Um lavador úmido é um equipamento de controle de poluição do ar que remove o material particulado e gases ácidos provenientes do gás residual emitido por fontes estacionárias. Esta remoção ocorre por meio da impactação, difusão e/ou interceptação do poluente pela gotícula do líquido. Existem inúmeros tipos de lavadores úmidos que realizam o controle de MP₁₀ e MP_2,5. Os sistemas de lavadores úmidos possuem algumas vantagens sobre os precipitadores eletrostáticos e os filtros manga por serem mais compactos, terem dimensões menores, custo de investimento mais baixo e custos de operação e manutenção semelhantes. A principal desvantagem dos lavadores úmidos é que o aumento da eficiência de coleta vem com o custo do aumento da queda de pressão através do sistema de controle (DAVIS, 2000). Outra desvantagem é a limitação para taxas de fluxo do gás residual e temperatura mais baixas que precipitadores eletrostáticos ou filtros manga. Atualmente projetos de lavadores úmidos acomodam taxas de fluxo do ar maiores que 47 m³/s e temperaturas mais altas que 400ºC. Além disso, geram resíduos na forma de lodo o que requer tratamento e/ou disposição. O presente estudo visa identificar os tipos de lavadores úmidos disponíveis para o controle de material particulado, bem como suas respectivas eficiências de coleta.

Os lavadores úmidos são dispositivos de controle do MP que dependem do contato direto e irreversível de um líquido (gotículas, espuma ou bolhas) com o MP. O MP carreado pelo líquido é então facilmente coletado da corrente de gás residual. Estes dispositivos podem ser muito especializados e projetados em diversas configurações diferentes. 

São geralmente classificados pelo método utilizado para induzir o contato entre o líquido e o MP, por exemplo, spray, enchimento, pratos. Lavadores também são frequentemente caracterizados por baixa, média ou alta energia, onde a energia é muitas vezes expressa como a queda de pressão no lavador. 

Possuem vantagens importantes quando comparados com outros dispositivos de coleta de MP, por serem capazes de coletar partículas inflamáveis e explosivas com segurança, absorver poluentes gasosos, coletar vapores, além de resfriarem fluxos de gás com temperaturas elevadas. Entretanto, possuem algumas desvantagens: possui potencial de corrosão e congelamento, geração de efluentes e resíduos sólidos. (COOPER; ALLEY, 1994) Estas desvantagens podem ser minimizadas ou evitadas com a execução de um bom projeto.

O método de coleta do MP predominante na maioria dos lavadores úmidos industriais é a impactação inercial do MP com as gotículas líquidas. A difusão browniana também leva à coleta de partículas, mas seus efeitos são apenas significativos para partículas com diâmetro de aproximadamente 0,1 μm (micrômetro) ou menos. A interceptação direta é outro mecanismo de coleta utilizado pelos lavadores. Outros mecanismos de menor importância utilizam a gravitação, eletrostática e condensação para a coleta do particulado (MCILVAINE, 1995). Os tipos de mecanismos de coleta são apresentados na Figura 1.1.

Há uma grande variedade de lavadores úmidos que estão comercialmente disponíveis ou podem ser personalizados. Embora todos os lavadores possuam certa semelhança, existem vários métodos distintos de utilização do líquido de lavagem para obter a coleta de partículas. Os lavadores úmidos são geralmente classificados de acordo com o método que é utilizado para unir o gás e o líquido.

As câmaras de pulverização, caracterizadas como lavadores úmidos de baixa energia, possuem um projeto muito simples. Nestes lavadores, a corrente de gás carregada de partículas é introduzida numa câmara onde entra em contato com gotículas de líquido geradas por bicos de pulverização. O tamanho das gotículas geradas pelos bicos de pulverização é controlado para maximizar o contato líquido-partícula e, consequentemente, a eficiência de coleta do lavador.

Os tipos mais comuns de câmaras de pulverização são torre spray e câmaras ciclônicas. Um demister no topo da torre de pulverização remove gotículas de líquido e MP úmido da corrente de gás de saída. O líquido de lavagem e o MP úmido é drenado da parte inferior da torre na forma de lodo. As câmaras de pulverização horizontais funcionam da mesma maneira, exceto pelo fato do gás escoar horizontalmente através do dispositivo. Uma torre spray típica é mostrada na Figura 1.2 e 1.3 (COOPER; ALLEY et al., 1994).

Uma câmara de pulverização ciclônica é semelhante a uma torre spray exceto pela forma como a corrente de gás é introduzida para produzir movimento ciclônico dentro da câmara. Este movimento contribui para velocidades de gás mais elevadas, separação de partículas e gotículas mais eficazes e maior eficiência de coleta (COOPER; ALLEY, 1994). As aberturas tangenciais de entrada ou de giro são meios comuns de indução de movimento ciclônico (USEPA, 1982). A Figura 1.4 fornece um exemplo de uma câmara de pulverização ciclônica.

Os lavadores tipo torre de enchimento compõem-se de uma câmara contendo camadas de material de enchimento de várias formas, tais como anéis raschig, anéis espirais e selas berl, que proporcionam uma grande área de superfície para o contato de partículas líquidas. Estes e outros tipos de enchimento são ilustrados na Figura 1.5 (MCILVAINE et al., 1995). O enchimento é mantido no lugar por retentores de malha de arame e suportada por uma placa perto do fundo do lavador. 

Em torres de enchimento, a corrente de gás é forçada a seguir um caminho tortuoso através do material, no qual grande parte do MP impactam. O líquido que fica no material de enchimento, coleta o poluente e flui para parte inferior da câmara para o dreno no fundo da torre. Um eliminador de gotículas (também chamado de "demister") é tipicamente posicionado após o enchimento e o fornecimento de líquido de lavagem. Qualquer líquido de lavagem e MP umedecido arrastado pela corrente de gás será removido pelo eliminador de gotículas e retornado para drenar no leito com enchimento (MCILVAINE et al., 1995). Um típico lavador com enchimento é ilustrado na Figura 1.6 e 1.7.

Em torres de enchimento, concentrações elevadas de MP podem obstruir o leito, portanto, há uma limitação destes dispositivos a correntes com cargas de poeira relativamente baixas (USEPA, 1982). Sua obstrução é um problema sério, pois o enchimento é de difícil acesso e limpeza quando comparados com outros lavadores (MCILVAINE, 1995). Em geral, os lavadores com enchimento são mais adequados para o tratamento de gases ao invés de partículas devido aos elevados requisitos de manutenção para o controle de MP (COOPER; ALLEY et al.,1994). 

O lavador tipo prato é uma câmara vertical com placas montadas verticalmente. O contato entre o líquido e o gás carregado de partículas ocorre nos pratos. Os pratos são equipados com aberturas que permitem que o gás percorra. Alguns pratos são perfurados, enquanto outros mais complexos têm aberturas tipo válvula. A Figura 1.8 e 1.9 mostra modelos de pratos comumente utilizados e o equipamento, respectivamente (MCILVAINE et al., 1995). 

O modelo de prato mais simples é do tipo perfurado, neste tipo de lavador, o líquido de lavagem flui sobre as placas e o gás flui para a parte superior da câmara através dos furos. A velocidade do gás impede que o líquido flua para parte inferior através das perfurações. O contato gás-líquido-partícula é obtido dentro da espuma gerada pelo gás que passa através da camada líquida. 

São mais adequados para a coleta de MP do que lavadores de leito compactado. Partículas maiores que 1 μm de diâmetro podem ser coletadas efetivamente, enquanto que partículas menores que 1 μm penetrarão nesses dispositivos (USEPA, 1982).

Lavadores por indução mecânica possuem um ventilador motorizado ou impulsor para melhorar o contato gás-líquido. Geralmente, o líquido de lavagem é pulverizado sobre as pás do ventilador ou do impulsor. Os ventiladores e os impulsores são capazes de produzir gotículas líquidas muito finas com altas velocidades. Estas gotículas são eficazes no contato com partículas finas. Uma vez que MP tenha impactado com as gotas, é normalmente removido por movimento ciclônico. Estes lavadores são capazes de alcançar altas eficiências de coleta, mas apenas com um elevado consumo de energia proporcional (COOPER; ALLEY et al., 1994). Os diagramas dos tipos de lavador e o equipamento são apresentados na Figura 1.10 e 1.11. 

Como muitas partes móveis são expostas ao gás e ao líquido de lavagem, estes lavadores têm alta necessidade de manutenção. As peças mecânicas são suscetíveis à corrosão, acúmulo de MP e desgaste. Consequentemente, os lavadores mecânicos têm aplicações limitadas para o controle MP (MCILVAINE et al., 1995).

O lavador tipo Venturi, acelera a corrente de gás para atomizar o líquido de lavagem e melhorar o contato gás-líquido. Uma seção denominada de "garganta" é construída dentro do duto, que força o fluxo de gás a acelerar à medida que o canal estreita e expande. À medida que o gás entra na garganta do Venturi, tanto a velocidade do gás como a turbulência aumentam. O líquido de lavagem é pulverizado na corrente de gás antes de passar pela garganta. O líquido de lavagem é então atomizado em pequenas gotículas pela turbulência na garganta e a interação gota-partícula é aumentada. Após a seção na garganta o MP úmido e as gotículas do líquido em excesso são separados da corrente de gás por movimento ciclônico e/ou por um eliminador de gotículas. Dentre as suas vantagens, é possível destacar seu projeto simples, facilidade de instalação e com baixa necessidade de manutenção (COOPER; ALLEY, 1994). A figura 1.12 e 1.13 apresentam o diagrama e o dispositivo de controle.

  

O desempenho de um lavador Venturi é dependente da velocidade do gás através da garganta. Vários dispositivos foram projetados para permitir o controle da velocidade variando a largura da garganta (MCILVAINE et al., 1995). Devido à alta interação entre o MP e as gotículas, eles são capazes de obter altas eficiências de coleta para MP com tamanhos menores. Infelizmente, o aumento da eficiência do Venturi requer o aumento da queda de pressão que, por sua vez, aumenta o consumo de energia (COOPER; ALLEY, 1994).

Os Lavadores tipo orifício, forçam a corrente de gás carregada de partículas a passar pela superfície de um reservatório de líquido de lavagem quando entra em um orifício. Com as velocidades de gás elevadas, típicas deste tipo de lavador, o líquido do tanque é carreado pela corrente de gás como gotículas. À medida que a velocidade do gás e a turbulência aumentam com a passagem pelo orifício estreito, a interação entre o MP e as gotículas líquidas também aumentam. As partículas e as gotículas são então removidas da corrente de gás por impacto sobre uma série de defletores que o gás encontra após o orifício. O líquido coletado e o MP são drenados pelos defletores que retornam para o tanque abaixo do orifício (MCILVAINE et al., 1995). Os lavadores de orifício podem efetivamente coletar partículas maiores que 2 μm de diâmetro (COOPER; ALLEY et al., 1994). Alguns destes dispositivos são projetados com orifícios ajustáveis para controlar a velocidade da corrente de gás. Um típico lavador de orifícios é mostrado na Figura 1.14 e 1.15.

Esta técnica geralmente possui baixa demanda de líquido, uma vez que utiliza o líquido de lavagem por prolongados períodos de tempo (COOPER; ALLEY, 1994). A principal preocupação de manutenção é a remoção do lodo que se coleta na parte inferior da câmara. Portanto, o lodo é normalmente removido com um ejetor de lodos que funciona como uma correia transportadora. À medida que o lodo sedimenta na parte inferior do lavador, é transportado para fora da câmara (MCILVAINE, 1995). A Figura 1.16 ilustra um ejetor de lodo.

A maioria dos lavadores convencionais dependem dos mecanismos de impactação e difusão para conseguir o contato entre o MP e as gotículas de líquido. Em um lavador de condensação, o MP atua como núcleos de condensação para a formação de gotículas. Geralmente, dependem primeiro do estabelecimento de condições de saturação na corrente do gás. Uma vez que a saturação é alcançada, o vapor é injetado na corrente. O vapor cria uma condição de supersaturação e leva à condensação de água no MP fino. As grandes gotículas condensadas podem ser removidas por vários dispositivos convencionais. Um eliminador de gotículas de alta eficiência também é utilizado (MCILVAINE et al., 1995). 

Estes lavadores são projetados especificamente para capturar MP fino que escapa dos dispositivos de controle de MP primário. Esse lavador utiliza um processo de vários estágios, incluindo o pré-tratamento e as câmaras de crescimento, no qual proporcionam um ambiente que estimula o MP fino a coagular e formar partículas maiores. Um diagrama esquemático deste depurador é mostrado na Figura 1.17.

Os lavadores com dispositivos eletrostáticos utilizam estes efeitos para melhorar a eficiência de coleta de partículas finas através da lavagem úmida. Uma vez que os lavadores úmidos convencionais dependem da impactação inercial entre MP e gotículas de líquido para a coleta de MP, são geralmente ineficazes para partículas com diâmetros inferiores a 1 μm. O pré-carregamento eletrostático do MP no fluxo de gás pode aumentar significativamente a eficiência de coleta do lavador para estas partículas submicrônicas. Quando ambas as partículas e gotículas são carregadas, as eficiências de coleta para as partículas submicrônicas são mais altas, aproximando-se da de um precipitador eletrostático (MCILVAINE, 1995).

A Figura 1.18 mostra um esquema de um lavador eletrostático carregado e a Figura 1.19 apresenta a tecnologia de controle (MCILVAINE, 1995). 

Em lavadores com leito fixo, a corrente de gás carregada de umidade percola através de leitos com material de enchimento de fibras, tais como "esponja" de fibra de vidro, fibra de vidro e aço. São também frequentemente umedecidos por pulverização pelo líquido de lavagem. Dependendo dos requisitos do lavador, pode haver vários leitos e um dispositivo de impacto para a remoção de MP, incluídos no projeto. O leito fixo final é tipicamente seco para a remoção de quaisquer gotículas que ainda estejam sendo carregadas pela corrente. Os lavadores com leito fixo são mais adequados para a coleta de MP solúvel, ou seja, MP que se dissolve no líquido de lavagem, uma vez que grandes quantidades de MP insolúvel irão obstruir os leitos com o tempo. Por esta razão, estes lavadores são frequentemente utilizados como eliminadores de gotícula, isto é, para a coleta de líquidos, ao invés de para o controle de MP (MCILVAINE, 1995). A Figura  1.20 e 1.21 apresentam o diagrama do lavador e o dispositivo, respectivamente.

A eficiência de coleta para lavadores úmidos são muito variáveis. A maior parte dos lavadores  convencionais podem alcançar altas eficiências de coleta para partículas com um diâmetro superior a 1,0 μm, porém, geralmente são considerados dispositivos de coleta ineficientes para partículas submicrônicas (<1 μm). Alguns lavadores não convencionais, tais como os de condensação e os de carga, capazes de obter eficiências de coleta elevadas, mesmo para partículas submicrônicas. 

Eficiências de coleta para lavadores convencionais dependem de fatores operacionais como distribuição do tamanho da partícula, carga do particulado na entrada e energia de entrada. 

A Tabela 2.1 mostra as eficiências de coleta para MP₁₀ e MP_2,5.  (USEPA, 1995)

Os lavadores convencionais dependem quase que exclusivamente da impactação inercial para a coleta de MP. Conforme discutido anteriormente, a eficiência dos lavadores que dependem do mecanismo de coleta de impactação inercial aumentará à medida que o tamanho da partícula aumenta. Portanto, espera-se que a eficiência de coleta para partículas menores (<1 μm) seja baixa para estes lavadores. 

A eficiência dos lavadores que dependem da impactação inercial pode ser melhorada juntamente com o aumento da velocidade relativa entre o MP e as gotículas de líquido. O aumento da velocidade resultará na aceleração do MP, permitindo que partículas menores sejam coletadas por impactação. Isso pode ser efetuado na maioria dos lavadores através do aumento da velocidade da corrente do gás. Infelizmente, o aumento da velocidade do gás também aumentará a queda de pressão, demanda de energia e custos operacionais para os lavadores (COOPER; ALLEY et al., 1994).

Outro fator que contribui na diminuição da eficiência de lavadores para partícula menores é o curto tempo de residência. Geralmente, uma partícula fica na zona de contato do lavador por apenas alguns segundos. Isso é tempo suficiente para coletar partículas maiores que são afetadas pelo mecanismo de impactação. No entanto, uma vez que as partículas submicrônicas são coletadas efetivamente pelo mecanismo de difusão, que depende da movimentação aleatória das partículas, é necessário tempo suficiente na zona de contato para que este mecanismo seja eficaz (MCILVAINE, 1995).

Verificou-se que a eficiência de coleta para lavadores foi associado como sendo diretamente proporcional à concentração de particulado na entrada. Ou seja, a eficiência aumentará com o aumento da carga de material particulado. Isto sugere que a eficiência de remoção de lavadores não é constante para um determinado projeto a menos que seja referenciada a uma carga específica de particulado na entrada. Em contrapartida, tem se mostrado que a concentração de particulado na saída dos lavadores é uma constante, independente da concentração de entrada (LERNER, 1995).

Lavadores úmidos possuem inúmeras aplicações industriais e poucas limitações. Eles são capazes de coletar basicamente qualquer tipo de particulado, incluindo particulados inflamáveis, explosivos, úmidos ou pastosos. Além disso, podem coletar líquidos suspensos, apenas gases ou com MP simultaneamente (COOPER; ALLEY, 1995). 

Entretanto, embora lavadores possuam várias aplicações potenciais, existem algumas  características que limitam seu uso. A consideração mais importante é a eficiência de coleta relativamente baixa para MP fino, especialmente aqueles com diâmetro menor que 1,0 μm. Porém, lavadores convencionais não são adequados para processos que emitem muitas partículas submicrônicas. Como discutido anteriormente, lavadores Venturi, de condensação e de carga elétrica são capazes de coletar partículas submicrônicas com eficiências mais elevadas do que outros lavadores e, portanto, podem ser utilizados efetivamente em aplicações onde há uma grande porcentagem de MP fino na corrente gasosa (USEPA, 1995).

A composição do fluxo de gás pode também ser um fator limitante na aplicação do lavador para indústrias específicas, uma vez que os lavadores úmidos são suscetíveis à corrosão (COOPER; ALLEY, 1995). 

A utilização de lavadores úmidos também não são aconselháveis quando se coleta particulados de valor que podem ser reciclados ou comercializados. 

Dado que os lavadores descarregam os particulados coletados na forma de lodo úmido, a recuperação do particulado seco e limpo deste lodo é muitas vezes inconveniente e custosa (COOPER; ALLEY, 1995). Devido às restrições de concepção, os lavadores de partículas não são geralmente utilizados em instalações muito grandes, tais como instalações onde as taxas de fluxo do gás excedam 118,00 m3/s, uma vez que é necessária a utilização de lavadores múltiplos quando as taxas de fluxo excedem 28,32 a 35,40 m³/s.

A Tabela 3.1 lista algumas das aplicações dos lavadores úmidos (COOPER; ALLEY et al., 1995). Deve-se notar que o nível de controle do MP fornecido por cada um dos tipos de lavadores listados na tabela irá variar de acordo com o nível de controle exigido por cada indústria e/ou instalação. A força motriz para o controle do MP em muitas indústrias e/ou instalações são as regulamentações federal, estadual e locais de poluição do ar.

À medida que regulamentações de MP mais rigorosas são colocadas em prática, é natural que ocorra uma mudança para o uso de lavadores de maior eficiência. A Tabela 3.2 classifica os tipos de lavadores de acordo com seu potencial de controle de partículas finas.

O fator determinante na escolha da tecnologia mais adequada é o potencial que o dispositivo terá no controle da emissão do material particulado, uma vez que para a operação de uma atividade, limites máximos de emissão estabelecidos pelo órgão ambiental, devem ser atendidos. Além disso, as especificações das atividades que necessitem do controle do material particulado também são importantes para a tomada de decisões. 

A energia utilizada na operação do lavador, tratamento de efluentes emitidos e destinação apropriada aos resíduos sólidos gerados são custos adicionais que também influenciam no custo final do equipamento. Os dispositivos podem também ser associados a fim de obter uma maior eficiência no tratamento do gás.

Entretanto, deve-se ressaltar que medidas de caráter preventivo devem ser privilegiadas em relação àquelas de caráter corretivo. Assim deve-se buscar ações que objetivem a eliminação da geração dos poluentes, ou pelo menos sua redução, diluição, segregação ou afastamento. 

 

João Carlos Mucciacito Orientador e Professor Mestre do Curso de Engenharia Ambiental FAENG/CUFSA Taís Miyuki Tsuda Aluno do Curso de Engenharia Ambiental FAENG/CUFSA