Como consequência do combate às alterações climáticas e redução das emissões de CO2 a nível mundial, a União Europeia estabeleceu metas e medidas, a atingir até 2020, para a redução dos impactes ambientais.
O objetivo é a redução de 20% nas emissões de CO2, o aumento de 20% na utilização de energias renováveis e um incremento de 20% na eficiência energética.
Estas novas exigências entraram em vigor em 26 de setembro de 2015, através da Diretiva Energética ErP-EuP, que definiu assim os requisitos em matéria de eficiência energética, nível sonoro e emissões NOx para todos os equipamentos relacionados com energia.
Das várias medidas impostas por esta diretiva, neste artigo vamos incidir apenas na redução das emissões de NOx em esquentadores, caldeiras e termoacumuladores a gás para valores inferiores a 56mg/kWh (que entrou em vigor em 26 de setembro de 2018).
Este artigo discute, assim, os métodos específicos pelos quais o NOx (óxidos de azoto) é formado durante a combustão e as tecnologias existentes para o seu controlo e prevenção. No entanto, primeiro, é importante perceber o que é o NOx.
NOx!
Os NOx, representam uma família de sete compostos altamente reativos, que contêm azoto e oxigénio em várias quantidades e configurações químicas; sendo o NO e NO2 os mais abundantes no ar. Quando estes gases reagem com o oxigénio na atmosfera, forma-se ozono ao nível do solo, ácido nítrico corrosivo e nitratos orgânicos tóxicos.
A presença destas substâncias no ar causa importantes problemas de saúde humana e contribui para a formação de chuvas ácidas e a deterioração da qualidade da água e do ar. Além disso, estas condições ambientais afetam negativamente a agricultura, matando tecidos vegetais e diminuindo a taxa de crescimento das plantas.
Assim, a primeira prioridade na elaboração de uma estratégia para controlar os óxidos de azoto é proteger a saúde humana e a flora.
Como é formado o NOx?
Os óxidos de azoto formam-se maioritariamente durante o processo de combustão, na forma de NO; quando os combustíveis são queimados a altas temperaturas, através de uma reação endotérmica entre o oxigénio, O2 (20,9% do ar) e o azoto, N2 (78% do ar).
As principais fontes de NOx são: veículos automóveis, centrais de produção termoelétrica, e outras aplicações industriais, comerciais e residenciais, onde existem caldeiras, esquentadores ou equipamentos que queimem combustíveis líquidos, sólidos ou gasosos.
Na fig. 1 podemos ver uma imagem completa das emissões de NOx por fonte:
Fig. 1 - Emissões de NOx por setor. Fonte: Agência Europeia do Ambiente.
Existem três mecanismos de formação de NOx durante a combustão; o mecanismo térmico ou de Zeldovich (NOx térmico), mecanismo de Prompt ou de Fenimore (NOx imediato) e mecanismo de combustível (NOx combustível).
- O NOx térmico é o tipo de NOx mais produzido durante o processo de combustão, que normalmente ocorre a temperaturas muito altas (acima de 1.538°C) e encontra-se principalmente nos gases da combustão. A essas altas temperaturas, as moléculas de azoto presentes no ar de combustão reagem com as moléculas de oxigénio para formar NOx.
Este mecanismo consiste em duas reações em cadeia:
Quanto mais alta a temperatura e mais tempo as moléculas de azoto são expostas a essa temperatura, maior a formação de NOx térmico.
De acordo com a figura 2, acima de 1.538°C, a formação de NOx aumenta com o aumento da temperatura.
Fig. 2 - Variação de NOx em função da temperatura de chama. Fonte: Burner Technology for single digit NOx emissions in boiler applications.
- O NOx imediato está ligado à combustão de hidrocarbonetos no estágio inicial da combustão e considera a produção rápida de NO, muito antes da produção de NOx térmico.
Os níveis de NOx imediato são habitualmente muito baixos, portanto, geralmente apenas são de interesse para as metas de emissão mais exatas.
- O NOx de combustível é formado quando o azoto nos combustíveis se combina com o excesso de oxigénio no ar. A formação de NOx de combustível, depende das condições de combustão, como concentração de oxigénio e padrões de mistura e sobre o teor de azoto do combustível.
O NOx de combustível é um grande problema na queima de petróleo e carvão, pois pode atingir 50% do total de emissões ao queimar petróleo e até 80% do total de emissões ao queimar carvão.
Reduzir os níveis de NOx
As abordagens para controlar as emissões de NOx da combustão incidem sobre o combustível, o NOx térmico, o NOx imediato ou ambos.
Como os níveis de NOx imediato produzidos são baixos e os limites impostos pela ErP cingem-se a equipamentos a gás, a metodologia para alcance das metas passa por controlar o NOx térmico, controlando as condições de combustão para gerar menos NOx.
O controle da combustão pode envolver diferentes estratégias, nomeadamente, reduzir as temperaturas de pico na zona de combustão, reduzir o tempo de permanência do gás na zona de alta temperatura e reduzir as concentrações de oxigénio na zona de combustão. Estas mudanças no processo de combustão podem ser alcançadas através de modificações do processo ou da modificação das condições operacionais.
As modificações do processo dependem do tipo de equipamento e do método de queima de combustível e são capazes de reduzir as emissões de NOx em 50 a 80%. Incluem entre outros, o uso de queimadores de baixo NOx especialmente projetados, estágios de combustão e recirculação de gás.
As modificações nas condições operacionais podem ser conseguidas pelo tratamento dos gases de combustão, contudo são técnicas dispendiosas.
O impacto da diretiva nos equipamentos Vulcano
Tendo em consideração que as emissões NOx dos esquentadores e caldeiras convencionais são superiores a 130mg/kWh, a meta de 56mg/kWh exigida pela diretiva levou à necessidade de desenvolvimentos de novas soluções.
Todas as estratégias descritas anteriormente, que permitem uma redução dos valores de NOx, foram tidas em consideração, optando-se no final pelo desenvolvimento de uma nova tecnologia de queimadores, denominados Low NOx. Esta decisão tem em consideração o facto de, dos métodos existentes, ser o que se mostra mais económico e o que permite melhor adaptação às plataformas já existentes no mercado.
Durante o desenvolvimento obtiveram-se dois queimadores Low NOx com diferentes metodologias de arrefecimento de chama, uma tipologia com arrefecimento a água, e outra com arrefecimento a ar.
Uma vez mais, a necessidade de utilizar ao máximo as plataformas já existentes, os custos de produção (que seriam impactados no consumidor final), e a manutenção das dimensões compactas dos produtos, que se tem vindo a mostrar um forte requisito do mercado, foram decisivas na utilização de diferentes tecnologias de arrefecimento.
O arrefecimento a ar é conseguido através de um queimador de pré-mistura complexo, que na sua constituição suporta dois fluxos independentes de combustível, um de maior caudal que permite ter uma chama pobre (caracterizada por baixas emissões de NOx mas com problemas de estabilidade) e uma chama rica (que garante a estabilização da chama mantendo as baixas emissões), na mesma superfície de queimador.
Trata-se de um queimador pressurizado, com modulação de potência efetuada através do caudal de gás e de ar, com proporções controladas por software.
Fig. 3 - Queimador Low NOx arrefecido a ar.
O arrefecimento a água é aplicado a um queimador atmosférico de pré-mistura total, no qual todo o ar necessário à combustão já está presente e misturado com o combustível antes da chama.
Neste tipo de queimador, a água de consumo arrefece a superfície do queimador através de um circuito de tubos que se encontra em série com câmara de combustão, o que lhe confere uma chama distinta dos demais.
Fig. 4 - Queimador Low NOx arrefecido a água.
A utilização de ambos os queimadores permite atingir emissões de NOx bastante inferiores aos 56mg/kWh regulamentados.
Não obstante, a aplicação e o desenvolvimento deste tipo de queimadores demonstram ser um grande desafio no que concerne aos fenómenos de estabilização e de retorno de chama, motivadas maioritariamente por uma conceção deficiente das condições de evacuação dos produtos de combustão, tais como insuficientes admissões de ar, tiragem excessiva ou nula, ou por outro lado devido a problemas de alimentação de gás. Esta problemática leva assim à necessidade de ajustar os equipamentos aos diferentes tipos de instalações existentes no mercado, no ato da instalação.
Conclui-se assim que, a utilização de queimadores Low NOx para além de se mostrar ser a forma mais económica para a diminuição das emissões de NOx, permite obter grandes reduções de emissões, muito abaixo dos limites impostos pela legislação em vigor; denotando-se, contudo, a importância e a necessidade das instalações se adequarem à legislação vigente há já longos anos.
A capacidade de desenvolvimento de novas soluções e de formação ao mercado da Vulcano, revela-se assim cada vez mais importante na obtenção de soluções amigas do ambiente e na preparação dos instaladores para as novas tecnologias cada vez mais desafiantes.
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