703670 - 702678 - Fundação Santo André

.CENTRO UNIVERSITÁRIO FUNDAÇÃO SANTO ANDRÉ
FACULDADE DE ENGENHARIA CELSO DANIEL
ENGENHARIA ELETRÔNICA –
ÊNFASE EM ELETRÔNICA INDUSTRIAL
ARYEL GIL CARVALHO DE SOUZA
ESTUDO DE UMA TOCHA DE PLASMA TÉRMICO PARA
TRATAMENTO DE RESÍDUOS
SANTO ANDRÉ
2013
ARYEL GIL CARAVALHO DE SOUZA
ESTUDO DE UMA TOCHA DE PLASMA TÉRMICO PARA
TRATAMENTO DE RESÍDUOS
Relatório apresentado ao Programa
de Iniciação Científica do Centro
Universitário Fundação Santo
André 2013.
Orientador:
Prof. Mário Gonçalves Garcia
SANTO ANDRÉ
2013
SUMÁRIO
1 – Introdução ............................................................................................................................. 4
2 – Objetivo ................................................................................................................................. 4
3 – Definição de plasma ............................................................................................................ 4
3.1 – Tipos de plasma ........................................................................................................... 5
4 – O plasma para tratamento de resíduos ............................................................................ 5
5 – O equipamento em laboratório..........................................................................................9
6 – Resultados finais ................................................................................................................ 14
7 – Conclusão............................................................................................................................14
1 – Introdução
O uso de tocha de plasma térmico teve suas primeiras aplicações nos anos 60
e daí a diante está sendo considerado um dos processos eletro térmicos
promissores pela sua grande gama de aplicações e por ser um dos métodos
que menos poluem.
A utilização de plasma térmico abre um leque para suas aplicações como:
purificação de silício, cortes e soldagens de materiais, destruição de materiais
tóxicos ( hospitalares por exemplo), reciclagem de resíduos.
Embora sua utilidade seja de grande valor para o ser humano, ainda é uma
tecnologia pouco conhecida e pouco utilizada.
2 – Objetivo
Estudo do sistema gerador de plasma térmico, tocha e retificador e sua
utilização para tratamento de resíduos tóxicos ou lixo comum; e como o mesmo
pode contribuir no planejamento do tratamento de resíduos sólidos de uma
cidade como Santo André.
3 – Definições de plasma
O termo plasma foi pioneiramente empregado na física pelo cientista norte
americano Irving Langmuir 1929 para um gás parcialmente ionizado (FELIPINI,
2005).
O plasma pode ser entendido como um gás extremamente aquecido, podendo
atingir temperaturas da ordem de 5.000ºC a 20.000ºC, onde as propriedades
do três estados da matéria não são verificadas, razão pela qual é denominado
como sendo o quarto estado da matéria. Do ponto de vista macroscópico, o
plasma é eletricamente neutro.
3.1 – Tipos de plasma
Dependendo de quanto da energia é entregue ao plasma, suas propriedades
mudam, em termos de densidade eletrônica e temperatura (CHEN, 1984).
Esses dois parâmetros distinguem o plasma em duas grandes categorias:
plasmas frios e plasmas térmicos.
Quando a pressão do plasma é abaixo de 10 kPa, prevalece uma diferença de
temperatura entre os elétrons e os íons, e neste caso a descarga é conhecida
como “glow discharge” ou plasma frio.Este tipo de plasma é o que podemos
encontrar nas lâmpadas fluorescentes ou lâmpadas compactas.
Já os plasmas térmicos são caracterizados por alcançarem altas temperaturas
com elevada densidade de energia. Os plasmas térmicos gerados à pressão
atmosférica, da ordem de 100 KPa, sendo que este é o tipo de plasma objeto
deste trabalho.
O plasma térmico ainda pode se dividido em plasma de baixa potência (para
corte, soldagem, spraying) e plasma de alta potência (metalurgia e siderurgia ).
4 – O plasma para tratamento de resíduos
O plasma para tratamento de resíduos é conhecido como “plasma pirólise”
(Pirólise - (do Grego pyr, pyrós = fogo + lýsis = dissolução). Cabe entender que
na realidade não se trata de uma pirólise ou queima convencional. De uma
forma simplificada, trata-se de uma reação de análise ou decomposição que
ocorre pela ação de altas temperaturas pois ocorre uma ruptura da estrutura
molecular original
de
um
um ambiente com
pouco
determinado composto pela
ou
ação
nenhum oxigênio),constituindo-se
do calor em
em
uma
tecnologia dedicada de destruição de resíduos, que associa as altas
temperaturas geradas pelo plasma com a destruição dos resíduos. Variantes
do processo vêm sendo estudadas há mais de 15 anos.
Quando um gás é aquecido a temperaturas elevadas, há mudanças
significativas nas suas propriedades. A cerca de 2 000 ºC, as moléculas do gás
começam a dissociarem-se em estado atômico. A 3 000 ºC, os átomos são
ionizados pela perda de parte dos elétrons. Este gás ionizado é chamado de
plasma.
O plasma é gerado pela formação de um arco elétrico, através da passagem de
corrente entre o cátodo e anôdo, e a injeção de um gás que é ionizado, e pode
ser usado sobre os resíduos. O mesmo apresenta boa condutividade elétrica e
alta viscosidade quando comparado a um gás no estado normal.
Tanto corrente contínua como a corrente alternada podem ser empregues para
a geração de plasma, mas o processo com corrente contínua predomina
amplamente até o momento. O plasma é gerado e controlado em tochas de
plasma. A tocha de plasma é um dispositivo que transforma energia elétrica em
calor transportado por um gás. Com estes dispositivos, virtualmente, qualquer
gás pode ser levado ao estado de plasma e o gás utilizado pode ter
participação significativa na reação. As tochas de plasma podem ser de dois
tipos:
Tochas de arco não transferido: onde o arco elétrico permanece estabilizado
dentro da tocha de plasma e a energia é transportada para o sistema
unicamente pelo gás de plasma (Fig.1). Na Fig.2 é apresentada uma tocha de
plasma de 350 kW em operação onde podemos notar que a luz presente na
extremidade da tocha não se trata de uma chama de combustão e sim gás
aquecido a aproximadamente 10.000ºC.
Fig.1 – Desenho esquemático de uma tocha de plasma de arco não
transferido.
Tocha de arco transferido: o arco elétrico permanece exposto ao sistema,
permanecendo estabilizado fora da tocha de plasma e a energia é transmitida
ao sistema pelo gás de plasma e pela irradiação direta do arco elétrico (Fig.3).
A Fig.4 mostra uma tocha de arco transferido de 100 kW onde o arco elétrico
está exposto ao sistema.
Fig.2 – Foto da tocha de arco não transferido de 350 kW em operação.
Fig.3 – Desenho esquemático de uma tocha de plasma de arco
transferido.
A eficiência de transformação de uma tocha de plasma está em cerca de 85%,
podendo ultrapassar os 90% da energia elétrica utilizada na geração do
plasma. Tipicamente as temperaturas alcançadas por plasmas térmicos são da
ordem de 15 000 ºC, embora temperaturas até 50 000 ºC sejam possíveis.
Atualmente plasma no meio ambiente é utilizado para tratamento de resíduos
inorgânicos industriais, resíduos de saúde, embalagens longa vida, solos
contaminados, alumínios e escórias metálicas. E em um futuro próximo, o uso
de plasma térmico para reciclagem de pneus, baterias de automóveis, mercúrio
e catalisadores exauridos.
Fig.4 – Foto da tocha de arco transferido de 100 kW em operação.
5 – O equipamento de estudo no laboratório
O equipamento construído é constituído por um conversor eletrônico de
corrente alternada - corrente contínua (CA-CC) para aplicação em tocha de
plasma, para operação em um reator, cujo diagrama de blocos pode ser visto
conforme “ANEXO I”.O mesmo pode ser dividido em duas partes, a saber:
“conjunto eletro-mecânico” e “sistema de controle de potência”; onde, o
conjunto eletromecânico e constituído por gabinete, transformador, indutor de
CC, tiristores e diodos rápidos de retificação e circulação livre, barramentos CA
e CC, proteção termo-magnética de entrada de energia, filtro CA da entrada do
conversor, sensores isolados de corrente, ventilações forçadas, sensores
térmicos dos componentes magnéticos e dos semicondutores, dissipadores,
comandos elétricos, conexões de interface e acessórios.
O esperado é que o equipamento atenderá às especificações de projeto,
operando com uma potência máxima de saída da ordem de 20 kW alimentando
uma tocha de plasma térmico com as seguintes características básicas:
Item
Descrição
Especificação
1
Tensão de alimentação
220 Vca, 60 Hz (*)
2
Tensão de saída
150 Vcc (máxima)
3
Tensão de saída
120 Vcc (operacional)
4
Corrente de saída
150 A (operacional)
5
Potência de saída
20 kW (operacional)
6
Regime de trabalho
24 horas
7
Freqüência do conversor
360 Hz
8
Indutância de saída (LDC01)
50 uH
9
Fator de potência
 0,92
(*) dependente do transformador de entrada considerado.
Segue abaixo algumas fotos do equipamento em questão:
Fig, 5 – Parte traseira do painel de controle da tocha de plasma.
Fig.6 – Placa de controle do retificador
Observação: O diagrama de controle do retificador e mostrado no “ANEXOII”.
Fig.7 – Ponta da tocha de plasma em laboratório fixada na mesa.
6 – Resultados finais
Durante o desenvolvimento dos trabalhos de 2013, foi possível estudar e
conhecer o retificador gerador de plasma, conhecendo a sua construção, a
etapa de potência, o circuito de controle e seus sensores de tensão e corrente
necessários para a estabilidade do plasma.
Como se trata de um equipamento existente foram necessárias várias
adaptações e adequações para permitir sua operação a nível laboratorial.
Os principais trabalhos realizados foram:
a) Estudo básico sobre plasma e suas aplicações.
b) Refazer parte da fiação elétrica de alimentação do painel,
c) Refazer a interligação do sistema e transformadores de referência e dos
sensores.
d) Estudo do sistema eletrônico, com especial atenção ao sistema de
controle e disparo dos tiristores
e) Elaboração do novo diagrama elétrico do conjunto (ainda em
elaboração)
f) Construção de uma carga resistiva com um tambor plástico e banho de
sal.
7 – Conclusão
O trabalho com este equipamento gerador de plasma, além de permitir um
amplo contato com circuitos elétricos de potência, vai abrir possibilidades para
estudos da aplicação de plasma térmico tanto na área de engenharia ambiental
com tratamento de resíduos como na área de engenharia de matérias com a
elaboração de novas ligas metálicas e cerâmicas avançadas.