Aterros sanitários, um método tradicional de descarte de resíduos, estão transbordando. Esses locais ocupam um espaço significativo e podem poluir o meio ambiente à medida que os resíduos se decompõem. Em 2009, a Agência Europeia do Ambiente publicou um relatório defendendo a transição da eliminação em aterros para alternativas mais sustentáveis [1]. Uma solução viável usa um processo de tratamento térmico para queimar resíduos e gerar energia. Embora a incineração possa reduzir o desperdício em aterros sanitários e gerar energia, é importante entender como o processo de incineração de resíduos funciona e quais etapas são necessárias para executá-lo de forma segura e ambientalmente consciente.
Primeiro, os resíduos sólidos urbanos chegam de caminhão e são armazenados para processamento (Figura 1).
Em seguida, o resíduo é introduzido em um forno de alta temperatura onde é queimado. O processo de queima cria gases de combustão – uma mistura de gases quentes e subprodutos – que devem ser completamente limpos antes de serem liberados.
Por fim, o calor gerado no forno desempenha um papel fundamental na produção de eletricidade. Esse calor capturado cria vapor que aciona uma turbina, gerando energia.
No restante deste artigo, os componentes mais importantes da análise de incineradores de resíduos são discutidos, com foco em como os analisadores de processo são usados para monitorar emissões como amônia, sulfato e metais pesados.
A incineração é uma estratégia de gerenciamento de resíduos que reduz o desperdício sólido (ou seja, aterros sanitários) e ao mesmo tempo converte energia. Uma projeção do PNUMA indica que a produção de resíduos sólidos urbanos aumentará de 2,3 bilhões de toneladas em 2023 para 3,8 bilhões de toneladas até 2050 [2]. Portanto, garantir a operação eficiente e em conformidade com essas usinas de incineração é fundamental, mas pode ser alcançado por meio de monitoramento e mitigação meticulosos.
A tecnologia de incineração evoluiu, oferecendo diversas opções adaptadas a tipos específicos de resíduos. Existem vários tipos de incineradores: incineradores simples, incineradores de grelha fixa ou móvel, incineradores de forno rotativo e incineradores de leito fluidizado [3]. Cada tipo possui vantagens únicas em termos de capacidade, eficiência e controle de emissões.
Numa central de incineração de resíduos, a viagem começa com a entrega do lixo por viaturas de recolha (Figura 1). Um mecanismo de agarrar (Figura 2) levanta os resíduos e os deposita em um forno de alta temperatura.
Aqui, ocorre a combustão, quebrando os resíduos e liberando energia térmica e gases de combustão – essencialmente gases de exaustão quentes contendo subprodutos da combustão. É importante ressaltar que esse calor do processo de combustão é usado para gerar energia a vapor e produzir eletricidade na usina termelétrica adjacente.
Durante a incineração, são gerados gases de combustão contendo poluentes como gases ácidos, metais pesados e partículas (MP). O depurador (Figura 3) atua como uma barreira, capturando esses poluentes antes que eles atinjam a atmosfera.
O gás de combustão não é liberado diretamente na atmosfera. Em vez disso, ele passa por várias etapas de controle de emissão (por exemplo, depuradores e filtros) para remover vários componentes indesejados que não podem ser liberados no ambiente. Os depuradores utilizam água ou soluções químicas específicas para capturar poluentes, incluindo MP, metais pesados e gases ácidos.
Por fim, as cinzas restantes da fornalha e qualquer efluente gerado durante o processo de limpeza passam por análises rigorosas antes de serem descartados. Isso garante que esses materiais sejam tratados adequadamente e descartados de maneira ambientalmente responsável.
Essas instalações fazem mais do que apenas descartar resíduos: elas também usam o calor produzido para gerar energia.
As instalações de incineração de resíduos oferecem, assim, um duplo benefício: redução do volume de resíduos em aterros sanitários e geração de energia.
Os depuradores, essencialmente as unidades de controle da poluição do ar dentro do processo de incineração de resíduos para energia, desempenham um papel importante na manutenção dos níveis de emissões ao reter poluentes em líquidos (Figura 4) ou materiais secos especializados.
Os depuradores reduzem a emissão de poluentes como o dióxido de enxofre (SO2), óxidos de nitrogênio (NOx), metais pesados e PM. Isso permite que as usinas de incineração de resíduos cumpram rigorosas regulamentações ambientais.
Ao neutralizar gases ácidos, os depuradores evitam a formação de chuva ácida, preservando a fertilidade do solo e os ecossistemas aquáticos em áreas próximas ao incinerador.
Os purificadores contribuem positivamente para a saúde pública ao reduzir a liberação de substâncias perigosas que podem causar doenças respiratórias e outras complicações de saúde.
Águas residuais não tratadas (ou subtratadas) de usinas de incineração de resíduos ameaçam o meio ambiente e a saúde pública. O monitoramento preciso garante que os diversos efluentes atendam aos requisitos das regulamentações de descarte e não causem danos.
Os analisadores de processo ajudam a minimizar erros que podem ocorrer durante a coleta de amostras e análises laboratoriais. Eles fornecem uma imagem em tempo real das condições da planta, permitindo ajustes proativos para otimizar o desempenho. Além disso, os analisadores de processos on-line eliminam a necessidade de manuseio manual de produtos químicos potencialmente perigosos, aumentando a segurança dos operadores e do pessoal da planta.
Apesar de serem totalmente automatizados, os analisadores de processos on-line oferecem precisão de nível laboratorial, garantindo dados confiáveis para tomada de decisões críticas.
Alguns segmentos do processo de incineração de resíduos para energia onde os analisadores de processo online podem ser instalados para fins de monitoramento estão listados em Tabela 1. A Metrohm Process Analytics oferece um conjunto abrangente de soluções para monitorar parâmetros críticos em instalações de incineração de resíduos e usinas de geração de energia. Elas serão descritas com mais detalhes posteriormente no artigo.
| Parâmetro | Técnica de análise | |
|---|---|---|
| Gás de combustão / Forno | Ácidos e metais pesados | VA / XRF |
| Cálcio e sulfato | Titulação | |
| Sulfato | Titulação / Fotometria | |
| Esfregador | Metais pesados | VA / XRF |
| Amônia (NH3) em cinzas de depurador | ISE | |
| Hidróxido de sódio, carbonato de cálcio, sulfato | Titulação | |
| Água de resfriamento | Sódio, amônia (NH3) | Titulação |
| Inibidores de corrosão de cobre | CI | |
| Metais pesados | VA | |
| Turbina | Corrosão acelerada por fluxo (FAC) | CI/VA |
| Efluente para estação de tratamento de águas residuais (ETAR) | Zinco, cádmio, chumbo, mercúrio | VA |
| Manganês, ferro (Fe2+/Fé3+), cromo (Cr6+), sílica (Si4+) | Titulação / Fotometria | |
| Amônio (NH4+) | ISE |
Quando você deve escolher a análise de processo em vez das medições laboratoriais tradicionais? Leia nosso artigo do blog para saber quais fatores são os mais importantes a serem considerados ao tomar essa decisão.
Análise laboratorial vs. análise de processo: fatores-chave para tomada de decisão informada
A análise voltamétrica é uma técnica poderosa para quantificar níveis residuais de metais pesados em emissões de incineradores. É necessário um método analítico sensível, pois as regulamentações ambientais para a liberação desses poluentes geralmente estão na faixa de µg/L (partes por bilhão, ppb). Ao aproveitar princípios eletroquímicos, a voltametria oferece alta sensibilidade e seletividade, permitindo detecção e quantificação precisas de poluentes.
A voltametria funciona medindo a corrente elétrica produzida por uma amostra quando ela é submetida a uma voltagem variável. Isso permite a detecção e quantificação de vários metais, ânions e cátions dissolvidos em solução.
Em usinas de energia e instalações de incineração, a voltametria se mostra inestimável para:
Otimização do Scrubber. O VA ajuda a monitorar metais pesados como chumbo e cádmio no efluente do depurador, garantindo o desempenho ideal do depurador e evitando que esses contaminantes cheguem ao meio ambiente.
Nota de aplicação: Análise on-line de cádmio em lavadores de gases úmidos de usinas de incineração
Análise de água de resfriamento. Os sistemas de água de resfriamento são suscetíveis à corrosão e contaminação por metais pesados. A voltametria facilita a detecção desses poluentes, permitindo medidas preventivas e salvaguardando a integridade da infraestrutura crítica (por exemplo, trocadores de calor, torres de resfriamento e turbinas).
Eficácia do tratamento de águas residuais. Efluentes de usinas de energia requerem tratamento adequado antes do lançamento. A voltametria ajuda a monitorar metais pesados como zinco, cádmio, mercúrio e chumbo no fluxo de águas residuais, garantindo a remoção eficiente e a conformidade com as regulamentações ambientais.
Tradicionalmente, a titulação dependia da coleta e análise manual de amostras em um laboratório, introduzindo o potencial de erro humano. Titulação on-line (Figura 6) revoluciona esse processo ao oferecer diversos benefícios importantes, conforme mencionado acima.
A titulação desempenha um papel vital em várias aplicações em usinas de geração de energia e instalações de incineração de resíduos, como:
Protegendo ativos. Monitoramento da amônia (NH3) a concentração na água de resfriamento protege canos, caldeiras e outros equipamentos caros da corrosão.
Nota de aplicação: Amônia na água de resfriamento de usinas termelétricas
Combate à corrosão. Medir consistentemente o «número m» (alcalinidade) da água de resfriamento ajuda a prevenir a corrosão no sistema.
Nota de aplicação: Geração de energia: análise do número m (alcalinidade) em água de resfriamento
Detecção precoce de problemas. A análise de ultratraços de ferro e cobre na água da usina de energia fornece sinais de alerta precoce de potenciais problemas de corrosão.
Nota de aplicação: Monitoramento da corrosão em usinas de energia com análise de processo on-line – Medições ultratraços mais rápidas de ferro (Fe) e cobre (Cu)
Saúde da caldeira. O monitoramento contínuo dos níveis de sílica na água de alimentação da caldeira garante a operação suave das caldeiras e evita paradas dispendiosas.
Nota de aplicação: Análise on-line de sílica em água de alimentação de caldeiras de usinas de energia
Saiba mais sobre os princípios da titulação em nossa postagem do blog.
O IC é excelente na separação e quantificação de íons em amostras aquosas. Quando usado em capacidade on-line em usinas de energia, o IC é ideal para monitorar níveis de traços de vários analitos, o que ajuda com:
Controle de corrosão. Os sistemas de água de resfriamento são suscetíveis à corrosão, o que pode afetar negativamente a eficiência da planta e a segurança do pessoal. Monitoramento da concentração de inibidores de corrosão de cobre em água de resfriamento on-line com cromatografia iônica (Figura 7) permite manutenção proativa e evita danos dispendiosos ao equipamento.
Nota de aplicação: Monitoramento on-line de inibidores de corrosão de cobre em água de resfriamento
Otimização de usinas de energia. Analisar até mesmo níveis vestigiais de aminas no circuito de água alcalina-vapor de usinas de energia ajuda a otimizar o desempenho do sistema e minimizar possíveis problemas.
Nota de aplicação: Análise de traços on-line de aminas no circuito água-vapor alcalino de usinas de energia
[1] Desviar resíduos dos aterros sanitários - Eficácia das políticas de gestão de resíduos na União Europeia — Agência Europeia do Ambiente. https://www.eea.europa.eu/publications/diverting-waste-from-landfill-efficientness-of-waste-management-policies-in-the-european-union (acessado em 2024-05-01).
[2] Meio Ambiente, U. N. Perspectivas globais de gestão de resíduos 2024. PNUMA - Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente. http://www.unep.org/resources/global-waste-management-outlook-2024 (acessado em 24/04/2024).
[3] Incinerador - uma visão geral | Tópicos ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/incinerator (acessado em 23/04/2024).
Folheto: Indústria de Testes Ambientais I - Analisadores Online para Análise de Efluentes Municipais
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