Análise e dispersão (CALPUFF) de elementos traço em usina a carvão

Abstract

O carvão ainda é a fonte de energia primária mais utilizada no mundo, apesar dos desafios ambientais decorrentes de seu uso, sejam eles, relacionados a mineração, ao efeito estufa, a emissão de poluentes convencionais e de elementos traço para a atmosfera. É de grande importância os estudos a cerca desse combustível para que o conhecimento auxilie no enfrentamento dos desafios da sua utilização, principalmente no estado do Rio Grande do Sul que possui as maiores reservas e potencial de utilização desse minério no país. Este estudo tem como objetivo avaliar o impacto das emissões atmosféricas gerados por uma usina termelétrica a carvão, que operou durante 54 anos (1962-2016) na região metropolitana de Porto Alegre, no Rio Grande do Sul, e que passou por uma série de alterações tecnológicas, com vistas a redução das emissões atmosféricas decorrentes do processo de combustão do carvão. Com base nos dados de geração de energia e consumo de carvão da usina termelétrica, da qualidade do ar obtida em estações de monitoramento , levando-se em conta as melhorias ambientais realizadas durante o período de funcionamento e após o fechamento da unidade, estruturou-se esta pesquisa. O comportamento de elementos químicos durante os processos de combustão e controle de poluentes (filtro mangas e lavador de gases), bem como suas emissões e a dispersão na atmosfera (modelo CALPUFF) foram avaliadas. Utilizando-se a série histórica de dados de monitoramento da qualidade do ar (material particulado, dióxido de enxofre - SO2 e óxidos de nitrogênio NOx), de duas estações monitoramento próximas à usina avaliou-se a influência das emissões atmosféricas da termelétrica nas diferentes condições de controle de poluentes utilizados. Para tanto, foram analisados elementos químicos nas correntes do processo de combustão, nas entradas e saídas dos equipamentos de controle de emissões, nas emissões e em amostras de particulado coletados nas estações de monitoramento da qualidade do ar. Os dados obtidos indicaram que a implantação das tecnologias de redução de poluentes trouxeram reflexos positivos para a qualidade do ar. No entanto, após a o encerramento das atividades da usina não observou-se melhoria na qualidade do ar como um todo, os resultados do monitoramento, após a saída de operação da usina, mostraram redução da concentração do SO2 monitorado na estação de qualidade do ar mais próxima da usina e elevação na concentração do SO2 monitorado na estação mais distante. A caracterização morfológica das partículas totais em suspensão presentes no ar atmosférico, mostrou a presença de partículas heterogêneas com diferentes formas e tamanhos. Os elementos majoritários predominantes foram o silício e o alumínio, e os elementos traço Ferro e Manganês como os de maior concentração, nos dois locais avaliados. A avaliação do comportamento dos elementos químicos durante o processo de combustão mostrou, como reportado na bibliografia, o enriquecimento de alguns elementos. As análises dos elementos químicos realizadas nas diferentes correntes do processo de lavagem, indicou que o comportamento desses elementos após a passagem pelos filtros de mangas e lavador de gases tiveram redução na sua concentração, como por exemplo os elementos Ferro, Níquel, Cromo, Manganês e Vanádio e a remoção dos elementos Chumbo, Selênio, Cobalto, Cobre e Titânio, denotando a importância não só dos equipamentos que reduzem a emissão do material particulado para a atmosfera, como a lavagem dos gases que exerce papel fundamental na remoção de poluentes importantes do ponto de vista ambiental e de saúde humana. A dispersão atmosférica dos poluentes emitidos, foi realizada através do modelo CALPUFF para os poluentes SO2, NOx, material particulado- MP e para os elementos Cromo, Ferro, Magnésio, Manganês e Níquel. As concentrações máximas obtidas com a modelagem para os parâmetros de material particulado, SO2 e NOx representaram de 1 a 9% do padrão de qualidade do ar definido na resolução CONAMA 03/90, padrão vigente até novembro de 2018. A dispersão dos elementos traço emitidos na atmosfera apresentou a mesma distribuição do material particulado. Dentre os elementos traço emitidos utilizados na modelagem atmosférica, o Ni e Cd pertencem aos elementos de moderada preocupação ambiental. Os resultados desta pesquisa, permitem confirmar o enriquecimento dos elementos químicos na combustão do carvão, o efeito secundário de redução ou retenção de elementos químicos pela lavagem úmida dos gases, cuja função principal é o abatimento do SO2 e comprovam a importância dos controles ambientais para a melhoria da qualidade do ar confirmada pela análise histórica dos dados apresentados e a relevância da modelagem atmosférica para auxiliar na avaliação ambiental de regiões com diversas fontes de emissão.

Coal is still the most widely used primary energy source in the world, despite the environmental challenges arising from its use, whether related to mining, the greenhouse effect, the emission of conventional pollutants and trace elements into the atmosphere. Studies about this fuel are of great importance so that knowledge helps in facing the challenges of its use, especially in the state of Rio Grande do Sul, which has the largest reserves and potential use of this ore in the country. This study aims to evaluate the impact of atmospheric emissions generated by a coal-fired thermoelectric plant, which operated for 54 years (1962-2016) in the metropolitan region of Porto Alegre, Rio Grande do Sul, and has undergone a series of changes. technologies to reduce atmospheric emissions from the coal combustion process. Based on the power generation and coal consumption data of the thermal power plant, the air quality obtained at monitoring stations, taking into account the environmental improvements made during the operation period and after the shutdown of the unit, this research. The behavior of chemical elements during the combustion and control processes of pollutants (filter bag and scrubber), as well as their emissions and dispersion in the atmosphere (CALPUFF model) were evaluated. Using the historical series of air quality monitoring data (particulate matter, sulfur dioxide - SO2 and NOx nitrogen oxides) from two monitoring stations near the plant, the influence of thermoelectric plant atmospheric emissions on the different control conditions of pollutants used. For this purpose, chemical elements were analyzed in the combustion process currents, in the emissions control equipment inlets and outlets, in the emissions and in particulate samples collected at the air quality monitoring stations. The data obtained indicated that the implementation of pollutant reduction technologies brought positive reflections on air quality. However, after the shutdown of the plant's activities there was no improvement in air quality, the monitoring results, after the plant's departure from operation, showed a reduction in the concentration of the monitored SO2 at the highest air quality station. near the plant and increase in concentration of monitored SO2 at the most distant station. The morphological characterization of the total suspended particles presents in the atmospheric air, showed the presence of heterogeneous particles with different shapes and sizes, the predominant major elements were silicon and aluminum, and the trace elements Iron and Manganese as those of higher concentration. two locations evaluated. The evaluation of the behavior of chemical elements during the combustion process showed, as reported in the bibliography, the enrichment of some elements. The analysis of chemical elements performed in the different streams of the washing process indicated that the behavior of these elements after passing through the bag filters and gas scrubber had a reduction in their concentration, such as the elements Iron, Nickel, Chromium, Manganese and Vanadium and the removal of lead, selenium, cobalt, copper and titanium elements, denoting the importance not only of equipment that reduces the emission of particulate matter into the atmosphere, as well as gas scrubbing that plays a fundamental role in the removal of important point pollutants. from an environmental and human health perspective. The atmospheric dispersion of the emitted pollutants was performed by the CALPUFF model for the SO2, NOx, PM-particulate pollutants and for the elements Chromium, Iron, Magnesium, Manganese and Nickel. The maximum concentrations obtained with the modeling for the particulate matter parameters, SO2 and NOx represented from 1 to 9% of the air quality standard defined in resolution CONAMA 03/90, effective until November 2018. The dispersion of trace elements. emitted into the atmosphere showed the same distribution of particulate matter. Among the emitted trace elements used in atmospheric modeling, Ni and Cd belong to elements of moderate environmental concern. The results of this research allow to confirm the enrichment of chemical elements in the combustion of coal, the side effect of reduction or retention of chemical elements by wet scrubbing of gases, whose main function is the SO2 abatement and prove the importance of environmental controls for the air quality improvement confirmed by historical analysis of the presented data and the relevance of atmospheric modeling to assist in the environmental assessment of regions with different emission sources.