Inventário de emissões fugitivas Protocolos cálculo

Um inventário de emissões é uma base de dados que apresenta a quantidade de poluentes, por fonte de emissão, lançados para a atmosfera durante certo período de tempo. É um instrumento importante para o gerenciamento da qualidade do ar, uma vez que pode ser utilizado para identificar as fontes mais significativas, estabilizar as emissões ao longo do tempo, direcionar ações regulatórias e estimar a qualidade do ar através de modelagem matemática de dispersão atmosférica (EPA, 2015a).

De acordo com EPA (1995) e EPA (2015d), as taxas de emissões fugitivas de componentes de linhas de processo em refinarias de petróleo podem ser calculadas a partir de cinco abordagens principais: fatores médios de emissões; fatores por faixa de medição ou

screening range; equações de correlação da EPA, equações de correlação específicas de

unidades de processo e medição direta. Cada um destes métodos requer diferentes dados, tais como informações de processo, número de componentes na linha de processo e dados de monitoramento.

O Quadro 5 resume os métodos para estimativa de emissões fugitivas classificados em níveis em ordem decrescente de acurácia.

Nível em ordem decrescente de acurácia

Método Características Vantagens Desvantagens

1 Medição direta: bagging ou amostrador de grandes volumes

 É utilizado o Método 21 (TVA ou solução formadora de bolhas) para identificar os vazamentos e então é utilizado um dos métodos de medição direta para determinar a taxa mássica de emissão. A taxa mássica é calculada multiplicando a vazão medida na amostra pela diferença entre a concentração de fundo e a concentração medida do gás.  Método de maior acurácia por permitir determinação da taxa de emissão diretamente dos dados medidos.  Custo elevado.  Elevado tempo para a realização, o que inviabiliza sua realização na rotina da planta industrial.

Nível em ordem decrescente de acurácia

Método Características Vantagens Desvantagens

2 Equações de correlação específicas de unidades de processo

 Estas equações devem ser desenvolvidas para uma unidade específica da planta industrial através medições da taxa de emissões, por exemplo, pelo

bagging. Em função do alto custo e

da complexidade de realização das medições diretas este método não é utilizado amplamente.  Seu uso minimiza o erro associado às diferentes características de vazamentos entre as diferentes unidades.  Necessidade de medição por bagging ou método equivalente para obtenção de dados.  Custo elevado 3 Equações de correlação da EPA

 As concentrações finais dos componentes medidos (screening

value), seguindo o Método 21, são

utilizadas nas equações de

correlação desenvolvidas pela EPA para o cálculo da taxa mássica de emissões fugitivas.

 Para concentrações finais iguais a zero ou acima do limite de detecção do equipamento (pegged), as equações não são aplicáveis e são utilizados fatores específicos.

 As equações e os fatores são específicos para cada tipo de componente.  Fornece uma estimativa de taxa mássica de emissões refinada quando há dados de medições disponíveis.  Fornece uma função contínua ao longo de toda a faixa de valores medidos ao invés de intervalos discretos.  As medições das concentrações a serem usadas neste método devem seguir o mesmo formato que foi utilizado para desenvolver estas equações (Método 21).  É necessário o desenvolvimento de uma curva de resposta do instrumento, quando esta não estiver disponível, que correlacione o valor de concentração medido ao valor real de concentração.  Há significativa variação entre os valores medidos seguindo o método 21 para uma dada taxa mássica de emissão. Ou seja, o instrumento de medição registra diferentes concentrações para uma mesma massa de emissão em vazamento.

Nível em ordem decrescente de acurácia

Método Características Vantagens Desvantagens

4 Fatores por faixas de medição ou screening range

 Nos programas LDAR mais antigos a única informação que era gravada era se o componente estava vazando ou não. A partir de dados de n° de componentes de cada tipologia e a quantidade acima e abaixo do limite de vazamento de 10.000 ppm, podem ser aplicados os fatores para o cálculo das emissões.

 Estes fatores são específicos para cada tipo de componente e cada tipo de serviço (G, LL e LP).  Apresenta maior refinamento quando comparado ao uso de fatores médios.  Dados disponíveis de taxa mássica de emissões medidas podem variar consideravelmente em relação às taxas estimadas por estes fatores.

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Fatores médios de emissões

 Este método deve ser utilizado somente para componentes que não estão sendo monitorados

rotineiramente.

 O ideal é ter a contagem dos componentes da planta, mas caso este dado ainda não esteja disponível, pode-se utilizar a contagem padrão que foi definida pela EPA para refinarias de pequeno e grande porte.

 Estes fatores são específicos para cada tipo de componente e cada tipo de serviço (G, LL e LP).

 Na ausência de valores de medição oferece boa indicação das taxas de emissões fugitivas de componentes na unidade de processo

 Não apresenta boa acurácia para componentes individuais.  Não refletem as diferentes condições entre diferentes unidades de processo dentro de uma categoria de fonte.  É o método que apresenta o maior potencial de erro dentre todos.

Quadro 5 - Resumo das principais abordagens para o cálculo de emissões fugitivas em componentes de linhas de processo. Fonte: elaboração própria baseado em EPA (1995) e EPA (2015d)

Hassim et al. (2012) apresenta ainda o método dos fatores estratificados como uma outra abordagem que também foi desenvolvida pela EPA, mas que não é mais apresentada na última atualização de métodos publicada pelo órgão ambiental americano.

O uso somente da imagem ótica para detecção dos vazamentos não permite a quantificação de emissões, porém o API desenvolveu uma metodologia para quantificar as taxas de emissões quando se utiliza esta técnica. Os fatores utilizados dependem da capacidade da câmera para detectar um vazamento, que deve ser testada a cada monitoramento. São definidos fatores “com vazamento”, que devem ser usados para os componentes com pluma detectada pela câmera, e fatores “sem vazamento”, utilizados para todos os demais componentes. Os fatores para definição de vazamento de 6g/h parecem ser mais adequados para a estimativa da taxa mássica total de COV quando se usa câmera de imagem ótica O importante é ter uma contagem acurada de todos os pontos de com potencial

de emissões fugitivas. CONCAWE (2015b). O Anexo I apresenta os fatores para diferentes definições de vazamento.

Quando a contagem de componentes não está disponível, pode-se utilizar a contagem padrão fornecida pela EPA. A estimativa do quantitativo de componentes é feita de acordo com o porte da refinaria, grande ou pequeno dependendo da capacidade de processamento de petróleo, com o tipo de processo, com a tipologia de componente e com o tipo de serviço a que estão submetidos (gás, líquido leve ou líquido pesado) (EPA, 2015d).

Segundo CPPI (2011), no Canadá a estimativa de contagem de componentes é dada em função do número de bombas e compressores da planta. O Quadro 6 apresenta as relações entre quantitativos de componentes, aplicáveis para refinarias de petróleo.

Componente Gás Líquido leve ou pesado

Válvulas por bombas ou compressores 133 41

Flanges por válvulas 4,1 4,1

Selos de misturadores - 1,0

Selos de bombas por bombas - 1,35

Selos de compressores por compressores 2 -

Quadro 6 - Contagem média de componentes em refinarias Fonte – adaptado de CPPI (2011)

O Canadá considera quatro tipos de métodos para o cálculo de emissões fugitivas: fatores médios de emissão, faixas de medição de valores, método estratificado e equações de correlação (em ordem crescente de quantidade de dados necessários e de acurácia no resultado). São utilizados os mesmos fatores definidos pela EPA para os métodos de fatores médios e equações de correlação. O método estratificado, que foi desenvolvido pela EPA, é recomendado para o cálculo das emissões de flanges (CPPI, 2011).

Para a especiação de vazamentos provenientes de fontes pressurizadas, a composição da emissão é considerada a mesma da corrente, sem considerar que haja uma fase líquida em equilíbrio com uma fase vapor com composições diferentes. As emissões dos pontos inacessíveis são calculadas utilizando a taxa média de vazamento por unidade de processo, conforme medido na primeira vez que a refinaria foi monitorada, ou com os fatores médios de emissões (CPPI, 2011).

EPA (1995) e EPA (2015d) apresentam observações importantes que devem ser levadas em conta para o cálculo correto das taxas mássicas de emissões fugitivas, tais como:

 As equações de correlação e os fatores "zero" e "pegged" fornecem as emissões em massa de compostos orgânicos totais (COT), que incluem compostos que não são considerados

voláteis, como o metano e o etano. Para obter as emissões de COVs é necessário saber a fração mássica de metano e etano na corrente para subtrair as suas parcelas de emissões.

 As equações de correlação matematicamente calculam emissão zero para medidas de zero

screening value (qualquer valor medido menor ou igual à concentração de fundo é

considerado zero). Na prática isso não é correto, pois o menor limite de detecção do analisador portátil é maior que zero. Além disso, é difícil obter medições precisas quando a concentração está próxima do zero. Para os casos de medidas "pegged", na prática os valores de concentração não são conhecidos e por isso o uso das equações torna-se inapropriado. Os fatores pegged foram desenvolvidos utilizando dados de massa de emissões associadas com valores medidos, para duas faixas de concentração: maior ou igual a 10.000 ppmv e maior ou igual 100.000 ppmv. As medições realizadas com o analisador portátil que fiquem dentro de alguma destas faixas devem utilizar seus respectivos fatores pegged.

 Os fatores para faixas de medições, no caso de refinarias de petróleo, calculam as emissões sem considerar o metano. Para calcular as emissões totais dos compostos, considerando o metano, os fatores devem sofrer uma correção, multiplicando-os pela relação (% mássica de COT/ (% mássica de COT - % mássica de CH4)).

 Os fatores médios de emissão, no caso de refinarias de petróleo, também calculam as emissões sem considerar o metano. Para calcular as emissões de COT, os fatores devem sofrer uma correção, multiplicando-os pela relação (% mássica de COT/ (% mássica de COT - % mássica de CH4)). Neste caso só é permitida a correção para uma fração

mássica de metano de no máximo 10%, mesmo que na corrente esta fração seja maior. Cada refinaria poderá usar uma combinação de métodos para o cálculo do inventário. Por exemplo, pode-se usar métodos nível 2 quando se tem um perfil de concentração para determinado componente ou grupo de componentes e usar nível 5 para outros componentes que não sejam rotineiramente monitorados.

Cheremisinoff e Rosenfeld (2009) afirmam que os vazamentos nos componentes ocorrem de forma randômica, intermitente e variam de intensidade ao longo do tempo, por isso a medição de um componente fornece um retrato do momento. Uma vez que os componentes não são monitorados continuamente, a descoberta de um vazamento não fornece informações sobre quanto tempo ele vem ocorrendo. Por esta razão, para o cálculo das emissões assume-se que o vazamento está ocorrendo durante todo o período de intervalo entre as medições. Os autores esclarecem ainda que, em geral, os métodos mais refinados de

cálculo das emissões exigem a disponibilidade de mais dados, mas por outro lado oferecem estimativas de emissões fugitivas mais confiáveis. Estes métodos têm maior custo para serem viabilizados e por isso muitas vezes não são adotados por muitas refinarias. Eles apontam como principais fontes de erros nos inventários de emissões, fatores como:

 Erros de medição;

 Erros de extrapolação;

 Incertezas inerentes do método escolhido para a estimativa das emissões;

 Informações incompletas a respeito das fontes e níveis de atividade;

 Pouco entendimento das variações temporais e sazonais das fontes;

 Má aplicação de dados de processo ou de fatores de emissão;

 Erros no reporte de dados de processo;

 Erros na contagem de tipologias de componentes;

 Erros na entrada de dados;

 Erros de cálculo.

As emissões estimadas com fatores que utilizam as medições com o Método 21 são bastante conservativas especialmente para plantas onde não existem vazamentos acima de 200 g/h (CONCAWE, 2015b).

EPA (1995) esclarece que normalmente não é possível realizar o monitoramento de todos os componentes em uma planta industrial. Em alguns casos os componentes são inacessíveis ou inseguros para o monitoramento, mas devem ser incluídos na contagem dos equipamentos e os fatores médios de emissão devem ser usados para calcular as suas emissões. Em outros casos, não é possível monitorar todos os componentes devido aos custos associados, especialmente no caso das conexões. Para estes componentes, seguindo alguns critérios estabelecidos pela EPA, a taxa de emissão média calculada para uma amostra de conexões da planta que tenha sido monitorada, pode ser aplicada às demais conexões que não foram monitoradas. No caso das demais tipologias de componentes, caso não tenham sido monitoradas, devem ser aplicados os fatores médios para o cálculo de suas emissões.

Wood-Black (2013) cita que se for medido, por exemplo, 60% de todos os componentes de uma refinaria, a EPA tem aceitado que as emissões calculadas para a parte medida sejam extrapoladas para os componentes não medidos, embora haja orientação por escrito da própria EPA de que devem ser utilizados os fatores médios de emissão para estimar as emissões dos componentes não monitorados. O autor acredita que esta seja uma tendência a ser seguida oficialmente pela EPA.

O Anexo I apresenta as equações de correlação para estimativa de emissões, utilizadas no presente estudo, e a Figura 5 resume em um esquema geral as diferentes abordagens para o cálculo do inventário de emissões, segundo a EPA (1995).

Em resumo, dentre as metodologias apresentadas para controle de emissões fugitivas, as metodologias LDAR e Smart LDAR são aquelas mais adequadas para aplicação em componentes de linhas de processo de refinarias e por isso foram elencadas para a avaliação do custo-efetividade. O item 2.4 aborda de forma mais detalhada as características, exigências, vantagens e desvantagens das metodologias LDAR e Smart LDAR.

Figura 5 - Esquema geral de aplicação das diferentes abordagens de cálculo de emissões Fonte: adaptado de EPA (1995)

Fazer os cálculos utilizando a vazão e a concentração medidas Inventário Realizar contagem dos componentes por tipologia Aplicar fatores médios de emissão e compor o total de emissões Inventário Realizar medição de todos os componentes v Aplicar fatores com/sem vazamento e compor o total de emissões Inventário Aplicar as novas correlações e compor o total de emissões Aplicar as equações de correlação e compor o total de emissões Inventário Realizar medição com bagging de todos os componentes e tipos de serviço Desenvolver equações de correlação específicas de cada unidade Inventário