Poluição atmosférica

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Prova – Engenharia do Meio Ambiente
1) O diagrama de blocos apresentado na Figura 1, representa um esquema de rotas alternativas de controle e reaproveitamento de uma indústria atuando nos poluentes atmosféricos gerados durante a combustão na caldeira. Sabe-se que a caldeira (Bloco 1) opera a T=1200ºC, os gases saem com vazões maiores que 106 m3/hora e utiliza carvão como combustível (teor S >2%). Responda os itens (a) e (b) baseado no diagrama.
a) A partir do Bloco 1, defina a melhor rota econômica e eficiente (A, B ou C) e explique sua escolha detalhadamente (escreva todas as reações químicas quando houver).
	O combustível carvão gera muito material particulado, SOx e NOx, como o processo ocorre em alta temperatura, passa a gerar também partículas inaláveis. Como o teor de enxofre é superior a 2%, é recomentado o FGD úmido, reaproveitando SOx (transforma em gesso), então usa-se o lavador Venturi para abater os gases e vapores, conforme mostrado nas reações abaixo. Ciclone é recomendado para partículas grandes, como no processo gera em sua maioria material particulado, filtro e precipitador eletrostático já basta para pegar tais partículas de até 10 micra. Porém, filtro opera em baixa temperatura e como o processo ocorre em alta temperatura, a rota A é a mais adequada para o processo. 
b) A empresa precisou mudar a temperatura de operação da caldeira (bloco1) para 400ºC e irá substituir o combustível com baixo teor de enxofre (S=1,0%). A rota será a mesma escolhida no item a) ? Explique sua escolha detalhadamente (escreva todas as reações químicas quando houver)
	Ao mudar a temperatura da caldeira para uma temperatura baixa, ela passa a gerar tudo, então o ciclone passa a ser interessante para o abatemento das partículas grandes geradas. Filtro continua sendo idequado, pois PTS não pode entrar. E pelo combustível apresentar baixo percentual de enxofre, não é economicamente interessante aproveitá-lo, então apenas se abate SOx pelo processo FGD seco/semi seco, conforme as reações abaixo. Dessa forma, a mais adequada seria a rota C.
2) Uma Indústria de vidro utiliza as rotas de controle da poluição do ar descritas na Figura
2. No ponto (A) existe um trocador de calor e a temperatura diminui para 400ºC. Sabe- se que a temperatura dos gases que saem da caldeira é de 1800ºC. Responda os itens (a),
(b) e (c) baseado na Figura 2.
Figura 2 – Esquema de tratamento e abatimento de poluentes.
a) Quais são os poluentes abatidos/controlados nos pontos (1), (2) e (3). Explique os processos e equipamentos se ocorrerem. Sabe-se que no ponto (1) o reagente empregado possui cerca de 90% de cal hidratada seca.
	Ponto 1 é um reator seco e semi seco o qual abate SOx, o neutralizando e formando CaSO3. O processo que ocorre é o FGD seco/semi seco onde primeiramente há a absorção do SOx seguida da neutralização do ácido sulfúrico formado na absorção, pela cal hidratada seca. No ponto 2 é abatido materiais particulados e partículas inaláveis pela diferença de potencial presente no precipitador eletrostático. No ponto 3 ocorre SCR, ou seja, a redução catalítica seletiva de Nox (NO ou NO2) até N2 por injeção de amônia com a utilização de catalisadores em um coletor seco.
b) Caso no ponto (A) não ocorresse a redução de temperatura para 400ºC, você alteraria o tratamento do ponto (3)? Explique e justifique sua resposta.
	Sim, pois devido ao uso de catalisador na redução catalítica seletiva, a temperatura do precesso tem que ser inferior a 500 ºC para não ocorrer inativação do mesmo. Dessa forma, se não houvesse a redução de temperatura, seria necessário trocar para uma redução não catalítica seletiva (SNCR) podendo operar em qualquer faixa de temperatura.
c) A caldeira opera com uma relação de ar/combustível de 25,0. Qual tipo de NOx é formado e como poderia resolver este problema? Explique e justifique sua resposta.
	O tipo de NOx gerado é o NOx térmico pelo fato da caldeira ter uma mistura pobre, ou seja, muito mais ar, tendo relação ar/combustível maior que a relação ideal de 14,7. Dessa forma, como opera em alta temperatura, o N2 e o O2 em alta quantidade presentes reagem e formam NOx térmico pela oxidação do N2 presente no ar. Uma medida para resolver esse problema é reduzir a relação ar/combustível para 14,7, adicionando mais combustível na caldeira.
3) Uma unidade de Controle e Reaproveitamento de poluentes atmosféricos foi instalada em uma siderúrgica. O processo empregado é o SNOX que consiste em controlar NOx e reaproveitar SOx. A planta opera em altas temperaturas e altas vazões com teor de enxofre de aproximadamente 5%. O processo é apresentado a seguir (SNOX process for combined treatment of NOx and SOx) na Figura 3:
Figura 3 – Esquema de tratamento SNOX.
Responda:
a) Explique e justifique qual equipamento você escolheria no item 3 da planta.
	O coletor seco escolhido é o precipitador eletrostático (PE), o qual abate material particulado e partículas inaláveis emitidas pela planta por operar em alta temperatura. Além disso, o PE opera em altas temperatura e altas vazões, condizente com a planta.
b) Caso a indústria resolva reaproveitar o SOx para produção de gesso, explique e discuta as mudanças que serão necessárias na planta. Coloque as reações químicas envolvidas na sua escolha se houverem.
	Será necessário a implementação do processo FGD úmido, feito em uma torre de FGD, um coletor úmido, podendo ser alocado no lugar do condensador no número 11. Neste lavador, para o tratamento primeiramente seria necessário uma etapa de absorção para converter o SO2 em H2SO3. Em seguida, a adição de carbonato de cálcio, o qual neutraliza o ácido gerando CaSO3. A próxima etapa do processo é a de oxidação, a qual se da de forma forçada pela adição de ar ao fundo do equipamento, então a corrente 9 se mantém. Após a oxidação à CaSO4, há a cristalização até a formação do gesso, etapa que consome muita água, então teria uma corrente de entrada de água em 11 também. As reações do processo de reaproveitamento de SOx são expostas abaixo. Diante disso, temos que o conversor 8 não será mais necessário na planta. 
c) Considerando que a indústria não queira reaproveitar o SOx, quais mudanças nos processos e equipamentos serão necessário? Explique e discuta detalhadamente suas escolhas.
	Para apenas o abatemento do SOx, o processo empregado agora seria o FGD seco ou semi seco, sendo necessário a adição de cal hidratada no processo para neutralizar o ácido gerado pela absorção do SOx. Para esse processo não é necessário lavador, apenas uma tubulação apropriada para o abatemento, podendo ocorrer depois do coletor seco (3). Então os equipamentos e correntes após o número 6 não são mais necessárias e a reforma seletiva catalítica (6), passa a possuir uma corrente de saída de gás limpo. 
4) Existem diversos processos regenerativos e não-regenerativos sendo utilizados nas industrias. Um processo bastante difundido no mundo é o processo de Wellman-Lord. Este processo é o regenerativo mais bem estabelecido que utiliza uma solução aquosa de sulfito de sódio como solvente. O diagrama deste processo é apresentado na Figura 4 a seguir:
Responda:
a) Está faltando um equipamento de controle na planta, qual seria e aonde? Explique e justifique sua resposta.
	Falta um coletor seco no começo da planta, podendo ser um filtro, antes de entrar no lavador Venturi, para retirar material particulado, partículas inaláveis, partículas menores que 5 micra, as quais o ciclone, ao fim do processo, não abate. 
b) Compare este processo com o FGD úmido. Discuta seus pontos de vista técnico e econômico sobre a mudança na escolha do processo.
		O processo com FGD úmido é um processo de investimento mais alto, quando comparado com o seco, por utilizar reagente mais caro na etapa de neutralização (CaCO3), pelo fato de a cristalização consomir muita água e a oxidação muita energia, sendo viável quando há alto teor de enxofre presente no combustível (>2%). Além disso, não há reaproveitamento dos reagentes como ocorreno precesso de Wellman-Lord, que por ser regenerativo, há etapas de tratamento para recircular os reagentes. O processo Wellman-Lord usa Na2SO3/NaOH como absorvente, com eficiência de remoção maior que 98%, e com isso ela produz a menor quantidade de efluente dentre todas as tecnologias desse tipo e em alguns casos, podendo combinar a remoção do SOx com NOx, sendo um processo que demanda maior investimento. Então dependendo do objetivo, da facilidade e preço dos reagentes e a lei ambiental local, isso interfere na tomada de decisão do processo escolhido para reaproveitamento do SOx.
Figura 4 – Esquema de tratamento utilizando o processo de Wellman-Lord.
5) Uma indústria apresentou alguns problemas ambientais relacionados a poluição do ar e um Engenheiro Ambiental foi chamado para resolver.
a) O órgão ambiental verificou após a realização do monitoramento da qualidade do ar que a concentração de ozônio está acima da legislação. Explique, baseado nas aulas, quais procedimentos experimentais você faria para diminuir a concentração de ozônio na atmosfera.
	Será necessário rever os precursores do O3 para evitar sua emissão. Então analisaria COV, NOx e CO. Iria monitorar se o abatemento de NOx está ocorrendo corretamente, se a relação de ar/combustível na caldeira se encontra igual a ideial de 14,7, reduzindo os poluentes na caldeira. Também será necessário monitorar o coletor úmido, o qual estaria abatendo o COV, conferindo suas condições de operação e eficiência. 
b) Outro problema verificado pelo órgão ambiental é que as fumaças que saem da chaminé (Plumas) estão retornando para o próprio polo industrial e a comunidade ao redor. Baseado na Figura 5 a seguir, explique qual o fenômeno está ocorrendo neste local e provocando este efeito.
	O fenômeno presente é a inversão térmica, que consiste na inversão da temperatura, onde a temperatura em maiores altitudes são mais altas, provocando a descida dos poluentes, os quais se chocam com o que está subindo causando uma sensação de aquecimento. Temos que a chaminé foi mal projetada, ou não tão alta o suficiente, fazendo a pluma voltar ou construída em uma região poluída.
Figura 5 – Emissões de poluentes (Plumas) saindo pela chaminé de uma indústria.
6) (
Vento predominante = N
5
 m/s
200 m
30 m
)Uma termelétrica localizada na cidade abaixo queima 400 t/dia de carvão, emitindo na sua chaminé 160 g/s de SO2. A chaminé possui 30,0 m de altura, diâmetro de 1,0 m, emitindo o SO2 a uma velocidade de 10 m/s e a 250 °C. A aproximadamente 1 km da chaminé, localiza-se uma vila de trabalhadores e a 1,5 km um parque estadual. O monitoramento da qualidade do ar é realizado por uma estação localizada na vila de moradores, que faz medições horárias de vários poluentes, inclusive o SO2 (1,5 p). Calcule:
a) A altura efetiva da pluma de dispersão de SO2, considerando que a velocidade do vento na altura da chaminé é de 5 m/s e a temperatura do ar é de 27 °C.
b) A concentração de SO2 em ug/m³ nas coordenadas da estação de monitoramento, considerando que y = z = 0 e a atmosfera apresenta condições neutras;
1000 m
Formulário
a) Dados: Altura efetiva H = altura chaminé 30 metros + ; d = 1 m; Ts: temperatura dos gases de saída na chaminé (K) = 250 ºC + 273 = 523K; vs: velocidade de emissão dos gases = 10 m/s; velocidade do vento na altura da chaminé v é de 5 m/s e a temperatura do ar é de 27 °C.
Calculando a altura da pluma :
Então, altura efetiva H será:
b) Dados: Vazão que sai da chaminé Q = 160 g/s de SO2. O monitoramento da qualidade do ar é realizado por uma estação localizada na vila de moradores que está a 1 km da chaminé, então x = 1000 metros. A caracterização da atmosfera quanto a estabilidade é classe D por ser neutra, então:
7) Os gases que chegam na chaminé carregam 285 ton/dia de CS2. Calcule a concentração de SO2 em μg/m3 a x=900 metros da chaminé. Dados a velocidade do vento a 10 m de altura é de 5 m/s e a altura geométrica e a sobre-elevação (altura da pluma) são 80 e 20 metros, respectivamente.
DADOS:
	Categoria de Estabilidade de Pasquill
	σy (metros)
	D
	0,16 x (1,0 + 0,0004 x)-1/2
	Categoria de Estabilidade de Pasquill
	σz (metros)
	D
	0,14 x (1,0 + 0,0003 x)-1/2
Calculando o % de enxofre presente no CS2:
 
Então a vazão de enxofre que entra na chaminé QS2 = 0,84.QCS2 = 0,84.285 QS2 = 239,4 ton/dia 
Quando entra na chaminé, o S2 é queimado gerando SO2 segundo a reação:
S2 + 2O2 → 2SO2
Logo, QS2 equivale a 2.32= 64g/mol e QSO2 a 2.(32 + 2.16) = 128 g/mol. Fazendo a regra de 3, temos:
Cálculo para correção do vento no topo da chaminé:
Sendo H = 20 + 80 = 100 e o fator de correção de acordo com a classe D: p = 0,25, temos:
 = 8,89 m/s
Calculando a concentração de SO2:
8) Uma siderúrgica localizado no Estado do Rio de Janeiro precisou realizar estudos de monitoramento da qualidade do ar em três estações automáticas de monitoramento ao redor da indústria. Estas 3 estações (Retiro, Santa Cecília e Belmonte) apresentaram ao longo dos últimos anos dados de emissões de MP10 acima da legislação vigente no país. Dados meteorológicos indicaram que as emissões de MP10 da estação Retiro vem do alto forno e da coqueria, de Santa Cecília da aciária e de Belmonte da fábrica de cal. Conforme na Figura a seguir.
Baseado nestas informações, responda:
a) Explique como é realizado o monitoramento de MP10 no Brasil e discuta a legislação atual no Brasil com a Nº03 de 1990 CONAMA, abordando as principais mudanças que ocorreram.
	O monitoramento de MP10 se dá pelos métodos da EPA (IO-3.1 e IO-3.4). O equipamento utilizado para o monitoramento é o amostrador de grande volume (AGV), onde ocorre a filtração desse material particulado, o qual fica retido no filtro. O princípio mais utilizado de análise é baseado na gravimetria e ainda a análise no cromatógrafo gasoso. 
	As principais mudanças na nova legislação em relação a anterior foi a inclusão de MP2,5, partículas inaláveis e metal pesado como poluentes. Além disso, as medidas e padrões passaram a ser mais restritivos, sendo assim, as empresas precisam investir mais em equipamento de controle. Foi estabelecida também uma unidade padrão, foi implementado um sistema de alerta, atenção e emergência e as regiões passaram a ser classificadas por classes quanto a qualidade do ar o que auxilia o órgão ambiental a permitir ou não novas construções nessas áreas.
b) A estação Retiro precisará realizar o monitoramento de benzeno. Explique qual metodologia você escolheria e porque a indústria está fazendo este monitoramento, tendo em vista que o benzeno não é legislado.
A metodologia empregada é o TO-2, a qual consiste na absorção com carvão. Dessa forma, o composto aromático fica retiddo no carvão dentro do cartucho. Injeto então no cromatógrafo gasoso para analisar os picos de BTX presentes. Ao final uso de lavador cujo reagente tem afinidade com o aromático.
	A indústria monitora benzeno por ser um composto cancerígeno e tóxico, se tornando um risco para os trabalhadores e moradores ao redor da indústria. Além disso, é comum o monitoramento de compostos não legislados estarem amarrados à licença operacional pelo órgão ambiental, assim, a empresa passa a monitorar.