UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES PÓS-GRADUAÇÃO “LATO SENSU” PROJETO A VEZ DO MESTRE O CO-PROCESSAMENTO E A INCINERAÇÃO COMO TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE RESÍDUOS SÓLIDOS Por: Príscilla Regina Pitangui Amim Orientador Prof. Ms. Celso Sanchez Rio de Janeiro 2003
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UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES
PÓS-GRADUAÇÃO “LATO SENSU”
PROJETO A VEZ DO MESTRE
O CO-PROCESSAMENTO E A INCINERAÇÃO COMO
TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE RESÍDUOS SÓLIDOS
Por: Príscilla Regina Pitangui Amim
Orientador
Prof. Ms. Celso Sanchez
Rio de Janeiro
2003
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UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES
PÓS-GRADUAÇÃO “LATO SENSU”
PROJETO A VEZ DO MESTRE
O CO-PROCESSAMENTO E A INCINERAÇÃO COMO
TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE RESÍDUOS SÓLIDOS
Apresentação de monografia à Universidade Candido
Mendes como condição prévia para a conclusão do
Curso de Pós-Graduação “Lato Sensu” em
Planejamento e Educação Ambiental.
Por: Príscilla Regina Pitangui Amim
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AGRADECIMENTOS
- À minha família pela força, incentivo e confiança.
- Ao meu noivo, Cláudio, pelo carinho e amizade, compreensão e pelo grande auxílio no momento em que eu mais necessitava.
- À Lisa pela amizade e colaboração na montagem desta monografia. - À todos os professores, funcionários e amigos da UCAM, principalmente, à Isabela, à Ednéa, ao Márcio e ao Queiroz. - À Direção da Escola Estadual Professor Mário Campos pela simpática e rica convivência diária no ambiente de trabalho.
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DEDICATÓRIA
Aos meus pais, José Amim e Noêmia Amim, por todo apoio que têm me dado
ao longo de toda a minha vida.
5RESUMO
A incineração constitui-se num método de tratamento que utiliza a
decomposição térmica de resíduos em alta temperatura, com uma quantidade
apropriada de ar e durante um tempo pré-determinado, com o objetivo de tornar um
resíduo menos volumoso e menos tóxico.
A prática do Co-processamento de resíduos vem sendo amplamente
explorada e incentivada como forma de destruição térmica de resíduos perigosos e
não perigosos. O Co-processamento de resíduos, utiliza a decomposição térmica, via
oxidação, com finalidade de tornar o resíduo atóxico através de sua incorporação
química às matérias-primas, ou ainda, eliminá-lo sob a forma de gás carbônico e
água, através de sua queima.
Para que uma indústria realize a incineração e o co-processamento é
necessário o licenciamento junto aos órgãos ambientais, para que façam um serviço
seguro e de qualidade. São feitos monitoramentos constantes nessas indústrias.
Os dois processos são vantajosos por suprimir o efeito poluidor, garantindo
uma assimilação ou confinamento ecologicamente correto com o meio ambiente
receptor.
6SUMÁRIO
INTRODUÇÃO 7
CAPÍTULO I
INCINERAÇÃO 8
CAPÍTULO II
CO-PROCESSAMENTO 24
CAPÍTULO III
ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE INCINERAÇÃO E
CO-PROCESSAMENTO
37
CONCLUSÃO 41
BIBLIOGRAFIA 42
ÍNDICE 44
FOLHA DE AVALIAÇÃO 47
7INTRODUÇÃO
A cada dia que passa, encontram-se mais dificuldades para dar-se um
destino adequado aos resíduos gerados tanto por atividades humanas como em
processos industriais. Muitas das soluções até agora empregadas têm se caracterizado
por inviabilidade técnica e econômica.
Economicamente, a geração de resíduos é um evidente desperdício de
materiais e de energia. Por trás dessa prática destruidora do meio ambiente, está a
falta da consciência. Com um consumo menor de recursos naturais,
conseqüentemente, seria reduzida a necessidade de tratar, armazenar e eliminar os
rejeitos, diminuindo o potencial impacto ambiental.
Além disso, com o decorrer do tempo, as áreas disponíveis para aterro de
resíduos vêm diminuindo. Em paralelo, os locais de tratamento e disposição final
requerem cada vez mais cuidados para não causarem danos ambientais irreversíveis e
ameaça à saúde pública.
A cobrança por ações, que visam a proteção ao meio ambiente não vem
apenas da sociedade, mas da exigência do mercado, diante de uma nova realidade
sócio-ambiental, onde a competitividade é a lei maior. Reduzir custos com a
eliminação de desperdícios, desenvolver tecnologias limpas e baratas, reciclar
insumos, são mais do que princípios de gestão ambiental, representam condições de
sobrevivência.
Neste contexto, a preocupação em gerenciar adequadamente os resíduos tem
aumentado em todos os setores. Faz parte do gerenciamento, a escolha de um
tratamento adequado. O Co-processamento e a incineração são tratamentos térmicos
que constituem alternativas importantes para o tratamento de resíduos, objeto de
nosso estudo.
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CAPÍTULO I
Incineração
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INCINERAÇÃO
A incineração pode ser definida como um processo de redução de volume e
periculosidade de um resíduo, a partir de um conjunto de fenômenos físicos
(evaporação e sublimação, por exemplo) e químicos (pirólise, oxiredução e
combustão). Ela é adaptada ao tratamento de resíduos hidrocarbonados e mais ou
menos ricos em espécies como os halogênios, o enxofre e os cianetos. No entanto,
para ser totalmente eficaz, esta técnica não deve provocar outras perturbações
suscetíveis de constituir uma transferência de poluição. Por essa razão, este
tratamento deve considerar igualmente os fenômenos físico-químicos que ocorrem
no exterior do forno durante a depuração dos resíduos gasosos, líquidos e sólidos
gerados. A incineração pode ser regida por um conjunto reduzido de parâmetros
agrupados em critérios de combustão, regulamentares e de funcionamento de
instalação (BIDONE, 2001).
1.1. Resíduos
Para que ocorra uma boa incineração é necessário o conhecimento das
características do resíduo, mediante a realização de análise para que assim sejam
cadastrados. As características dos resíduos e seu comportamento durante a
combustão, é que determinam como devem ser misturados, estocados e introduzidos
na zona de queima, de maneira a produzir concentrações de poluentes dentro das
concentrações e capacidades adequadas aos sistemas de lavagem que é
implementado à saída dos gases da chaminé.
Os parâmetros essenciais à caracterização de um resíduo são
(IPT/CEMPRE):
• PCI (poder calorífico inferior) – indica quanto calor é liberado durante a
queima, sendo que quanto maior o seu valor menor o consumo de combustível. Se
10muito variável pode dificultar o controle de temperatura e causar combustão
incompleta com emissão de material tóxico pela chaminé, fusão e acúmulo de cinz
• as devido a temperaturas excessivas, consumo excessivo de combustível
e geração de CO devido à insuficiência de ar para a combustão.
• Umidade – a quantidade de água contida influencia na recuperação de
energia, pois se for alta prejudica a recuperação.
• Composição elementar
• C, H, O – permitem calcular as condições da combustão
• S, organoclorado, N – afetam a durabilidade do equipamento devido à
formação de gases ácidos corrosivos
• Metais (Hg, Cd, Pb e outros) – podem conferir toxicidade aos resíduos e
às correntes gasosa e líquida que saem do incinerador. São fatores primordiais na
classificação das cinzas.
• Características especiais – toxicidade, corrosividade, odor, liberação de
fumaça, reatividade que influenciam na consideração do incinerador e nos cuidados
operacionais visando garantir a integridade dos operadores e do equipamento.
O processo de incineração tem utilidade maior para eliminar resíduos
combustíveis ou com presença elevada de orgânicos – embora qualquer rejeito que
possua uma fração orgânica seja, a princípio adequado - não apresentando vantagens
para outros materiais como vidros e metais (resíduos com alto teor de voláteis e de
compostos inorgânicos não são desejados). Sendo assim, os resíduos que apresentam
maior potencial para o processo de incineração são (SITE B):
1. Resíduos orgânicos constituídos basicamente de carbono, hidrogênio
e/ou oxigênio;
2. Resíduos que contêm carbono, hidrogênio, cloro com teor inferior a 30
% em peso e/ou oxigênio; e
3. Resíduos que apresentam seu poder calorífico inferior (PCI) maior que
4.700 kcal/kg (não necessitando de combustível auxiliar para queima).
Uma vez definida no projeto a composição dos resíduos a serem
incinerados, é exigido pelo órgão de controle de meio ambiente um plano mínimo de
monitoramento, que se torna mais complexo e caro à medida que se deseje incinerar
substâncias mais perigosas e em maior quantidade e variedade. A admissão de
11resíduos com composição muito diferente da esperada pode causar problemas de
gravidade variável, tais como (SITE C):
1. Contaminação da corrente gasosa, líquida e/ou das cinzas, como metais
pesados
2. Danos ao revestimento refratário e grelhas, como excesso de flúor e
vidros
3. Explosões devido a explosivos e substâncias instáveis ou muito reativas
4. Desgaste do revestimento refratário devido a alto teor de sódio
5. Corrosão devido a altos teores de enxofre e/ou cloro
6. Combustão incompleta causada como por exemplo por sólidos em
pedaços grandes (madeiras, vidros, gesso ortopédico)
7. Consumo excessivo de combustível pelo resíduo muito úmido, como
lixo urbano
8. Geração de monóxido de carbono (CO) e material particulado em
excesso devido a PCI alto e variável.
1.1.1. Classes dos resíduos
Os resíduos são classificados em (SITE H):
1.1.1.1. Classe I - perigosos;
1.1.1.2. Classe II - não inertes;
1.1.1.3. Classe III - inertes.
1.1.1.1. Classe I
São aqueles que apresentam periculosidade, conforme definido
anteriormente, ou uma das características seguintes.
• Inflamável
• Corrosivo
• Reativo
• Tóxico
• Patogênico
121.1.1.2. Classe II
São aqueles que não se enquadram nas classificações de resíduos classe I ou
classe III, nos termos da norma.
1.1.1.3. Classe III
Quaisquer resíduos que, quando amostrados de forma representativa e
submetidos a um contato estático ou dinâmico com água destilada ou ionizada, a
temperatura ambiente, conforme teste de solubilização, não tiverem nenhum de seus
constituintes solubilizados a concentrações superiores aos padrões de potabilidade de
água, executando-se ou os padrões de aspecto, cor, turbidez e sabor. Como exemplo
desses materiais, podem se citar as rochas, tijolos, vidros e certos plásticos ou
borrachas que não são decompostos prontamente.
1.2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO
Pode-se dividir o processo de incineração em três grandes segmentos:
- Preparação e alimentação do resíduo;
- Combustão,
- Controle de gases e cinzas (figura 1).
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Figura 1 – Orientação geral da Incineração e opções de componentes do
processo
Fonte: DEMPSEY & OPPELTY, 1993
1.2.1. Preparação e Alimentação do Resíduo
A forma física do resíduo determina o método adequado de alimentação.
Líquidos são misturados e bombeados para dentro das câmaras de combustão através
de bicos spray ou via queimadores atomizadores. Resíduos contendo sólidos em
suspensão podem necessitar de uma filtragem. A mistura de resíduos que entra na
câmara pode ser preparada antes da alimentação ou dentro da câmara usando bicos
spray. Para garantia do poder calorífico utiliza-se combustível auxiliar. A mistura de
resíduos também é uma forma de controlar o teor de cloro (DEMPSEY & OPPELT,
1993).
141.2.2.Combustão
A Unidade de Combustão constitui a parte fundamental de uma incineradora
porque do seu funcionamento depende a capacidade da incineradora para destruir
mais ou menos, eficazmente os resíduos orgânicos perigosos. Há diferentes tipos de
tecnologias aplicadas na queima de resíduos perigosos que incluem majoritariamente
fornos rotativos, incineradores de câmaras fixas, sistemas de injeção líquida e
sistemas em leito fluidizado (DEMPSEY & OPPELT, 1993).
Entretanto, a maioria das incineradoras comerciais de resíduos perigosos é
do tipo forno rotativo (figura 2) devido à sua maleabilidade e capacidade para tratar
diferentes tipos de resíduos. Os fornos rotativos utilizados na incineração de resíduos
perigosos são constituídos tipicamente por duas partes: o forno rotativo propriamente
dito onde ocorre a combustão primária e a câmara de pós-combustão.
A função primária do forno é converter os resíduos sólidos em gases,
processo este que ocorre através de uma série de volatilizações, destilação destrutiva
e reações parciais de combustão; é onde ocorre a secagem, o aquecimento, a
liberação de substâncias voláteis e a transformação do resíduo remanescente em
cinzas (IPT/CEMPRE). Neste processo é gerado o material particulado, que
basicamente é a fumaça escura gerada em uma queima não-controlada. As partículas
menores são as mais prejudiciais ao ser humano. Para esta fase é importante fornecer
ar de combustão em quantidade suficiente e de maneira homogênea, expondo
totalmente o resíduo ao calor. Ao final, a massa de cinzas já não mais se reduz,
restando carbono não-queimado, compostos minerais de alto ponto de vaporização e
a maioria dos metais, sendo necessário um pós-queimador para completar as reações
de combustão, para garantir a destruição das substâncias voláteis e parte do material
particulado.
Os gases, vapores e material particulado, liberados na combustão primária,
são soprados ou succionados para a câmara de combustão secundária ou pós-
combustão, onde permanecem por cerca de 2 segundos expostos a l.000ºC ou mais
para completar a queima. Nessas condições, ocorre a destruição das substâncias
voláteis e parte do material particulado.
15Tanto o forno quanto o pós-queimador são, usualmente, equipados com
sistemas de queima de combustível auxiliar para elevar e manter a temperatura de
operação desejada (FREEMAN et al, 1986). A substituição de óleo combustível por
gás natural permite uma diminuição do material particulado (FREITAS, 2001).
Figura 2 – Forno Rotativo
Fonte: DEMPSEY & OPPELT, 1993
A queima em incineradoras, embora eficaz, nunca é total, como em
qualquer processo térmico. Além disso, os elementos vestigiais presentes nos
reagentes não são destruídos e têm que sair com os efluentes. Adicionalmente, os
produtos de combustão completa nem sempre são substâncias inócuas, como os
resultantes da queima de enxofre, cloro e flúor, que são substâncias ácidas (SO2 e
H2SO4, HCl e HF). Assim, da incineração resultam efluentes sólidos e gasosos que
contêm poluentes, isto é, compostos orgânicos resultantes da queima incompleta ou
sintetizados a partir de precursores, monóxido de carbono, partículas de cinzas e
fuligem, óxidos de azoto, SO2, HCl e HF, e elementos vestigiais tóxicos como o
mercúrio, chumbo e outros. Uma parte das substâncias poluentes sai com as cinzas e
16resíduos sólidos da combustão, pela base do forno. Esses resíduos normalmente
permanecem não queimados e podem estar contaminados com concentrações
importantes de metais tóxicos não-voláteis ou semi-voláteis, de compostos orgânicos
tóxicos e de dioxinas/furanos. Devem assim ser considerados resíduos perigosos e
tratados com as regras de segurança aplicadas a esse tipo de resíduos.
1.2.3. Controle e Monitoramento das Condições de Operação
Como nenhum processo de incineração opera com 100% de eficácia,
substâncias presentes nos resíduos podem não ser totalmente queimadas e acabam
sendo liberadas na forma de gases ácidos (HCl, NOx, SO2), compostos orgânicos
(hidrocarbonetos e dioxinas/furanos), particulados e cinzas (LEE & HUFFMAN,
1995).
Os produtos que esperamos obter através de uma combustão completa são:
dióxido de carbono, vapor d’água e cinzas inertes, mas devido à ausência da
idealidade, pequenas quantidades de outros produtos podem ser formadas,
dependendo da composição química do resíduo e das condições de combustão
encontradas.
Um parâmetro a ser analisado e de grande importância é a eficiência de
destruição e remoção que é em torno de 99,99 a 99,999%. Os principais fatores que
influenciam a destruição dos resíduos são (SITE G):
Temperatura - Na incineração, o objetivo é fornecer energia suficiente para
que ocorra o rompimento das ligações químicas entre os átomos do resíduo e, depois,
recombinação das ligações, visando formar principalmente CO2 e água, substâncias
que são bastante estáveis. A necessidade de manter a temperatura correta de
incineração exige controle automático de temperatura nas duas câmaras, geralmente
com alarme para temperatura baixa e bloqueio automático da alimentação de
resíduos;
Tempo - A absorção da energia fornecida ao resíduo pela queima do
combustível é rápida, mas não instantânea. O tempo de 0,8 a 2s, exigido como tempo
17de residência dos gases, é necessário para que ocorram as reações químicas de
destruição dos compostos tóxicos. Variações na quantidade alimentada de resíduo ou
na pressão no interior do incinerador podem provocar a redução do tempo de
residência, prejudicando a incineração.
Turbulência - É necessário que todo o material, passando pela câmara,
permaneça exposto à temperatura de incineração durante o mesmo tempo. Assim, a
câmara secundária é dimensionada visando permitir o escoamento turbulento dos
gases, garantindo uma mistura adequada.
Excesso de ar - A combustão completa de um resíduo exige a presença de
oxigênio (O2), em quantidade adequada. Sabendo-se a composição deste resíduo
pode-se calcular a quantidade teórica de 02 a ser suprida. Na prática, porém, é preciso
fornecer um excesso de ar, porque a mistura resíduo/O2 não é perfeita. Normalmente,
o excesso de ar e a concentração de CO (monóxido de carbono) são medidos
continuamente na chaminé resultando um valor igual a zero, indicando que todos os
compostos orgânicos estão sendo adequadamente destruídos. Quando o excesso de
ar cai abaixo de l a l,5 % , a combustão passa a ser incompleta, fato indicado pelo
aparecimento de CO na chaminé.
1.2.4. Controle e Monitoramento das Emissões e Cinzas
1.2.4.1. Emissões Tóxicas
1.2.4.1.1. Cloreto de Hidrogênio
O cloro presente pode ser convertido em cloreto de hidrogênio, um gás
ácido forte, que sob temperaturas altas ataca a maioria dos metais que encontra, ou
seja, alguns dos materiais dos quais o incinerador é construído, como forros de forno,
tubos condutores e tubos de caldeira, que precisam de atenção freqüente e cara. A
maior parte deste gás pode ser removida com substâncias abrasivas alcalinas.
1.2.4.1.2. Óxidos de Nitrogênio
18Formado pela combinação de nitrogênio e oxigênio sob altas temperaturas
de combustão. Por ser um gás neutro, não pode ser removido por substâncias
químicas alcalinas, sendo necessário sistemas de injeção de uréia ou amônia para
converter parte do óxido novamente em nitrogênio, evitando que esse seja convertido
pela luz solar em dióxido de nitrogênio que contribui para a formação de fumaça
fotoquímica e chuva ácida. Entretanto, esses reagentes são caros.
1.2.4.1.3. Metais
A fração inorgânica dos resíduos contém a maioria dos metais e suas
espécies, ficando grande parte inerte durante a incineração e formando as cinzas. A
preocupação em relação aos metais é devida a sua presença em vários resíduos
perigosos e seus efeitos adversos sobre a saúde humana (arsênio, cádmio, cromo e
berílio são carcinogênicos; antimônio, bário, chumbo, mercúrio, prata e tálio são
tóxicos). Sob temperatura de combustão são liberados de materiais razoavelmente
estáveis, na forma de minúsculas partículas ou gases. O particulado dos
incineradores de resíduos perigosos é composto na sua maior parte por óxidos de
silício, ferro, cálcio e alumínio e uma pequena fração é carreada pelos gases de
combustão. Algumas espécies são voláteis e vaporizam nas condições de
incineração, podendo condensar de maneira homogênea ou heterogênea, ou sob outro
mecanismo, espécies podem reagir para formar novos compostos, tais como
fluoretos, cloretos, óxidos metálicos e espécies reduzidas. Sua remoção é feita por
dispositivo de controle de partículas como precipitadores eletrostáticos ou filtros
industriais. Ainda assim, os metais são meramente transferidos para as cinzas e para
os equipamentos de controle que serão aterrados. O mercúrio recebe atenção especial
devido ao fato de que na temperatura de combustão, em forma de gás, escapa dos
controles de partículas, podendo ser empregado carvão ativado para absorver o
mercúrio. Esta forma de controle causa problemas futuros, quanto ao descarte deste
carvão ou a sua reativação.
1.2.4.1.4. Subprodutos
19Produtos de combustão incompleta podem ser emissões substancialmente
perigosas de impacto ao meio ambiente e a saúde humana. Segundo (DELLINGER,
1990), essas emissões são causadas principalmente por baixas temperaturas, curtos
tempos de residência e altas razões resíduos/oxigênio. Eles podem resultar dos
seguintes fenômenos: destruição incompleta dos PCOPs, formação de novos
compostos na zona de combustão como resultado da destruição parcial seguida de
reações de moléculas-radicais com outros compostos ou fragmentos de compostos
presentes, ou compostos de outras fontes como poluentes presentes no ar ambiente,
que estejam no ar de combustão (DEMPSEY & OPPELT, 1993).
1.2.4.1.5. Dioxinas e Furanos
Fazem parte dos poluentes mais tóxicos que existem e são geradas quando
materiais contendo cloro são queimados. Contêm substâncias químicas que têm
carbono, oxigênio e cloro como base. Invisíveis, inodoros e bioacumuláveis. Não
possuem valor comercial e apresentam riscos à saúde, tais como: alterações sexuais,
problemas reprodutivos, supressão do sistema imunológico, diabetes, toxicidade
orgânica e uma ampla gama de efeitos sobre hormônios. Não existe um nível
'aceitável' de exposição às dioxinas, visto que são cumulativas e degradam
lentamente. São liberadas no meio ambiente através dos gases, cinzas de fundo e
suspensas ou fuligens nos efluentes de dispositivos controladores de poluição
(GREENPEACE). Podem estar presentes nos resíduos ou no combustível, serem
resultados de uma queima incompleta ou da recombinação de produtos exauridos na
queima ou formados durante o resfriamento dos gases incinerados (LEE &
HUFFMAN, 1995; McKAY, 2001, DEMPSEY & OPPELT, 1993). Sendo assim,
faz-se necessário um controle efetivo de parâmetros que garantam a eficácia da
combustão: resíduo (resíduos contendo cloro podem ser precursores da formação de
dioxinas), tempo de residência (1,5-2,0s), turbulência, temperatura (> 850°C) e
excesso de O2 (3-6%). Essas condições possibilitam a minimização da formação das
dioxinas (McKAY, 2001). Como as dioxinas podem ser formadas novamente depois
dos fluxos de gás ao deixarem a câmara de combustão, se passadas através de
dispositivos de controle de poluição de ar, que operem a temperaturas entre 200-
20400°C (DEMPSEY & OPPELT, 1993; McKAY, 2001), extinguir os fluxos de gás
imediatamente após emergirem da câmara de combustão é uma estratégia para a
minimização da formação de dioxinas pós-combustão, invalidando a possibilidade de
aproveitamento de energia, pois este gás não passaria através das caldeiras para
geração de vapor (FURTADO, 2001; CERQUEIRA & ALVES, 1999). Além disso,
as dioxinas podem estar presentes nas cinzas suspensas e sedimentada, as quais
geralmente são ignoradas.
1.2.4.2. Cinzas
Os componentes inorgânicos dos resíduos não são destruídos pela
incineração. As cinzas de incineração, geradas no fundo da câmara de combustão e
nos equipamentos de controle de poluição do ar, podem ser extremamente tóxicas,
contendo uma concentração alta de metais como chumbo e cádmio, assim como
dioxinas e furanos. Os dois tipos de cinza gerados num incinerador são a cinza
sedimentada e a em suspensão, praticamente de mesma composição, diferenciada
pelo tamanho das partículas. A primeira é formada partículas maiores (escória), que
caem por gravidade através do sistema de grelha da fornalha e representa
aproximadamente 90% da cinza. A segunda é formada por partículas menores
coletadas nas caldeiras, nos dissipadores de calor e nos dispositivos de controle de
poluição do ar, ou seja, quanto melhor for o controle de poluição do ar, mais tóxica
se torna a cinza (GREENPEACE).
Após análise do sistema de controle de gases e cinzas de vários
incineradores, de uma maneira geral podemos citar (CERQUEIRA & ALVES, 1999;