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Análise de Preciptadores, seu funcionamento e eficiência de trabalho.
Tipologia: Trabalhos
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Projeto de Graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof°. Dr. Assoc. José Simões Berthoud.
Primeiramente a Deus, À minha Mãe e Irmão que me apoiaram desde o início desta jornada. Aos meus amigos de curso, por compartilharem do mesmo ofício com compreensão, dedicação e felicidade. Aos meus amigos de todos os lugares, que sempre estiveram do meu lado, me incentivando a não desistir. Ao Professor Orientador José Simões Berthoud pela oportunidade de aprendizagem através da oportunidade de ser seu estagiário e orientação deste projeto.
O presente estudo faz uma avaliação das principais propriedades do material particulado que afetam a Eficiência de Coleta dos Precipitadores Eletrostáticos (PEs) da usina de Sinterização da ARCELOR MITTAL TUBARÃO, através do estudo direto do particulado amostrado nos precipitadores. As coletas de particulado foram realizadas no ano de 2009 nos PE 1, 2 e 3 da ARCELOR MITTAL TUBARÃO. Estudos de massa especifica, granulometria e resistividade foram feitos no Laboratório de Precipitação Eletrostática (LAB- PREC - UFES). Também foi utilizado o Canal de Diagnostico do LAB-PREC, a fim de se obter a estratificação do particulado no interior do precipitador, permitindo um melhor entendimento da distribuição do particulado ao longo do corredor. Foi realizada uma fragmentação e pulverização do material particulado para injeção no Canal de Diagnóstico e a Eficiência de Coleta foi medida com auxilio de opacímetros. Verificou-se também que quanto menor for a granulometria do particulado, mais difícil é a sua coleta pelo PE. Os resultados também indicaram que ocorre grande sedimentação do particulado no precipitador. A granulometria, resistividade e massa especifica foram medidas e a influencia dessas propriedades no processo de coleta do PE foi avaliada. Foi identificado um aspecto inédito nos estudos técnicos da área referente à existência de um processo de agregação durante o transporte ao longo dos tubulões, e que influencia fortemente o desempenho da coleta dos precipitadores, conforme justificado na avaliação da granulometria mencionada acima. Palavras Chaves: Sinterização. Propriedades de Material Particulado. Precipitador Eletrostático.
Para a redução da grande massa de poluentes descarregados ano após ano pelas grandes indústrias foram desenvolvidos diversos equipamentos de controle da poluição atmosférica. O objetivo de todos estes equipamentos é primariamente o de filtrar o particulado presente no fluxo gasoso resultante dos processos produtivos. (OLIVEIRA JR, MOREIRA. 1988). Um problema muito comum nas indústrias hoje é o crescimento da demanda, onde a produção aumenta com uma taxa muito acelerada, e o equipamento de controle da poluição atmosférica, dimensionado para um nível de produção é exigido a operar em uma situação de sobrecarga. Outra limitação existente, relacionada aos equipamentos de controle de poluição atmosférica é a de falta de espaço físico na planta para a instalação dos mesmos. A falta de espaço físico, o projeto dos dutos de entrada e saída do particulado sem um estudo completo de CFD (Computational Fluid Dinamics) ou até mesmo subdimensionamentos ocasionam problemas de distribuição de fluxo (fluxo heterogêneo) do particulado no PE, condição que não é desejável e afeta o desempenho do equipamento. O não uso do CFD se dá pelo custo muito elevado associado às necessárias complementações experimentais (MALISKA, 2004). Para o funcionamento do PE, é necessário haver parametrizações. O equipamento deve ser ajustado para fazer a coleta do material, a partir da planta de produção, e para isso os valores de vazão, temperatura, tipo de processo, entre outras informações, devem ser obtidos de modo suficiente para haver uma parametrização correta do PE, permitindo que o equipamento seja posto em operação (Robinson, 1971). A operação do equipamento apresenta duas situações criticas ao processo em função da resistividade do material: Back Corona e/ou Faiscamento, que causam redução de eficiência de coleta durante o processo. O Back Corona ocorre quando o material coletado nas placas do precipitador tem alta resistividade. Assim, ao se formar uma camada de maior espessura na
sinterização) e estudo visa o diagnostico do PE, através da analise das propriedades físicas do particulado amostrado nos 3 PEs. Adicionalmente foi identificado um processo de aumento da granulometria média com o maior percurso através dos tubulões por agregação progressiva (adesão superficial). Isso tem um efeito significativo na perda de eficiência do PE 3.
Este estudo tem como objetivo realizar uma análise da influência das propriedades massa específica, granulometria e resistividade na eficiência de coleta dos precipitadores eletrostáticos da usina de sinterização da ARCELOR MITTAL TUBARÃO. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Conta ainda com os seguintes objetivos específicos: Realizar coleta de material particulado nos precipitadores 1, 2 e 3 da usina de sinterização. Efetuar análises laboratoriais de massa específica, granulometria e resistividade do material coletado. Realizar experimento com injeção de material particulado no Canal de Diagnóstico do LAB-PREC. Mostrar a importância de conhecer os valores de massa específica, granulometria e resistividade do material, para um melhor desempenho do EP.
para coletar o material sedimentado e direcionar para um ponto de abertura. O material direcionado pela tremonha deve ser coletado frequentemente para evitar aglutinação e posterior entupimento na saída da tremonha. As tremonhas são esvaziadas por um dispositivo de descarga e depositam o material num transportador (Wang; Pereira; Hung. 2004) 3.1.1. Efeito corona: Multiplicação de elétrons livres Segundo EPA (2011), o efeito Corona inicia-se quando se aplica tensão, no eletrodo até produzir uma descarga no eletrodo, que pode ser vista por uma luminosidade azulada em torno dele (Figura 2). Os elétrons livres criados pelo efeito Corona são repelidos pelo campo elétrico negativo. Os elétrons se movimentam cada vez mais rápido, com uma aceleração que causa uma colisão com as moléculas do ar, retirando elétrons das moléculas do ar (deixa as moléculas do ar com carga positiva) (SCHNELLE; BROWN, 2002). Por fim o ar no entorno do eletrodo fica positivamente carregado e com elétrons liberados no interior do Precipitador. Este processo continua ao longo do precipitador, ionizando mais partículas e liberando mais elétrons (Avalanche de Elétrons) (ROBINSON. 1971). Figura 2 : Efeito corona, faiscamento.
Os íons positivos são atraídos pelo eletrodo de descarga. E os negativos ficam livres. Por fim, têm-se íons positivos, íons negativos e uma grande quantidade de elétrons livres (nuvem iônica). Para o material particulado ser capturado ele deve receber cargas negativas. Assim a poeira é coletada do escoamento após o carregamento do material particulado pela nuvem iônica negativa (Robinson, 1971). Ainda de acordo com a EPA (2011) as partículas são eletricamente carregadas pela nuvem iônica de duas maneiras: campo de carga e difusão de carga. Campo de Carga: Assim que as partículas entram no campo elétrico elas causam uma perturbação no campo. As moléculas do ar que estão negativamente carregadas e estão viajando pelas linhas do campo elétrico, colidem com as partículas, transmitindo a carga negativa para as partículas. Os íons bombardearão aquela partícula até que as linhas do campo elétrico próximas da partícula sejam alteradas. Isso evita que novos íons colidam com a partícula. Quando a partícula não recebe mais carga iônica, diz que ela está saturada. As partículas saturadas de cargas migram para a placa de coleta, onde são coletadas (Figura 3). Figura 3 : Campo de Carga (Fonte: EPA, 2011) Difusão de carga turbulenta: Está associado ao movimento Browniano das moléculas de ar negativamente carregadas. O movimento randômico está associado a velocidade do gás devido ao efeito térmico. Com o movimento randômico partículas colidem com moléculas do ar carregadas. Em função das
Algum período depois do efeito corona estabilizado, a força eletrostática, agora, irá empurrar as partículas em direção às placas de coleta. Logo as partículas com maior granulometria são empurradas com maior força movendo-se com maior velocidade, pois possuem maior carga como já foi mostrado na Figura 4 e na Equação 1 (THEODORE, 2008). A velocidade efetiva de migração para um dado fluxo é melhor determinada experimentalmente, e em geral considera-se tamanho de partícula igual durante todo o período de travessia do particulado no precipitador. Razões como essas levam a utilização de dados estatísticos para projetos de precipitadores (ROBINSON. 1971). 3.1.3. Massa Especifica Ligada diretamente ao fenômeno de arraste inercial da partícula, a massa especifica nem sempre é levada em consideração pelos operadores do PE. É observado em testes laboratoriais, o efeito de centrifugação na entrada de PEs. Isso está diretamente ligado ao efeito da massa especifica do particulado. Além disso quanto maior for a massa especifica, maior é a sedimentação no precipitador (Figura 5). (LAB - PREC – UFES, 2009).
Figura 5 : Efeito da Massa Especifica e Granulométrico 3.1.4. Resistividade De acordo com Theodore (2008) a resistividade do particulado sempre foi uma propriedade de grande importância no funcionamento do PE, sendo diferenciada assim: alta resistividade quando acima de 10^10 Ωcm, resistividadecm, resistividade normal entre 10^7 Ωcm, resistividadecm a 10^10 Ωcm, resistividadecm e baixa resistividade abaixo de 10^7 Ωcm, resistividadecm (Theodore, 2008). Após a ação do campo elétrico sob o particulado dentro do PE, o particulado migra rumo as placas de coleta, aglutinando-se nas placas, formando uma camada de poeira coletada (EPA, 2011). As placas de coleta do Precipitador são aterradas, o que propicia a descarga elétrica do particulado aglutinado e depositado sobre as placas de coleta. Porém a resistividade acaba influenciando diretamente nesse momento, sob dois aspectos: Com baixa resistividade, as cargas elétricas atravessam a camada depositada mais facilmente e “trazem” o terra para mais perto do eletrodo, o que propicia o faiscamento (Figura 6). Figura 6 : Redução da distância placa x eletrodo.
Figura 8 : Efeito da alta resistividade do particulado, redução da ddp. 3.2. SUPER FINO De acordo com a EPA (2011) o particulado super fino é caracterizado por partículas menores que 1 m. Partículas com tão baixa granulometria, tem pouca área superficial, tendo assim menor área de agregação iônica, consequentemente esse material é de menor coleta, principalmente comparado com o particulado de maior granulometria. Quando o ar carregado de particulado entra no precipitador, rapidamente o particulado é bombardeado ionicamente, a partícula de maior granulometria, rapidamente é saturada por cargas iônicas, o que não acontece com a partícula de menor granulometria, a sua pequena área superficial reduz a sua capacidade de contato com íons negativos da nuvem iônica, assim esse particulado não recebe carga suficiente para haver sua imediata coleta. Por outro lado, o particulado de maior granulometria recebe mais carga, e é mais influenciado pela força de campo, sendo coletado com maior velocidade. Com o rápido acumulo de particulado de maior granulometria, em pouco tempo é necessário haver o batimento mecânico, já que se não for feito o batimento, ou
o Efeito Back Corona ou o Faiscamento (descarga elétrica devido a distância reduzida do eletrodo e a placa acumulada de particulado) ocorrerá, reduzindo assim a eficiência de coleta. Com o batimento, é retirado o particulado das placas, esse processo tão acelerado não permite que as micro particulas recebam carregamento iônico o suficiente para serem lançados as placas de coleta. Isso é um fator que influência na baixa coleta de particulado super fino (SCHNELLE; BROWN, 2002). Para o particulado predominante na saída do processo de sinterização Bohte (1993) descreve dois picos (Figura 9), sendo o primeiro de 1 m e o segundo de 100 m. Existe além disso aglutinamento de particulado por meio de adesão superficial, fazendo com que o material ganhe uma maior granulometria. Isso permite que PEs de sinterização consigam coletar certa quantidade de fino aglutinado. Observamos no caso do PE 3 um acumulo significativo dessa aglutinação, a um tal ponto que chegou a prejudicar a eficiência do mesmo, (Observamos esse efeito ao analisar todos os material coletados na AMT) devido à solução de “acrescentar” um terceiro PE aos dois antigos (Figura 26). Figura 9 : Distribuição granulométrica típicas para a sinterização (Fonte: Bohte, 1993).
