de ausência de oxigénio, não devem, contudo, ser incorporados no grupo dos processos de pirólise, uma vez que as condições de combustão são consideravelmente diferentes das daqueles processos.
A tocha de plasma é um dispositivo que converte a energia eléctrica em energia térmica (Camacho, 1988, 1991), através de um gás ionizado que é condicionado para responder a forças electromagnéticas. O arco de plasma é originado quando uma diferença de potencial eléctrico é estabelecido entre dois pontos do sistema PP/V. O arco de plasma actua como o elemento de aquecimento e pode atingir uma temperatura de 12000ºC (Circeo e Mayne, 1994). Este elemento de aquecimento tem uma vantagem significativa, relativamente aos elementos sólidos de aquecimento: sendo um gás, o arco de plasma não sofre fusão como sucede com os materiais sólidos, pelo que a possibilidade de falha do sistema é inferior à dos sistemas convencionais. Para além disso, o arco de plasma gera uma chama cujas temperaturas médias variam entre 4000ºC e 7000ºC, o que corresponde a valores 5 a 7 vezes superiores aos sistemas mais modernos de combustão em massa (Circeo, 2001; Lapa et al., 2001a; Oliveira et al., 2001; Lapa et al., 2002a).
Os processos de combustão estequiométrica correspondem apenas a uma situação teórica, que apenas é útil para a determinação do quantitativo de oxigénio necessário para a concretização da combustão completa. Em termos reais, os sistemas de combustão que não se incluem no grupo dos sistemas de gasificação, de pirólise ou de pirólise por plasma, funcionam em situação de combustão com excesso de ar, uma vez que a adição estequiométrica de oxigénio
é, em condições reais, muito difícil de se concretizar, atendendo à variabilidade registada na composição dos RSU que afluem às centrais de incineração. De acordo com Tchobanoglous
et al. (1993), este grupo de sistemas inclui as tecnologias de combustão em massa, algumas
tecnologias de incineração em leito fluidizado e os sistemas de combustão de resíduos previamente preparados para incineração (sistemas de incineração de resíduos RDF, “refuse- derived fuel”).
Considerando que o presente trabalho foi desenvolvido com base na valorização de escórias provenientes de sistemas de combustão em massa, em condições de excesso de ar, apenas estes sistemas serão considerados relevantes para as discussões apresentadas nos capítulos seguintes desta dissertação.
A variabilidade registada na composição dos RSU, que afluem a uma central de incineração em massa, torna impossível a concretização da combustão estequiométrica dos resíduos. Em termos práticos, a incineração dos RSU ocorre em condições de combustão com excesso de ar, o qual é utilizado não apenas na oxidação, em especial, do carbono, do hidrogénio e do enxofre, mas também na promoção da turbulência da massa de resíduos, facilitando, assim, a distribuição do oxigénio pela massa de materiais contidos no interior da câmara de combustão.
É também importante referir que o aumento da percentagem do excesso de ar, injectado na câmara de combustão, promove o aumento do teor de oxigénio nos gases de exaustão e a diminuição da temperatura no interior da câmara. Assim, o ar de combustão é também utilizado para controlar a temperatura da combustão no interior da câmara.
Tal como será indicado no sub-capítulo 2.4.4, o controlo da temperatura é um aspecto fundamental no adequado funcionamento de uma central de incineração de RSU. De acordo com Tchobanoglous et al. (1993), para temperaturas inferiores a 1450ºF ( 788ºC), a combustão da componente orgânica dos RSU é incompleta, conduzindo à libertação de substâncias voláteis caracterizadas por maus odores. Para além disso, estes autores referem ainda que a combustão dos RSU, a temperaturas superiores a 1800ºF (≅ 982ºC), reduz consideravelmente a formação e a emissão de dioxinas, furanos, compostos orgânicos voláteis (VOC) e outros compostos orgânicos potencialmente tóxicos. Actualmente, ao nível da UE, a Directiva 2000/76/CE impõe uma temperatura de 850ºC, como sendo o valor mínimo que os gases de combustão devem atingir, no interior da câmara de combustão.
A combustão dos RSU origina a libertação de calor, ficando uma parte retida nos produtos sólidos da combustão e sendo a outra parte emitida com os gases resultantes da combustão. As modernas centrais de incineração de RSU utilizam sistemas de recuperação do calor libertado, para produção de água aquecida e/ou vapor de água. A recuperação do calor é realizada recorrendo a um dos ou a ambos os sistemas seguintes:
a) Câmaras de água, localizadas nas paredes internas da câmara de combustão, para produção de vapor de água e água aquecida;
b) Caldeiras, para produção de vapor de água, associadas a uma turbina de vapor e a um gerador eléctrico, para produção de energia eléctrica. Estes sistemas localizam-se exteriormente à câmara de combustão, sendo esta revestida por material refractário isolante, que permite reduzir as perdas de calor através das suas paredes.
Os sub-produtos acima referidos, água aquecida e vapor de água, permitem reduzir os custos de operação da unidade, bem como dos sistemas de tratamento dos gases de exaustão. A água aquecida é habitualmente utilizada para o aquecimento de edifícios ou para outros processos industriais que necessitem de água a temperatura moderada. O vapor de água é mais versátil, podendo ser utilizado no aquecimento e também na produção de energia eléctrica, através de um sistema combinado caldeira/turbina de vapor/gerador eléctrico.
Os principais elementos químicos que entram na composição dos RSU são o carbono (C), o hidrogénio (H), o oxigénio (O), o azoto (N) e o enxofre (S). Para além destes elementos, estão também presentes outros, em menor proporção, como, por exemplo, o cloro (Cl), o flúor (F) e metais pesados. Sob o ponto de vista teórico, apenas o C, o H e o S estão envolvidos no consumo de oxigénio na câmara de combustão. Assim, sob condições de combustão estequiométrica, os produtos gasosos resultantes da incineração de RSU incluem o dióxido de carbono (CO2), o vapor de água (H2O, vapor) e o dióxido de enxofre (SO2). A formação destes gases é explicada por três reacções químicas simples de oxidação do C, do H e do S (Tchobanoglous et al., 1993), as quais se apresentam em seguida. Relativamente ao N, este elemento não participa, teoricamente, no consumo de oxigénio, sendo emitido sob a forma gasosa de azoto molecular (N2).
2 2 CO O C+ → (2.1) O 2H O 2H2+ 2 → 2 (2.2)
2
2 SO
O
S+ → (2.3)
Em termos reais, a incineração dos RSU envolve um conjunto de reacções possíveis que vão muito para além das equações (2.1), (2.2) e (2.3). Estas dependem das condições de combustão no interior da câmara, nomeadamente, da temperatura, da turbulência e do tempo de residência, assim como da composição dos resíduos submetidos a incineração. Lopes (2002) apresenta uma equação geral, para traduzir a combustão de um material orgânico, mais completa do que as referidas anteriormente. Nessa equação admite-se uma maior complexidade na composição química desse material, bem como a formação de dióxido de enxofre (SO2), ácido clorídrico (HCl) e cinzas (volantes e escórias), com a consequente libertação de energia térmica. A equação referida é a seguinte:
(
)
(
)
H O sSO bHCl Cinzas energia2 b h cCO O s o 2 1 4 b h c M S Cl O H Cc h o b s +⎢⎣⎡ + − − + ⎤⎥⎦ 2→ 2+⎢⎣⎡ − ⎤⎥⎦ 2 + 2+ + + (2.4)
Nesta equação, M representa a matéria mineral que não participa nas reacções de oxidação, dando origem a cinzas volantes e escórias.
Diversos trabalhos de investigação (Seeker et al., 1987; Guest e Knizek, 1991; Licata et al., 1994; Heath, 1995; Baldasano e Cremades, 1995; Lopes, 2002; Lopes et al., 2003) permitiram identificar outros compostos, para além dos indicados nas equações químicas anteriores, presentes nos gases de exaustão das centrais de incineração de RSU. Os compostos químicos que têm obrigado a um maior investimento nas tecnologias de controlo das emissões gasosas, quer seja pelos quantitativos produzidos, quer pela toxicidade que lhes está associada, são os seguintes (OAQPS, 1993):
a) Óxidos de azoto (NOx) – O óxido de azoto (NO) é o composto dominante no conjunto dos óxidos de azoto. Contudo, o dióxido de azoto (NO2) e o óxido nitroso (N2O) podem
também ser detectados neste grupo de compostos.
A formação destes gases está relacionada com o elevado conteúdo em azoto dos resíduos submetidos a incineração, com o excesso de oxigénio no ar de combustão e com a flutuação da temperatura dos gases de combustão, no interior da câmara (Gulyurtlu, 1995). De acordo com Cabrita (1981), a formação de NO térmico, a partir do N2 do ar de
A prevenção da sua formação é realizada, nalgumas centrais, através da recirculação de uma fracção dos gases de exaustão arrefecidos, que são misturados com o ar de combustão, com o objectivo de reduzir o teor de O2 no ar injectado na câmara de
combustão. Na maioria das centrais, o controlo da temperatura dos gases de combustão, dentro de um intervalo suficientemente estreito, constitui a metodologia mais utilizada para controlar a formação destes compostos. Todavia, esta metodologia não é muito eficaz, uma vez que os resultados obtidos dependem significativamente do conteúdo em azoto dos RSU submetidos a incineração.
Seeker et al. (1991) referem a possibilidade de controlo da emissão destes gases, através da combustão dos gases resultantes da incineração dos RSU, por recurso ao gás natural como fonte energética adicional.
Para além destas técnicas de controlo directo do processo de combustão, existem duas tecnologias de controlo das emissões de NOx na fase de post-combustão, as quais se
designam por redução catalítica selectiva (SCR) e redução não catalítica selectiva (SNCR) (Hurst e White, 1986; Hartenstein e Licata, 1996; Chandler et al., 1997). Nestes processos, os óxidos de azoto são reduzidos a N2 através da adição de amoníaco (NH3).
No caso do processo SNCR, a adição de NH3 é realizada no interior da câmara de
combustão, à temperatura dos gases de combustão, enquanto que no processo SCR esta adição é realizada a temperaturas inferiores (entre 530ºF≅ 277ºC a 800ºF ≅ 427ºC) (Tchobanoglous et al., 1993). Neste último processo, a utilização de temperaturas inferiores obriga à utilização de um catalisador químico, o qual apresenta normalmente uma elevada sensibilidade relativamente à contaminação por cinzas volantes;
b) Monóxido de carbono (CO) – A produção e a emissão de CO nos gases de exaustão de uma central de incineração de RSU resulta da combustão incompleta dos materiais orgânicos, o que conduz à oxidação incompleta do CO formado.
O processo de combustão é, em geral, dividido em duas fases principais. Na primeira fase, a qual decorre ao nível da massa de resíduos em combustão, uma fracção dos materiais orgânicos são oxidados a CO2 e CO, sendo a fracção restante convertida a
hidrocarbonetos. Durante esta fase, ocorre também uma libertação significativa de hidrogénio molecular (H2). Na segunda fase da combustão, a qual decorre ainda no
interior da câmara de combustão, mas num nível superior à massa de resíduos em combustão, uma quantidade de oxigénio adicional reage com o CO, com os
hidrocarbonetos e com o H2, originando a formação de CO2 e H2O. Esta segunda fase é
afectada pela disponibilidade de oxigénio na câmara de combustão.
A presença de ar em quantitativos excessivos pode provocar a diminuição da temperatura da câmara e retardar as reacções de oxidação, originando a libertação de CO e hidrocarbonetos. Estes últimos podem, posteriormente, reagir com halogéneos, nomeadamente, o cloro (Cl), dando origem à formação de dibenzo-p-dioxinas policloradas (PCDD) e dibenzofuranos policlorados (PCDF).
A deficiência de ar na câmara de combustão tem os mesmos efeitos, embora, neste caso, a causa seja a limitação das reacções de oxidação pela ausência de um reagente, o oxigénio.
A relação existente entre teores elevados de CO e de PCDD/PCDF, nos gases de exaustão, constitui a razão de base para o uso do CO como um parâmetro de controlo contínuo da eficiência do funcionamento das centrais de incineração de resíduos (OAQPS, 1993; Tchobanoglous et al., 1993).
O controlo das emissões de CO é realizado através do controlo directo dos parâmetros de funcionamento da câmara de combustão, nomeadamente, do nível de mistura dos resíduos com o ar de combustão, da temperatura no interior da câmara de combustão, do teor de oxigénio (Chandler et al., 1997), bem como da alimentação da câmara de combustão (OAQPS, 1993; Tchobanoglous et al., 1993);
c) Gases acidificantes (HCl, SO2, HF, HBr e SO3) – Os dois principais gases acidificantes, que são libertados em processos de combustão não controlados, são o HCl e o SO2. A
importância do controlo destes dois gases, nas emissões gasosas das centrais de incineração de RSU, relaciona-se, por um lado, com o facto de serem formados em maiores quantitativos do que o ácido fluorídrico (HF), o ácido bromídrico (HBr) ou o trióxido de enxofre (SO3), e, por outro, por causarem a acidificação da chuva e da neve e
por serem responsáveis por doenças do foro respiratório.
Embora tenham sido referidos separadamente a estes gases, os NOx são também
reconhecidos, por alguns autores, como podendo participar na formação de chuvas e nevoeiros ácidos. Todavia, os efeitos dos NOx estendem-se, também, à formação de ozono
É actualmente reconhecido que a libertação de HCl, SO2, HF, HBr e SO3 é independente
dos parâmetros de funcionamento da câmara de combustão, mas depende directamente dos teores e da forma química dos elementos Cl, S, F e Br presentes nos resíduos submetidos a incineração. Deste conjunto de elementos, o Cl e o S são os mais significativos nos RSU, embora seja também frequente o aparecimento de F.
A fonte principal de Cl, nos RSU, são o papel e o conjunto de materiais vulgarmente designados por plásticos, os quais incluem o cloreto de polivinil (PVC), o poliestireno (PS), o polietileno (PE) e o polipropileno (PP). Ao contrário do Cl, as fontes de S e de F, nos RSU, são muito diversificadas, não sendo possível atribuir a sua origem a um conjunto específico de resíduos. Deste modo, o controlo da emissão destes gases só pode ser efectuado na fase de post-combustão, pela adição de agentes químicos neutralizantes.
Estes agentes podem ser adicionados por via húmida ou seca, existindo, assim, dois grupos básicos de sistemas de controlo das emissões acidificantes: i) os sistemas húmidos, em que os gases de exaustão ficam saturados com água; e ii) os sistemas secos, em que os gases de exaustão não atingem o ponto de saturação com água. Estes sistemas não serão discutidos, neste trabalho, com mais pormenor, uma vez que os materiais resultantes destes sistemas de controlo das emissões acidificantes não constituíram objecto do estudo de valorização aqui apresentado;
d) Cinzas volantes (vulgarmente designadas por poeiras) – De acordo com os dados obtidos pela USEPA, em 1987, em centrais de combustão de RSU, os quantitativos de cinzas volantes, que são emitidos a partir da câmara de combustão, dependem da composição dos RSU em materiais inertes, da temperatura da câmara, dos níveis de injecção de ar sob e sobre a grelha e da circulação dos gases na câmara e na caldeira de recuperação de calor.
O aumento da massa de materiais inertes, nos RSU submetidos a incineração, conduz, geralmente, ao aumento das cinzas volantes emitidas a partir da câmara de combustão. Todavia, esta emissão é mais acentuada quando a razão entre o ar injectado sob os resíduos e o ar injectado na zona de combustão (zona localizada sobre a massa de resíduos em incineração) é elevada e/ou quando a temperatura no interior da câmara de combustão não é suficientemente elevada para promover a combustão completa das cinzas volantes emitidas pela massa de resíduos.
A existência de caldeiras com passagens múltiplas dos gases de exaustão, no seu interior, que obriguem a diversas deflexões do fluxo dos gases, facilita a remoção de uma percentagem significativa de cinzas volantes, a montante do sistema de controlo de poeiras.
Apesar destes parâmetros de dimensionamento e funcionamento da câmara de combustão e da caldeira de recuperação de calor serem determinantes no quantitativo de cinzas volantes emitidas pelo sistema conjunto câmara/caldeira, o controlo mais efectivo realiza- se na fase de post-combustão, através de três tipos principais de sistemas: ciclones, filtros de manga e precipitadores electrostáticos (P/E).
O controlo das emissões das cinzas volantes, nos gases de exaustão das centrais de incineração de RSU, é um factor determinante na protecção da saúde pública, de bens materiais e do ambiente. A designação “cinzas volantes” inclui um vasto grupo de partículas em suspensão nos gases de exaustão, desde partículas com dimensão inferior a 1 µm até partículas com dimensão igual a 1000 µm. Sob o ponto de vista da saúde pública, as partículas com dimensão inferior a 10 µm são as que apresentam um maior risco de inalação e de penetração nos pulmões, sendo susceptíveis de provocarem doenças pulmonares agudas e crónicas. Todavia, sob o ponto de vista ambiental e de protecção de bens materiais, todas as partículas de dimensões <1000 µm são susceptíveis de participarem na formação de nevoeiros secos e, conjuntamente com os gases acidificantes, na corrosão de materiais metálicos ou rochosos;
e) Formas gasosas de metais e/ou aerossóis contendo metais (Cd, Pb, Hg, As, Ni, Cr, entre outros) – Os metais estão presentes em diversos constituintes dos RSU, incluindo,