Estudo das Viabilidades Técnica, Econômica e Ambiental Referentes à Produção de Energia Elétrica a Partir da Biomassa de Resíduos Agrícolas

JOHNSON PONTES DE MOURA¹

¹ENGENHEIRO QUÍMICO, DOUTORANDO EM ENGENHARIA MECÂNICA-UFPE; DISCENTE DO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIAS RENOVÁVEIS COM ÊNFASE EM BIOGÁS-UNILA.

EMAIL: johnsonmoura@gmail.com

RESUMO

O presente artigo visa apresentar a legislação do CONAMA referente à produção de energia elétrica a partir da biomassa de resíduos agrícolas, especificamente, o processo de pirólise da casca de arroz. Durante a execução deste trabalho de cunho científico, foram estudadas, preliminarmente, as viabilidade técnica, econômica e ambiental da aplicabilidade dos insumos.

Palavras-chave: gaseificação; pirólise; cogeração; resíduos; casca de arroz.

 

1.            CONSIDERAÇÕES INICIAIS

A utilização da energia da biomassa tem atraído particular interesse nos anos recentes devido à proximidade da extinção das reservas de combustíveis fósseis, o que aponta para o aumento do uso de energia renovável. Este interesse é atribuído aos seguintes fatos, dentre outros: (1) contribui para a redução da pobreza em países em desenvolvimento; (2) consegue suprir necessidade de energia continuamente sem sistemas complexos de conversão; (3) pode entregar energia na forma que as pessoas precisam: combustíveis líquidos ou gasosos, calor e eletricidade; (4) é neutro na produção de dióxido de carbono; (5) pode ajudar na restauração de terras improdutivas e degradadas, na fertilidade do solo e retenção de água (DEMIRBAS et al., 2009; ROCHA et al., 2004; RIBEIRO et al., 2006).

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 1. Os dez maiores produtores de bio-eletricidade em 2005.

(fonte: adaptado de DEMIRBAS, 2009)

 

A Figura 01 mostra os maiores produtores de bio-eletricidade em 2005; o Brasil aparece como o terceiro maior produtor. Segundo DEMIRBAS et al. (2009), no Brasil, houve um aumento de 139,3 % na produção de bio-eletricidade no período de 1995 a 2005: de 5,6 para 13,4 TWh, o que correspondeu a 3,33 % da produção total de eletricidade (402,9 TWh) no referido ano (MME-BR, 2006).

Já em um artigo publicado por LORA e ANDRADE (2009), foi apresentada uma visão geral do potencial disponível e das tecnologias relacionadas à implementação da bioenergia no Brasil. Segundo os dados publicados, em 2006, as fontes renováveis foram responsáveis por 45,1 % da oferta de energia, dentre as quais 14,8 % vieram de hidrelétricas e 27,2 % da biomassa. Neste mesmo ano, a produção de eletricidade proveniente do uso de biomassa correspondeu a aproximadamente 4,45% do total de eletricidade gerada (419,3 TWh): o bagaço de cana contribuiu com 8,35 TWh, a queima da lenha com 0,72 TWh, o uso do black liquor[1] com 5,19 TWh e 4,25 TWh vieram de resíduos da agricultura, como a casca de arroz.

Em 2001, o Brasil possuía 100 MW de potência instalada com o uso do bagaço de cana-de-açúcar. Atualmente, há mais de 500 MW instalados em condições de gerar eletricidade. Para o mesmo insumo, estima-se que o potencial da bio-eletricidade para a década 2011-2020 ultrapassará as 3000 MW (DERMIBAS et al., 2009). Por outro lado, a indisponibilidade de gás natural, por exemplo, faz com que grandes ativos de geração de energia termelétrica fiquem ociosos, podendo acarretar em aumento da indisponibilidade das usinas, pelo fato de partes dos equipamentos estarem parados. Fato completamente indesejável. Portanto, a alternativa de pirolisar a biomassa, transformando o seu potencial em gás e, posteriormente, em combustível para uma usina termelétrica que não dispõe de outro combustível fóssil, torna-se cada vez mais atraente.

 

2.            OBJETIVOS

As mais importantes fontes de energia de biomassa são a madeira e seus rejeitos, plantações da agricultura e seus rejeitos de produção, resíduos sólidos municipais, rejeitos animais, rejeitos do processamento de alimentação, plantas aquáticas e algas (GERALDO et al., 2010). O presente artigo tem como objetivo principal o desenvolvimento de um pirolisador multi-combustível capaz de operar com os diversos tipos de combustíveis disponíveis na região sul do Brasil como alternativa tecnológica ao uso de gás natural em Usinas Termelétricas.

 

 

3.     FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

 

No Brasil, o consumo crescente e o impacto ambiental e social causados pelas fontes de energias tradicionais, levaram o governo e a sociedade a pensarem em novas alternativas energéticas. Diante desse cenário, as fontes renováveis são consideradas extremamente positivas, pois eliminam impactos ambientais negativos, a exemplo da não emissão de toneladas de gás carbônico na atmosfera.

O meio ambiente global, com seus recursos finitos, é uma preocupação comum e a preservação e a conservação da natureza um dever de todas as pessoas, pois a capacidade de recuperação do meio ambiente e o bem-estar da humanidade dependem da preservação de uma biosfera saudável com to­dos seus sistemas ecológicos, uma rica variedade de plantas e animais, solos férteis, águas puras e ar limpo.

 

3.1.         CONTEXTUALIZAÇÃO E PROBLEMATIZAÇÃO

 

Oitenta e um por cento (81%) da atual oferta energética mundial estimada, é baseada nos combustíveis fósseis (IEA, 2009). O principal resultado, acumulado ao longo de décadas, são as mudanças climáticas, decorrentes das emissões de ga­ses como o CO2, CO, NOX e SOX. O setor de energia é o mais representativo nos inventários de emissão de gases causa­dores do efeito estufa, contribuindo com noventa por cento (90%) das emissões, que indicam uma crise ambiental, em es­cala planetária, sem precedentes.

De acordo com o relatório do Painel Intergovernamen­tal sobre Mudanças Climáticas, a temperatura média da Terra terá um aumento médio de 1,8 a 4,0°C até 2100, que influen­ciará o regime de chuvas e secas afetando plantações e flo­restas. Outro fator de risco é o derretimento das geleiras da Antártida que, em ritmo acelerado, aumentará o nível do mar e conseqüentemente, irá inundar cidades à beira mar.

 

Neste contexto, as energias renováveis — a exemplo da energia hidráulica, biomassa, solar, eólica e geotérmica — aparecem como alternativas para reduzirem os efeitos dessa crise. Estima-se que o potencial eólico bruto mundial seja da ordem de 500.000 TWh/ano (terawatt-hora por ano), o que significa mais de 30 vezes o atual consumo mundial de eletrici­dade. Porém, atualmente, as energias renováveis respondem apenas por 12,7% da oferta energética mundial, e poderão chegar a não mais do que 14% da referida oferta em 2030. No contexto internacional, os esforços na direção da ampliação da participação das energias renováveis, são hoje objeto de um intenso debate. Particularmente, no que se refere aos biocombustíveis. As controvérsias alcançam maior vigor nas discussões da competição com a produção de alimentos. No que se refere à geração de eletricidade, a principal questão reside nos altos custos das fontes renováveis em relação às fontes fósseis, o que impõe a necessidade da implementação de diversas estratégias de apoio a essas fontes, normalmente fundamentadas na adoção de subsídios.

No Brasil, esse debate também se apresenta de forma intensa. Segundo dados preliminares do Balanço Energético Nacional (BEN, 2010 — ano base 2009), cerca de 54,5% da Ofer­ta Interna de Energia no Brasil é renovável, frente aos 12,7% correspondentes à oferta energética mundial, como já apre­sentado. A principal fonte de geração de energia elétrica da nossa matriz (77%) são as usinas hidroelétricas. Por sua vez, a Biomassa (lenha, carvão vegetal e bagaço de cana-de-açúcar) representa apenas 5,4% da oferta energética nacional, apesar do imenso potencial do país (solos, clima, disponibilidade de terras, tecnologia, dentre outros aspectos).

Os impactos ambientais causado pelo consumo crescente da população, e pelas fontes de energias fósseis, levaram o governo brasileiro e a sociedade civil organizada a pensarem em novas alternativas para geração de energia. Diante desse cenário, as fontes renováveis como a eólica, a solar e a bio­massa, são consideradas alternativas muito positivas. Além de causarem impactos substancialmente menores, ainda evitam a emissão de toneladas de gases poluentes na atmosfera, o que equacionaria o problema do suprimento de energia e mitigaria o aquecimento global. Exemplo disso, é o fato de que as emissões de CO2 relacionadas ao consumo de energia têm apresentado uma tendência decrescente ao longo dessa década. Em 2009, o indicador que mede a razão entre emissões geradas e energia consumida no país foi de 1,43 tonela­das de CO2 por tep (tCO2/tep), contra 1,48 tCO2/tep registrados em 2008. Destaque-se que a média mundial de emissões decorrentes da produção e do uso da energia é de 2,39 tCO2/ tep e nos países membros da OCDE é de 2,37 tCO2/tep (dados de 2007).

 

 

Uma forte contribuição governamental para a utilização de fontes renováveis de energia foi a criação, em 26 de abril de 2002, pela Lei nº 10.438, do Programa de Incentivo às Fontes Al­ternativas de Energia Elétrica (PROINFA), o qual posteriormente foi revisado pela Lei nº 10.762, de 11 de novembro de 2003.

 

3.2.         O LICENCIAMENTO DE UNIDADES DE PRODUÇÃO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS

 

O licenciamento ambiental é instrumento da Política Nacional de Meio Ambiente. Por seu intermédio o órgão com­petente licencia a localização, instalação, ampliação e opera­ção das unidades consideradas efetiva ou potencialmente po­luidoras, correspondendo às etapas de obtenção das licenças ambientais prévias (LP), de instalação (LI) e de operação (LO). Este processo prevê a participação social na tomada de deci­são, por meio das Audiências Públicas. Justamente por isso, o licenciamento é, também, palco de conflitos, pois é espaço de opiniões, críticas, desacordos e embates jurídicos que visam desarticular e macular a credibilidade do instrumento.

A Constituição estabelece que:

Art. 2º Dependerá de elaboração de estudo de impacto ambiental e respectivo relatório de im­pacto ambiental — RIMA, a serem submetidos à aprovação do órgão estadual competente, e da Secretaria Especial do Meio Ambiente — SEMA em caráter supletivo, o licenciamento de atividades modificadoras do meio ambiente.

Portanto, a construção, instalação, ampliação e fun­cionamento de atividades que utilizam recursos ambientais como insumos e que podem ser consideradas efetiva e poten­cialmente poluidoras, a exemplo de Unidades de Produção de Bioenergia, Eólica, Hidroelétricas e Solar, dependem de prévio licenciamento ambiental do órgão competente.

Apesar de serem consideradas muito mais benéficas para o meio ambiente, que a energia de origem fóssil, licen­ciar projetos de energias renováveis não é uma tarefa tão simples, pois os empreendimentos de produção de energias renováveis também podem gerar impactos ambientais. As hidroelétricas, por exemplo, provocam o alagamento de imen­sas áreas e a conseqüente perda da biodiversidade local. Os problemas sociais não são menores, como o da remoção de famílias das áreas atingidas pelos empreendimentos, violências provocadas pelos operários, dentre outros problemas.

Desde a sua implantação, com a elaboração da Lei nº 10.431/2006, regulamentada pelo Decreto 11.235, de 10 de outubro de 2008, a questão do licenciamento ambiental vem gerando polêmicas e discussões acaloradas entre os que defendem a sua ampliação e os que defendem a sua flexibilização.

 

3.3.         Gaseificação da Biomassa

A energia química da biomassa pode ser convertida em calor e daí em outras formas de energia, mediante duas rotas básicas: direta, através da combustão na fase sólida, ou indireta, quando através da pirólise, são produzidos gases e/ou líquidos combustíveis. A combustão direta é conhecida e praticada desde tempos imemoriais, enquanto os processos indiretos, como a gaseificação e liquefação, foram desenvolvidos apenas a partir de meados do século passado.

O processo de produção de um gás combustível a partir da biomassa pode ser considerado como composto por três etapas distintas: secagem, pirólise ou carbonização e a gaseificação propriamente dita. A secagem ou retirada da umidade pode ser feita quando a madeira é introduzida no gaseificador, aproveitando-se a temperatura ali existente, contudo a operação com madeira seca é mais eficiente. Durante a etapa de pirólise formam-se gases, vapor d'água, vapor de alcatrão e carvão, e na etapa de gaseificação é liberada a energia necessária ao processo, pela combustão parcial dos produtos da pirólise. Assim, o processo de gaseificação da biomassa, como da madeira, consiste na sua transformação em um gás combustível, contendo proporções variáveis de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, metano, vapor d'água e alcatrões. Esta composição do gás combustível depende de diversos fatores, tais como, tipo de gaseificador, introdução ou não de vapor d'água, e principalmente do conteúdo de umidade da madeira a ser gaseificada.

A gaseificação da biomassa e posterior utilização do gás combustível é segundo D'Ávila e Makray (1981), o processo de conversão mais eficiente da energia da biomassa em energia final, apesar das perdas de energia na produção de gás combustível. Assim, considerando-se as eficiências globais de aproveitamento do combustível, a gaseificação é um processo energeticamente competitivo com a combustão direta, com as eficiências globais situando-se na faixa de 60 a 75% para a combustão direta convencional e entre 65 e 80% para a gaseificação. Assumpção (1981) cita ainda algumas vantagens dos sistemas gaseificação-combustão sobre os sistemas de combustão direta, além da maior eficiência energética:

- as cinzas e o carbono residual permanecem no gaseificador, diminuindo assim a emissão de particulados;

- o combustível resultante é mais limpo e, na maioria dos casos não há necessidade de controle de poluição.

Uma discussão dos tipos de gaseificadores e suas características, incluindo os temas fundamentais da pressão de operação e do tratamento e limpeza do gás para utilização em turbinas a gás, pode ser encontrada em Nogueira et alli (1995). O atual nível de conhecimento dos gaseificadores atmosféricos é superior ao atingido no caso dos gaseificadores pressurizados, onde persistem dificuldades nos sistemas de alimentação de combustível, embora possam apresentar um desempenho energético algo superior.

 

3.4.         Aspectos ambientais

Como qualquer outra atividade humana, a utilização de biomassa regional a partir do resíduo da casca de arroz  para a produção de energia elétrica em larga escala certamente interferirá no meio ambiente, contudo a determinação dos possíveis impactos demandará estudos mais detalhados, que deverão ser feitos quando da análise de projetos específicos na parte florestal e na de conversão de energia.

Na área ambiental, os possíveis impactos negativos durante as fases de implantação, crescimento e exploração são: uso excessivo de produtos químicos (fertilizantes, pesticidas), erosão do solo, modificações das condições do habitat natural e compactação do solo através do uso intensivo de tratores e caminhões. Certamente que estes impactos podem e devem ser atenuados. Dentre os aspectos ambientais positivos, destaca-se a absorção do carbono da atmosfera, ajudando a regular a quantidade de CO₂ existente e, conseqüentemente, contribuindo para reduzir o efeito estufa. Além da absorção do CO₂, o controle da erosão do solo e das funções hidrológicas, a restauração de ecossistemas degradados, redução dos níveis de assoreamento dos rios e reservatórios, estão entre os possíveis impactos positivos.

Pode ser bastante relevante o fato da biomassa produzida de modo sustentável servir como um atenuador da emissão de carbono, sobretudo quando se discute internacionalmente a penalização dos combustíveis fósseis com taxas crescentes com sua emissão específica de carbono ("carbon tax"). Para se dar uma idéia da importância que esse imposto poderá vir a ter, as discussões em torno do valor a ser estipulado variam entre $EE.UU. 15,00 e $EE.UU. 400,00 por tonelada de carbono retido. Para uma área com produtividade florestal de 20 m³ sólido/ha.a, que retém só na parte aérea da floresta, cerca de 15 toneladas de carbono por hectare, esse imposto poderá vir a representar, para uma usina de 30 MW, um aporte de recursos de até $EE.UU. 51 milhões, com significativa influência em sua rentabilidade. Observese que os valores acima não levam em consideração o efeito de substituição, ou seja, o carbono que deixou de ser lançado na atmosfera em função da não utilização de combustíveis fósseis para gerar a mesma quantidade de energia (Cunha Filho et alli, 1995 e Leão et alli, 1995).

3.5.         PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE A PARTIR DA BIOMASSA

 

A produção de energia elétrica a partir da biomassa apresenta vantagens e desvantagens a considerar. Uma vez que há necessidade, na maioria das vezes, de coleta e transporte para concentração da matéria-prima em um único lugar (ou seja, o conteúdo energético da biomassa é “pouco denso espacialmente”), os custos do insumo crescem com a capacidade da unidade de conversão.

Ao contrário, as tecnologias tradicionais para conversão em energia elétrica apresentam forte economia de escala, ou seja, o investimento por unidade de insumo cai e as eficiências de conversão aumentam com a capacidade da unidade de conversão. Entretanto, a instalação de pequenas unidades de gaseificação de biomassa favorece o longo suprimento e o acesso à energia para comunidades brasileiras mais isoladas, pois a produção das usinas hidroelétricas é, em sua maioria, enviada aos grandes centros consumidores.

Investimentos em tecnologia têm buscado aumentar a eficiência de conversão em sistemas de menor capacidade e reduzir custos de coleta/transporte da biomassa. Para reduzir o custo de transporte, as unidades de conversão de biomassa em eletricidade devem utilizar:

ü  Resíduos do processamento da biomassa que estejam já concentrados no local de uso, tendo o custo do transporte sido absorvido pelo custo do produto principal. São exemplos o bagaço da cana-de-açúcar, a palha do arroz, os restos em serrarias e as cascas de árvores nas indústrias de celulose.

ü  Resíduos de outros usos da biomassa que possam ser coletados e transportados a baixo custo, como parte da palha da cana;

ü  Plantações específicas para a produção de energia, ou seja, florestas comerciais.

Um ponto importante a considerar, quando se trata da queima do bagaço da cana-de-açúcar e da palha do arroz, com produção sazonal, é a possibilidade de uso simultâneo de combustíveis complementares para permitir a geração durante todo o ano sem aumentar os custos de logística e estocagem da biomassa. Combustíveis auxiliares tradicionais têm sido carvão e óleo.

Ainda, apesar de as plantações energéticas aparecerem sempre como a opção final (depois de esgotados os resíduos mais baratos e até a possibilidade de utilização de combustíveis auxiliares), deve-se atentar para o fato de o custo da madeira plantada no Brasil ser extraordinariamente baixo.

Portanto, é preciso reavaliar a possibilidade da utilização de florestas comerciais energéticas; tem-se mantido certo viés, e os estudos atuais se concentram apenas em analisar os potenciais associados aos resíduos. Com a “internacionalização” gradual das tarifas de energia de origem térmica e com os custos decrescentes da produção de madeira, é muito provável que a viabilização comercial de ciclos termoelétricos mais eficientes derivados de biomassas ocorra no Brasil, em curto prazo.

Finalmente, analisando-se o sistema energético de forma mais ampla, é interessante que sistemas de geração a partir da biomassa com características de pequeno e médio porte (no máximo, algumas dezenas de mega-watts) busquem usos em cogeração sempre que possível. Para aumentar a eficiência de conversão, ciclos do tipo Rankine e Brayton devem ser utilizados, sempre associados às tecnologias de pirólise ou gaseificação. Agregar valor ao uso da energia térmica para produção de eletricidade fica muito mais fácil em sistemas localizados do que em grandes centrais. Este é o caminho para a independência energética de indústrias como a de papel-celulose e cana-de-açúcar, e poderá vir a ser a solução para o abastecimento de comunidades isoladas que sofrem com a carência da matriz energética brasileira atual. 

 

3.6.         Tecnologias para geração de eletricidade

 

Os tipos de biomassa existentes em maior quantidade em determinada localidade e as quantidades disponíveis por ano no local definem as tecnologias a serem utilizadas. Uma classificação simplificada é a seguinte:

 

ü  Sistemas de pequena escala (menores que 1 MW):

Usados em locais de pequena concentração de biomassa, os sistemas devem utilizar gaseificadores/pirolisadores acoplados a motores de combustão interna. Estes sistemas ainda são comercializados, encontrando-se apenas em escala piloto.

 

ü  Sistemas de média-grande escala (dezenas de MW):

Usados em locais de grande concentração de biomassa, os sistemas devem utilizar ciclos de gasificação/pirólise e turbinas a gás. Estas tecnologias não são comerciais, hoje, no mundo, mas a expectativa é que possam gerar energia a custos equivalentes aos dos ciclos convencionais a vapor uma eficiência muito maior.

 

Pode-se dizer que, pelo menos para sistemas de baixa pressão, a tecnologia de gasificação e o uso de ciclos combinados continuam sendo altamente promissores. Os resultados mais recentes confirmam a expectativa de obterem-se altos rendimentos de conversão para energia elétrica, praticamente dobrando os valores obtidos para os ciclos de vapor convencionais, com custos competitivos. Problemas tecnológicos (como a alimentação de biomassa de baixa densidade e a limpeza dos gases) têm sido resolvidos nos casos mais simples (sistemas atmosféricos). O maior desafio hoje é a redução dos custos dos gaseificadores/pirolisadores, mas a comunidade científica está a trabalhar com afinco para o desenvolvimento de novas tecnologias que possam baratear o processo, como é o caso deste trabalho científico.

 

 

 

3.7.  GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA

 

Ao longo das últimas duas décadas, a gaseificação de biomassa vem sendo intensivamente estudada como processo alternativo de conversão da energia química contida em materiais de origem orgânica em gases para aproveitamento como combustível, ou como matéria-prima para processos químicos.

Os projetos são conduzidos em instituições de pesquisa ao redor do mundo, e focam o aproveitamento de materiais residuais tais como cascas, palhas, e outros resíduos gerados durante o processo de beneficiamento e industrialização de madeira como cavacos, serragem, restos de podas, folhas, ou de resíduos agroindustriais como bagaço de cana, casca de arroz, casca de sementes de algodão, etc. (SANCHEZ, LORA, & GÓMEZ, 1997)

O mérito destes projetos encontra-se principalmente no fato que objetivam investigar o aproveitamento de resíduos que normalmente constituem em estorvo para o ambiente e sociedade onde são gerados, e, que demandam recursos financeiros e materiais para sua correta disposição. Deste modo, permite-se ao mesmo tempo, agregar valor a estes materiais residuais, e tratá-los, fazendo com que seja diminuído o potencial impactante ao meio ambiente, oferecendo a estes materiais um novo caráter: o de combustível renovável.

Outro aspecto positivo é que a aplicação de resíduos para a geração de energia envolve a redução, ainda que em termos relativamente pequenos, da dependência dos combustíveis fósseis, e, permite o desenvolvimento de unidades de geração de energia autônomas em comunidades afastadas, ou de pequeno porte, que quando comparadas com os centros urbanos já organizados e estruturados, tornam a construção de linhas de transmissão muito onerosas e pouco rentáveis. Este último aspecto faz com que as concessionárias de energia não desenvolvam interesse em investir na eletrificação destas localidades.

Uma característica comum à maioria dos projetos de pesquisa sobre a gaseificação é que os equipamentos são construídos e avaliados para operar segundo as características de um único tipo de combustível. Assim, por exemplo, há projetos dedicados ao emprego exclusivo de bagaço de cana, ou de capim elefante, ou de casca de arroz, ou serragem.

Entretanto, ao longo do ano, a produção agrícola varia em função de um calendário ao longo do qual cada cultura, conforme suas características particulares devem ser semeadas, plantada, cultivada e colhida em diferentes épocas do ano. Só após a realização da colheita é que a produção agrícola é processada para o consumo, gerando assim os resíduos de interesse para o aproveitamento através da gaseificação. Além disto, este processo pode ser fortemente afetado pela evolução das condições agro meteorológicas ao longo do mesmo, as quais podem ser determinantes para que os materiais não sejam produzidos em quantidades suficientes para o fornecimento estável da quantidade dos combustíveis disponíveis.

Outro aspecto a ser considerado é a questão do múltiplo emprego de alguns destes materiais, os quais podem ser aproveitados em outros processos produtivos, gerando assim uma competição por um recurso de interesse que pode fazer com que seja ainda mais reduzida a disponibilidade de uma determinada biomassa, pondo em risco a operacionalidade da planta de gaseificação.

Nos últimos anos, em particular nos países mais desenvolvidos, políticas tarifárias, leis e acordos internacionais têm procurado restringir, limitar, ou mesmo proibir o emprego de algumas tecnologias e processos tradicionais de disposição de resíduos tais como o aterramento, a reciclagem agrícola e o lançamento em oceanos. Além destas medidas, a falta de áreas disponíveis para a realização destas práticas devido à expansão urbana têm tornado os custos de disposição dos grandes volumes de lodo gerados em estações de tratamento de água e esgoto, bem como os dos resíduos sólidos municipais (RSM) têm tornado cada vez mais competitivos a construção de grandes instalações para destruição térmica dos mesmos.

WERTHER & OGADA (1999) afirmam que os processos de destruição térmica, tais como a incineração e a gaseificação, são métodos eficientes de tratamento e destruição de resíduos de uma forma geral. Nos Estados Unidos, Japão e em diversos países da Comunidade Européia, é comum o emprego de plantas de incineração e de gaseificação de grande porte para tratamento de lixo, lodo e outros resíduos. Estas instalações podem ou não envolver a recuperação de energia, produzindo vapor e eletricidade a partir da energia térmica liberada pelo tratamento dos materiais em questão. As plantas de incineração, entretanto, têm enfrentado grandes obstáculos para instalação e expansão de suas atividades devido aos impactos ambientais que causam junto às áreas em que são construídas. Entre os principais impactos destacam-se: geração de odores fortes, de NO_x, e de uma grande quantidade de gases e cinzas contaminadas com metais pesados. Além disto, o lodo e o lixo apresentam teores elevados de umidade, o que implica na formação de grandes volumes de vapor de água durante o processo de destruição térmica. Esta característica é um aspecto que não deve ser subestimado, pois no caso específico das plantas de incineração, o maior volume de umidade implica na geração correspondente de um grande volume de vapor, impondo a necessidade de se projetar equipamentos de exaustão e limpeza de gases de grandes dimensões.

Este problema em particular não ocorre com os gaseificadores, que consomem volumes muito menores de ar e oxigênio em seus processos, sendo, portanto uma vantagem competitiva sobre o métodos incineradores. Este é um dos principais motivos pelo qual a gaseificação tem sido apontada como o meio seguro de redução dos grandes volumes iniciais de resíduos a um pequeno volume de cinzas. (WERTHER & OGADA, 1999)

A gaseificação quando realizada em sistemas pressurizados, e, em temperaturas superiores à de fusão de cinzas, formam aglomerados vitrificados inertes ao meio ambiente, que podem ser empregados como matérias-primas na fabricação de outros materiais como cimento, tijolos, cerâmicas ou serem empregados como substrato de fundações de obras civis prediais ou de estradas de rodagem, por exemplo. (WERTHER & OGADA, 1999)

Espera-se, portanto, a ocorrência de duas oportunidades de ganhos com a co-gaseificação de misturas de biomassas. A primeira delas é oferecer uma fonte de energia sustentável e renovável a pequenas comunidades, que hoje não são atendidas pelas concessionárias de energia elétrica. A segunda é proporcionar através da co-gaseificação um regime operacional mais flexível que a gaseificação de um único tipo de combustível, pois permite o uso de plantas ao longo de todo o ano sem prejuízo devido à falta de uma fonte específica de biomassa. Um terceiro aspecto positivo é o emprego da co-gaseificação como meio de tratamento e disposição de resíduos como o lodo de esgoto, gerado nas estações de tratamento de esgoto dos centros urbanos, agroindústrias, e de propriedades que exploram sistemas intensivos de criação animal. Deste modo, tem-se a expectativa de se obter o duplo benefício de geração de energia e matérias-primas para outros processos produtivos, tratamento, e disposição de resíduos de natureza problemática e de alto poder impactante.

 

3.8. SISTEMAS DE TRATAMENTO E DESTRUIÇÃO TÉRMICA DE RESÍDUOS

WERTHER & OGADA (1999) apontam que a intensificação do processo de restrição e banimento de métodos passivos de disposição de resíduos agrícolas, industriais e urbanos têm tornado economicamente competitiva a opção por investimentos na construção de instalações de grande porte para a destruição térmica destes materiais. Isto decorre do fato que tanto o lodo, como os RSM, apresentam grandes volumes, e, após a incineração ou gaseificação, são reduzidos a quantidades de cinzas muito inferiores aos seus respectivos volumes iniciais.

Do ponto de vista histórico, os sistemas de incineração vêm sendo empregados para a destruição de resíduos em escala comercial desde o início dos anos 50. Além de estarem presentes há mais tempo no cenário internacional, apresenta uma grande variedade de tecnologias e sistemas, o que justifica haver na literatura muito mais referências sobre instalações de incineração que sobre a gaseificação. No caso destes últimos, a literatura aponta que as primeiras instalações comerciais de grande escala para tratamento de resíduos começaram a operar somente no final dos anos 70.

WERTHER & OGADA (1999), enumeram algumas ponderações sobre os métodos de destruição térmica de resíduos, sobretudo quando se considera as seguintes particularidades do lodo:

1.     Após a destruição térmica, pouco mais de 50% da massa de lodo (em base seca) inicialmente introduzida é convertida em cinza, a qual contém grande parte dos metais pesados tóxicos presentes no lodo, o que pode, portanto, tornar delicada a disposição deste material.

2.     Durante a secagem, o lodo de esgoto passa por uma fase de aumento da viscosidade quando o teor de material sólido em peso (base seca) corresponde a cerca de 50 a 60%. Neste intervalo, o lodo deixa de fluir livremente, complicando o seu processo de secagem e manejo.

3.     No caso das instalações de incineração, elementos como nitrogênio, cloro, enxofre, dioxinas e furanos podem estar presentes no lodo, e são liberados na forma de gases poluentes, e partículas em suspensão, impondo, portanto, a necessidade de uso intensivo de sistemas de limpeza de gases garantindo assim que as emissões causadas pelas plantas estejam dentro dos limites normalmente aceitos pela legislação reguladora da atividade destas unidades.

4.     Com um teor de umidade variando entre 70 e 80% (em peso, base seca), o poder calorífico inferior do lodo desumidificado mecanicamente não é suficiente para garantir uma combustão autotérmica, podendo ser necessário o consumo de algum tipo de combustível suplementar para a realização do processo.

O lodo de esgoto, em comparação com outras biomassas, apresenta características físico-químicas muito particulares, que certamente influem significativamente na eficiência de combustão e gaseificação deste material.

As principais tecnologias de tratamento térmico do lodo e demais resíduos orgânicos, em particular a gaseificação, envolvem etapas ou processos preliminares como a desumidificação e a secagem. Estes métodos são necessários ao pré-condicionamento físico do lodo para que o processo de destruição do material possa realizar-se sem problemas.

A gaseificação, entretanto oferece uma perspectiva inteiramente diferente. Os resíduos enquanto fontes de energia precisam ser avaliados em termos do teor de matéria orgânica como componente de principal interesse. A umidade e as cinzas desempenham papéis negativos no processo de gaseificação, pois uma porção considerável da energia do combustível é consumida para a sua evaporação, e na geração do carbono residual (char) presente nos partículas em suspensão, e nas cinzas produzidas. (HAMILTON, 2000).

A umidade, principalmente no caso do lodo, pode atingir volumes consideráveis, influi não apenas no desempenho e na eficiência do processo de gaseificação, mas também nos parâmetros físicos de projeto dos equipamentos. Deste modo recomenda-se a adoção de pré-processamento dos resíduos para que sejam condicionados antes de sua introdução no gaseificador.

FURNESS, HOGGETT & JUDD (2000) sugerem, por exemplo, o uso de dispositivos como secadores aquecidos indiretamente para o pré-condicionamento dos resíduos como o lixo e o lodo devido estes materiais apresentarem teores elevados de umidade. Estes autores destacam as seguintes vantagens de se realizar a secagem prévia do material residual a ser gaseificado:

1.     Volume mais compacto do material na condição seca, reduzindo espaço, potência, dimensões de equipamentos, e tubulações necessárias.

2.     Aumento da eficiência global da instalação através do uso conveniente de recuperação de calor do gaseificador.

3.     Redução do volume de gases a ser gerado, tornando mais difícil e dispendiosa a sua limpeza, pois um volume maior de gases exige mais equipamentos, e de maior capacidade de tratamento adequado.

Com relação ao processo de secagem, estes autores recomendam a manutenção da temperatura de secagem tão baixa quanto o possível, entre 110°C e 165°C, para minimizar as perdas de voláteis, os quais são responsáveis pela produção do gás combustível em estágio posterior. Estes autores também recomendam a moagem e peneiragem do material para que apresente granulometria variando entre 0,1 mm a 0,5 mm, para garantir uma boa eficiência de gaseificação. Uma das principais vantagens da pirólise e da gaseificação sobre os tradicionais processos de incineração, é que estes processos empregam sistemas para limpeza de gases com equipamentos de dimensões menores, e com operações mais simples, devido à emissão menor de resíduos.

3.9.  PROCESSO DE GASEIFICAÇÃO TÉRMICA

O processo de gaseificação se caracteriza por ser de natureza endotérmica, isto é, se faz através do fornecimento inicial de calor, que no caso é obtido através do pré-aquecimento do leito de fluidização. O leito pré-aquecido age como uma superfície de troca de calor, levando o combustível à temperaturas de regime através da condução e convecção, realizando um processo de craqueamento térmico que pode ser aplicado à biomassas de um modo geral, em temperaturas variando em entre 800°C a 900°C. Nesta faixa, tem sido demonstrado que é possível atingir uma ótima taxa de conversão gasosa dos componentes constituintes dos resíduos. O principal ponto é que o aproveitamento do gás produzido nesta condição apresenta um poder calorífico muito superior, tornando-o apropriado para alimentar uma turbina a gás em um ciclo combinado de gaseificação e geração de energia elétrica. (HAMILTON, 2000).

3.10. INFLUÊNCIA DA CINZA

O teor de cinza, principalmente o do lodo de esgoto, depende não apenas de sua fonte, mas também de como ele foi manejado ao longo do processo de tratamento dos efluentes. Para efeitos de disposição de resíduos, é importante destacar que as cinzas geradas através do processo de gaseificação deixam o gaseificador em uma forma relativamente inerte, embora a quantidade ser disposta possa ser significativa. (HAMILTON, 2000).

3.11.  EMISSÕES DE METAIS PESADOS

Os metais pesados são provavelmente o segundo aspecto mais importante dos possíveis impactos ambientais a serem considerados na gaseificação de materiais residuais como o lixo e o lodo. A explicação está no fato de que a qualidade do lodo varia em função de sua fonte (residencial, comercial, institucional, industrial), e época do ano. Estes dois aspectos combinados são determinantes para a variação das concentrações de elementos potencialmente tóxicos em sua composição. Alguns dos metais pesados presentes em materiais residuais são voláteis como, por exemplo, o mercúrio, cádmio, chumbo, cobre e zinco. Dependendo da temperatura e pressão com que o gás gerado durante a gaseificação deixa o freeboard, os metais pesados podem ser volatilizados assumindo a forma gasosa. Isto torna, portanto, necessária a adoção de sistemas e equipamentos para o tratamento do gás de exaustão, para que o mesmo atenda às restrições de emissões ambientais previstas pela regulamentação aplicável. Além de beneficiar o meio ambiente, estes sistemas podem permitir o tratamento necessário para que o gás seja fornecido aos sistemas de geração de energia na condição de operação. Consequentemente, a qualidade da composição química do resíduo dita o grau de tratamento necessário. (HAMILTON, 2000).

As altas temperaturas, e/ou meios redutores característicos dos sistemas de gaseificação geralmente levam à simplificação dos equipamentos do sistema de limpeza de gases de exaustão. Deste modo, proporciona redução de custos de investimentos para a aquisição destes dispositivos, quando comparados com os métodos tradicionais de incineração. Além do mais, os resíduos sólidos calcinados produzidos durante a gaseificação, apresentam menor toxicidade, e portanto, podem ser dispostos na maioria dos aterros de resíduos industriais disponíveis. Outro ponto a favor da gaseificação é que as descargas dos equipamentos do sistema de lavagem dos gases de exaustão podem ser retornados, isto é, reciclados, no início do processo de tratamento. (FURNESS, HOGGETT & JUDD, 2000).

3.12.  EXEMPLOS DE TECNOLOGIAS E PROCESSOS DE GASEIFICAÇÃO DE RESÍDUOS

Podemos encontrar na literatura a respeito de métodos de tratamento e destruição de resíduos muitos exemplos de instalações e sistemas, que permite traçar em linhas gerais as características do grau de complexidade e sofisticação que algumas das tecnologias de gaseificação em uso podem apresentar. A seguir, são expostos exemplos apresentados na literatura especializada.

3.12.1. PROCESSO SVZ

Em 1996, a companhia Lurgi assinou um contrato com a empresa alemã Sekundärrohstoff Verwertungszentrum (SVZ), com sede em Berlim, para projetar e construir um sistema de gaseificação destinado à recuperação de matérias-primas secundárias de resíduos. Por volta de 1999, o centro apresentava duas plantas de gaseificação, uma com capacidade de 400.000 t/ano, com um gaseificador pressurizado de leito fixo, para processamento de materiais residuais sólidos, e um com capacidade de 50.000 t/ano para gaseificação de combustível líquido pulverizado para resíduos líquidos e borras.

Vários resíduos, inclusive combustíveis derivados de refugos (Refused-Derived Fuel - RDF), lodo de esgoto pré-seco, plásticos, borracha, resíduos de lã e tecidos, madeira contaminada, resíduos eletrônicos e resíduos perigosos, bem como carvão mineral marrom são encaminhados ao centro. Após a remoção dos componentes metálicos, os materiais residuais sólidos são triturados, moídos, comprimidos, briquetados ou peletizados. Em seguida, são gaseificados com oxigênio e vapor a 1.300ºC. O gás de síntese formado a partir do processo de gaseificação consiste de CO, H₂, CH₄ e CO₂, bem como óleo leve e alcatrão. O gás é limpo para remoção do óleo leve e do alcatrão, os quais junto com outros resíduos líquidos são gaseificados no gaseificador de combustível pulverizado a uma temperatura de 1.600°C a 2.000ºC. Os gases de síntese de ambos gaseificadores são usados para produção de metanol e para geração de energia. (WERTHER & OGADA, 1999).

Ainda em 1996, estimava-se que a produção anual de metanol atingiria o volume de 100.000 t, e de gás com um poder calorífico nominal de 12 MJ/Nm³. O gás produzido pode ser empregado tanto na produção de metanol, quanto para a geração de 60 MW de energia elétrica através de uma planta de ciclo combinado. (HAMILTON, 2000)

Além de resíduos, uma mistura de carvão marrom com o lodo de esgoto pré-seco era também gaseificada no centro. Entre 1992 e 1995, cerca de 28.000 t (7.000 t/ano) de lodo da estação de tratamento de esgoto de Wassmanndorf, em Berlim, foi co-gaseificado, e planejava-se, então, ampliar a capacidade de co-gaseificação para uma cerca de 80.000 t/ano de lodo a partir de 1997. (WERTHER & OGADA, 1999)

3.12.2.  LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE - LFC

Muitas das plantas construídas para a destruição térmica do lodo de esgoto e de resíduos sólidos municipais, envolvem a incineração através de fornalhas de leito fluidizado (WERTHER & OGADA, 1999), (HAMILTON, 2000), sendo por isso mesmo considerada uma tecnologia clássica como meio de destruição dos resíduos. Outra alternativa, entretanto, é apontada por estes autores: o processo de leito fluidizado circulante (LFC) para tratamento de resíduos, ou combustão de carvão marrom com alto teor de cinzas para geração de vapor e energia elétrica.

HAMILTON (2000) comenta que o sistema LFC apresenta altas velocidades de fluidização fazendo com que os combustíveis sólidos sejam alimentados a partir da porção inferior do leito dos reatores; porém, para manter o volume de material do leito que é carreado junto com os gases gerados, o sistema apresenta um ciclone para realizar a separação e coleta do material inerte do leito. O material coletado é reintroduzido no leito através de um sistema de vazo de pressão. O fluxo de ar para a fluidização em plantas LFC é realizado em velocidades próximas da velocidade terminal da interface gás-sólido, e consequentemente, permite que sejam atingidas altas taxas de transferência de calor e massa, além de gerar uma boa uniformização da temperatura do leito. Este autor acrescenta que o processo LFC tem encontrado ampla aplicação para tratamento de calcinação de alumina, fundição de minério de ouro, redução de minério de ferro e por fim a partir dos anos 1990, para a gaseificação de biomassas residuais (lixo, lodo de esgoto, etc.).

No Centro de Pesquisas da Companhia Lurgi em Frankfurt, Alemanha, foi instalada uma planta experimental com capacidade de geração de energia equivalente a 1,7 MW para estudo do comportamento de gaseificação de vários tipos de combustíveis: coque, carvão mineral negro e marrom, três tipos de cascas e resíduos similares de madeira, combustível derivado de refugos (RDF), resíduos de papel, borracha, lodo de esgoto e cinzas contendo carvão residual (char) de lignita. Os testes comprovaram com sucesso a aplicabilidade da tecnologia, e a companhia teve com isto assegurado contratos para a construção de plantas de gaseificação envolvendo o sistema LFC para tratamento e recuperação de matérias-primas secundárias de diversos materiais residuais. (HAMILTON, 2000).

O sistema de manejo do gás de síntese gerado depende basicamente das necessidades definidas pelo usuário do mesmo. O gás combustível resultante da gaseificação com ar atmosférico apresenta um PCI de cerca de 6,0 MJ/Nm³, e pode ser empregado para:

(a) Substituir combustíveis de plantas em funcionamento.

(b) Alimentar fornos rotativos para fabricação de cimento, ou de calcário.

O gás produzido através da gaseificação com oxigênio pode ser empregado tanto para fabricação de metanol, como combustível para a geração de energia elétrica em sistemas combinados com turbinas à gás. (HAMILTON, 2000).

No caso específico do lodo de esgoto, apesar de já haver sido demonstrado experimentalmente que a tecnologia LFC é capaz de tratar este resíduo. Até o presente momento, entretanto não foram publicadas na literatura especializada informações que evidenciem a sua aplicação em escala comercial. Entretanto, o interesse pela gaseificação do como método de disposição lodo de esgotos tem crescido, sobretudo, na Europa Ocidental. A tecnologia LFC é sem dúvida uma alternativa a ser considerado, segundo afirma HAMILTON, (2000).

3.12.3.  PROCESSO LURGI_RUHRGAS DE GASEIFICAÇÃO DE LODO

HAMILTON (2000) afirma que ensaios em laboratório têm demonstrado que, aquecendo-se rapidamente o lodo seco à temperatura de 850°C, a maior parte do material orgânico presente no lodo pode ser convertida à fase gasosa. O processo Lurgi-Ruhrgas aplicado à gaseificação de lodo emprega este mesmo princípio ocorrendo da seguinte forma (WERTHER & OGADA, 1999): o lodo seco é alimentado por sistema de rosca transportadora a um reator cilíndrico vertical junto com os resíduos sólidos reciclados à alta temperatura (cinzas e material de leito separado no ciclone). A gaseificação térmica gera imediatamente gás, o qual fluidifica a mistura, proporcionando transferências de massa e de calor. A taxa de reciclagem de sólidos é ajustada para que o reator atinja e mantenha a temperatura em torno de 850°C. O gás de exaustão ao deixar o reator passa por um ciclone, e depois pelo processo subseqüente de tratamento e limpeza. As cinzas são coletadas na base do reator, e recicladas, isto é, alimentadas em condições de fluxo controlado na base da coluna de gaseificação. Um pré-aquecedor de ar realiza o reaquecimento dos sólidos recuperados. Para tanto, são transportados pneumaticamente para um depósito de coleta, onde são queimados junto com carvão residual (char). O calor liberado pelo processo reaquece o material inerte à uma temperatura em torno de 900°C. Deste modo, o material inerte e as cinzas resultantes atingem novamente a condição para gaseificação do combustível a ser introduzido no reator. O volume de sólidos é mantido através da remoção de uma fração das cinzas residuais acumuladas no depósito de coleta do sistema. As cinzas descarregadas se apresentam, na forma de um resíduo virtualmente isento de carbono livre. (HAMILTON, 2000).

 

3.12.4.  PROCESSO KRUPP UHDE PRECON

O processo Kupp Uhde PreCon também envolve a gaseificação e utiliza um gaseificador Winkler de alta temperatura seguido de processo de extração catalítica (PEC) para a recuperação produtos cerâmicos e metais. É realizada a remoção de algumas substâncias orgânicas e inorgânicas do material a ser tratado, seguindo, portanto, para a etapa de trituração. O processo inclui ainda a pré-secagem para a redução da umidade inicial a um teor de residual de cerca de 10%, sendo então introduzido no gaseificador Winkler de alta temperatura (WAT) e leito fluidizado circulante, operando de 700°C a 1.000ºC. Os materiais sólidos se depositam no fundo, e são separados em um ciclone, sendo então processados na câmara PEC. O processo PEC, que foi desenvolvido por uma companhia americana, a Molten Metal Technology, opera entre 1.300°C e 1.800ºC. Consiste de uma fornalha de fundição aquecida através de indução, abastecida com aditivos e oxigênio. As reações levam à conversão do material derretido em três fases: uma fase cerâmica, onde são separados CaO, SIO₂, e Al₂O₃; uma fase metálica onde são separados os metais remanescentes, por exemplo, ferro, níquel, e cobre que mais tarde são recuperados; e uma fase gasosa (H₂ e CO) resultante da gaseificação de traços de carbono contidos no material derretido. (WERTHER & OGADA, 1999)

A tecnologia WAT já foi amplamente testada ao longo de cerca de 38.000 horas de operação em uma planta piloto em Frechen, situada nas proximidades do município de Colônia, Alemanha, e de duas plantas de larga escala, uma com capacidade de 30,5 t/h, em Berrenrath, também próxima de Colônia, e outra com capacidade de 27 t/h na Finlândia. As plantas de Frechen, Berrenrath e na Finlândia entraram em operação em 1978, 1985 e 1988, respectivamente. (WERTHER & OGADA, 1999)

3.12.5.  SISTEMA DE CONVERSÃO NOELL

O sistema de conversão Noell envolve o processo de pirólise seguido pelo de gaseificação. O coração desta tecnologia é um gaseificador de alta pressão, que opera à pressões acima de 3,5 MPa e temperaturas acima de 2.000ºC. Os resíduos são triturados, pirolisados a 550ºC, e após separação dos materiais mais grosseiros e de maiores dimensões, como metais, rochas, e materiais inorgânicos, os materiais remanescentes são moídos, formando um pó fino, e introduzidos no gaseificador. O gás de pirólise é esfriado, primeiro, para remoção de vapores condensáveis, e então, comprimido e alimentado em queimadores de gás, enquanto que o produto resultante da condensação é alimentado através de uma bomba de lodo. A gaseificação emprega oxigênio puro. Para ser gaseificado, o lodo é pré-seco, pulverizado e então introduzido pneumaticamente na câmara do gaseificador através de um queimador. A companhia Noell adquiriu uma experiência significativa nesta tecnologia através da operação de uma planta piloto instalada em Freiburg-Sachsen, a qual entrou em operação em 1979. A experiência possibilitou a construção e operação de uma planta de larga escala (130 MW) em Berlim, e que se encontra em operação desde 1988. O principal produto gerado pelo processo é um gás de síntese de alta qualidade, constituído principalmente por CO₂ e H₂, o qual pode ser empregado em turbinas a gás para geração de energia elétrica. (WERTHER & OGADA, 1999)

3.12.6. PROCESSO THERMOSELECT

A tecnologia Thermoselect também envolve processos de pirólise e de gaseificação, porém estas etapas são realizadas em uma única unidade. Os estágios de preparação e classificação dos resíduos são eliminados. Os resíduos, incluindo-se o lodo de esgoto, são comprimidos através de um pistão hidráulico dentro de um longo canal envolto em uma camisa a qual serve para aquecer o material no interior do mesmo. Os resíduos são progressivamente aquecidos até atingir uma temperatura acima de 600ºC. A compressão mecânica realizada pelo pistão permite que o canal seja à prova de infiltração de ar. À medida que os resíduos avançam pelo canal, eles são aquecidos, secos e quase totalmente pirolisados quando chegam ao fim do canal. O material pirolisado é então introduzido na zona de gaseificação, onde os materiais são gaseificados com oxigênio a uma temperatura em torno de 2.000°C. Como resultados são gerados: gás de síntese de alta qualidade; e aglomerados (sinterizados). O gás é rapidamente esfriado de 1.200ºC para 90ºC para reduzir e eliminar o risco de formação de dioxinas e furanos, e, após isto, realiza-se a limpeza e disponibilização do material para uso tanto em geração de energia elétrica, como matéria-prima de processos químicos. O resíduo derretido é escoado para uma câmara e combustão onde, através da adição oxigênio, e gás propano, ocorre a queima a uma temperatura acima de 1.600ºC, assegurando assim a destruição térmica de todo o carbono clorado e outras impurezas. A companhia Thermoselect opera desde 1992, e obteve experiência operacional em sua planta piloto com capacidade de processamento de 100t/dia localizada em Verbania, Itália. Em março de 1997 estava prevista o início de construção de uma planta de larga escala com capacidade de 225.000 t/ano em Karlsruhe, Alemanha, com início de operação previsto para 1999. (WERTHER & OGADA, 1999) 

 

3.13.  DISCUSSÃO

O crescimento populacional e econômico deverá ser acompanhado nos próximos anos por aumentos correspondentes da produção de resíduos urbanos, agrícolas e industriais, os quais deverão se acumular e demandar soluções mais eficazes para a redução de seus volumes iniciais.

No Brasil, entretanto, temos obtido provas concretas de que o poder público e a sociedade não se encontram organizados e aparelhados para lidar com este problema. As leis e normas que regulam a questão de tratamento e disposição e resíduos existem, mas o Estado não tem sido eficiente no exercício de sua observação. As recentes notícias veiculadas nos grandes órgãos de imprensa têm revelado a fragilidade representada pelo tradicional método de aterramento. Moradores de conjuntos residenciais estão sendo vitimados pelo descaso de nossas autoridades, pois suas casas, chácaras e prédios de apartamento foram construídos sobre áreas de aterros clandestinos, que em outros tempos eram situados nos fundos dos terrenos ocupados por indústrias que lidavam com substâncias químicas de elevada toxidade. Os prejuízos de natureza ambiental, material e de saúde pública estão se multiplicando e revelando o triste quadro de negligência para a questão do tratamento de resíduos.

A gaseificação pode ser uma solução para os problemas ambientais causados pela disposição e tratamento de resíduos agrícolas, industriais e urbanos? Nos países em que a questão da produção, tratamento e disposição de resíduos já atingiram níveis críticos, como aqueles pertencentes da Europa Ocidental e o Japão, a adoção de plantas e instalações envolvendo a gaseificação como alternativa para este tratamento está, conforme afirmam WERTHER & OGADA (1999), sendo considerada seriamente, principalmente para a substituição das dispendiosas e indesejáveis instalações de incineração.

Por outro lado, se atentarmos para os exemplos de tecnologias e sistemas apresentados, é preciso considerar que estas instalações se caracterizam por uma grande complexidade e sofisticação, que demandam recursos financeiros de grande porte. Instalações que operam à temperaturas que podem atingir até 2.000°C e usam oxigênio "puro" como agente de gaseificação para realização da fusão de cinzas, conforme visto, permitem a reciclagem de metais e elementos de grande complexidade como placas de circuito impressos e componentes eletrônicos, além é claro das biomassas residuais. Isto sem dúvida é uma boa notícia, por outro lado, estas tecnologias envolvem elevados recursos para seu desenvolvimento, instalação e operação, bem como necessitam de mão-de-obra com alto grau de especialização, que dificilmente se encontrariam disponíveis em pequenas comunidades.

Além disto, se considerarmos as dificuldades econômicas crônicas da economia brasileira, as reflexões acima se apresentam como sérios obstáculos à popularização destes tipos de instalações, limitando-as apenas a unidades que atenderiam às necessidades específicas de indústrias e corporações mais preocupadas em obter junto à sociedade, aos seus clientes e seus acionistas a imagem de empresa ambientalmente responsável, comprometida com o desenvolvimento sustentável.

 

4.     RESULTADOS E DISCUSSÕES

 

4.1. Economia de processos de conversão térmica

 

Os custos de produção de eletricidade para os quatro sistemas são mostrados na Figura 02. Os benefícios do aprendizado na redução de custos de capital quando mais unidades são construídas são mostrados na Figura 03.

Os processos começam com entrega de chips de madeira e incluem todos os passos e custos necessários à produção de eletricidade por turbina (no caso de Combust e IGCC) ou motor (GasEng e PyrEng), os dados foram retirados de BRIDGWATER et al. (2002).

 

Figura 2. Comparação entre custos totais das plantas para sistemas de conversão biomassa para eletricidade.

(Fonte: BRIDGWATER et al., 2002)

Figura 3. Comparação entre custos de produção de eletricidade das plantas para sistemas de conversão biomassa.

(Fonte: BRIDGWATER et al., 2002)

4.2. Perspectivas e oportunidades

As conseqüências do sucesso do deste trabalho, em termos econômicos, serão função do grau de penetração dessa tecnologia e poderão se dar a nível local, ou seja, na área de influência de um determinado projeto, ou em termos mais amplos, a nível regional. Localmente, a criação de novos empregos resultará num maior fluxo de recursos, que se bem aproveitado, certamente trará benefícios à comunidade. Em termos regionais e dentro de uma perspectiva de longo prazo, a utilização desta tecnologia poderá resultar, numa sensível redução dos investimentos requeridos para suprir as suas necessidades de energia elétrica, em um elevado número de novos empregos, principalmente na intensificação do fluxo econômico nas regiões do interior.

No Brasil emprega-se a pirólise com sucesso desde a década de 70 para a produção de óleos combustíveis e petroquímicos a partir do xisto betuminoso. De acordo com Allred (1966) o xisto betuminoso é composto por material inorgânico inerte e material orgânico passível de decomposição pirolítica na forma de hidrocarbonetos fluidos. O material orgânico, por sua vez, pode apresentar concentrações variadas de querogênio, betume e resíduos de carbono.

Um estudo experimental mostrou que simplificadamente, a cinética da pirólise de xisto pode ser representada por um mecanismo de reação consecutiva de primeira ordem e irreversível, onde o querogênio se decompõe em betume, que por sua vez sofre decomposição na forma de gases e óleos leves.

De forma geral, têm-se como principais produtos da pirólise três frações que consistem de:

Uma corrente de gás: geralmente contendo primariamente hidrogênio, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono e vários outros gases dependendo do tipo de material que está sendo pirolisado.

Uma corrente líquida: geralmente consiste de óleos onde podem ser encontrados centenas de compostos químicos como ácido acético, acetona, metanol, fenóis, hidrocarbonetos, álcoois e ácidos orgânicos de elevada densidade e baixo teor de enxofre;

Sólido residual: esta consiste basicamente de carbono puro (carvão) e qualquer material

inerte que pode ter sido alimentado no processo.

 

Na operação da pirólise a fluidização é a técnica efetiva para o arraste dos resíduos sólidos para a atmosfera controlada. Entende-se como fluidização a redução dos resíduos sólidos a partículas de tamanho menor a ponto serem arrastadas por transporte pneumático. Em muitos casos, os resíduos orgânicos são divididos em tamanhos muito pequenos os que condicionam a adição de materiais sólidos inertes, como areia, para dar estabilidade ao leito fluidizado (Baum, 1974).

 

A pirólise é empregada principalmente no Brasil, no processamento do xisto betuminoso que leva a decomposição da fração orgânica, em torno de 8% em massa, denominada betume, é decomposta primeiramente em querogênio que, por sua vez, se decompõe em produtos como óleos leves, gás combustível, nafta, etc., através da cinética consecutiva de primeira ordem. Diversos estudos de viabilidade técnica e econômica realizados nos últimos 30 anos conferem um domínio nacional desta tecnologia.

 

A pirólise de biomassa é uma importante fonte renovável de energia, combustíveis e

materiais. Os gases resultantes da pirólise de biomassa têm alto poder calorífico e podem ser aproveitados das mais diversas formas. O óleo pirolenhoso gerado a partir dos condensáveis também possui aplicações variadas desde o uso "in natura" como defensivo agrícola e até como fonte de matéria-prima para a produção de fármacos e produtos de química fina.

A obtenção de micro-sílica através da pirólise de casca de arroz é uma outra aplicação

possível para o processo de pirólise.

 

Os resíduos plásticos têm grande potencial para a pirólise, visto que o consumo destes cresce a cada ano e, conseqüentemente, o montante de resíduos. Presentes em quantidades consideráveis no lixo municipal, os produtos obtidos com a pirólise de resíduos poliméricos que podem ser usados novamente como matéria-prima para a produção de polímeros virgens, óleos e gases combustíveis vem sendo objeto de estudo em todo o mundo. Areias de fundição que são compostas de resinas fenólicas e alquídicas também podem ser objeto de estudo, a fim de pirolisar as resinas visando à recuperação das areias e evitando a disposição destas em aterros sanitários. Os componentes eletrônicos de computadores, televisores, aparelhos de som entre outros, que podem ser encontrados em abundância, também, podem ser pirolisados, com o objetivo de recuperação dos metais preciosos, como o ouro, a prata e a platina (Hairston, 2002).

Hoje, no Brasil, a produção de resíduos agrícolas e florestais é muito diversificada dada as dimensões do país e suas especificidades regionais. É praticamente impossível generalizar o uso energético dos resíduos produzidos assim como também o é generalizar suas características. De forma geral, entendem-se aqui como resíduos agrícolas e florestais aqueles oriundos da produção pela ação do homem ficando fora, portanto, os resíduos da exploração de florestas e outras vegetações nativas e do extrativismo.

            Outra consideração importante está ligada a própria escala de produção. Há culturas tradicionais e muito cultivadas no país como o feijão, a mandioca e até mesmo o milho que embora produzam resíduos associados ao produto de interesse não têm escala que justifique pensar em grandes aproveitamentos. São também normalmente produzidos por pequenos e médios produtores em pequenas e médias unidades de produção. Justamente pelo caráter de policultura esses produtos têm sempre sua produção muito pulverizada atendendo na maior parte dos casos atendem as necessidades locais ou regionais.

Dessa forma, analisando-se os resíduos das culturas comerciais mais importantes no país e com caráter de monocultura têm-se: soja, cana-de-açúcar, arroz e eucalipto. A tabela abaixo mostra à área plantada, a produção, a quantidade de resíduos vegetais por hectare e totais para cana-de-açúcar, eucalipto, pinus e arroz no Brasil.

Como se vê através dos dados da tabela, a cultura que mais produz resíduos é a cana-de-açúcar. Associado a este fato têm-se que quase 70% da produção nacional está concentrada no interior do Estado de São Paulo numa região de um raio de aproximadamente 150 km e bem servida de rodovias e uma hidrovia o que facilita e reduz os custos do transporte.

Tabela - Principais Culturas Comerciais e Resíduos desta Produção no Brasil

Cultura	Área Plantada (ha)	Produtividade Média (unid./ha.ano)	Produção Anual	Tipo de Resíduo	Quantidade de Resíduos (t/ha.ano)	Quantidade Total de Resíduos (milhões t/ano)
Cana-de-Açúcar	4,5-5 milhões (1)	60 t1	270-300 milhões t	bagaço	20	90-100
				palha	20	90-100
Eucalipto	3,0 milhões (2)	30 m3 (3)	90 milhões m3	casca	14,7 (após 7 anos)5	6,8
Pinus	1,7 milhão (2)	24 m3 (3)	41 milhões m3	casca	18,4 (após 14 anos)6	2,2
Arroz4	n.d.	n.d.	9 milhões t	casca	20%	1,8

¹ estimativas coletadas junto à técnicos do setor para a safra 1997-98

² Fatos-Síntese - Sociedade Brasileira de Silvicultura

                        ³ Anônimo (1996)

⁴ FIBGE (1992) baseado no Censo Agropecuário de 1985

            ⁵  Vital (1996)

            ⁶ Poggiani (1986); ramos (7,6%0 e folhas (2,6%) são deixados no campo não tendo uso recomendado outros fins.

 

No entanto, boa parte destes resíduos já é de uma maneira ou de outra, aproveitados, senão como energético como fertilizante e reposição de matéria orgânica. No caso do bagaço de cana já há, como se sabe, o aproveitamento como energético na usina, sendo assim reduzido o excedente. Neste caso especificamente o excedente energético poderá vir num melhor aproveitamento fazendo uso das técnicas de co-geração tratadas mais abaixo neste mesmo texto.

Assim, busca-se uma alternativa quanto à disponibilidade de resíduos que aqui trataremos como “não-convencionais”. Resíduos não-convencionais são aqueles que por alguma razão não fizeram parte do produto final e por esta razão ainda não eram considerados como resíduos.

 

5.      CONSIDERAÇÕES FINAIS

As questões ambientais têm despertado grande interesse e preocupação crescente na sociedade em geral, devido aos problemas diretamente ligados à qualidade de vida.

A comunidade científica, por sua vez, tem procurado soluções para minimizar as diversas formas de agressão ao meio ambiente. Devido, também, à evolução exponencial da produção de lixo no meio urbano, soluções precisam ser estudadas imediatamente visto que o tratamento e a disposição final adotados hoje estão tornando-se irreversíveis à medida que o tempo passa. Com o aumento do consumo, os problemas ambientais gerados com a produção, transporte, consumo e disposição de insumos demandam alternativas para o tratamento final de resíduos.

 O processo de pirólise tem sido testado em um número incontável de plantas piloto, e vem sendo utilizado como uma alternativa para a conversão química de resíduos sólidos a produtos com maior valor agregado. Sofrendo aquecimento em uma atmosfera livre de oxigênio, muitas substâncias orgânicas de cadeia longa, podem ser fracionadas via craqueamento térmico e reações de condensação, em frações gasosas, líquidas e sólidas de menor peso molecular. A reação é endotérmica e acontece na faixa de temperatura compreendida entre 300 a 600°C. Estudos mais aprofundados sobre o assunto podem ser encontrados em Baum (1974).

A pirólise como método alternativo vem se consolidando dentro deste prisma. A partir de 1973, com a crise de energia, a pirólise passou a ser exaustivamente estudada, pois como processo, é um dos menos irreversíveis. Ela permite a recuperação de energia através da decomposição térmica de resíduos em atmosfera controlada. Entretanto, apesar dos esforços empreendidos, muitos são os problemas que dificultam o desenvolvimento deste processo em escala comercial.

Considerando as dificuldades pode-se classificar a pirólise como um processo em desenvolvimento e sua aplicação como sistema de tratamento e destino final de resíduos, e carece estudos rigorosos, por oferecer elevado grau de incertezas. Todavia, com o avanço da tecnologia, este método pode tornar-se um instrumento de grande utilidade na luta contra a poluição.

Pretende-se, apresentar e discutir a pirólise como uma alternativa viável para tratamento de resíduos, com ênfase à descrição de uma metodologia de simulação, projeto, construção e a proposta de metodologia para mudança de escala de processo.Nos últimos anos, uma série de problemas cumulativos tem motivado grande preocupação para as sociedades. O crescimento populacional tem-se acentuado e levado a um correspondente aumento no consumo de recursos energéticos, materiais e naturais. A expansão dos centros urbanos, e da produção industrial e agrícola são dois importantes aspectos que retratam a intensificação das atividades antropogênicas, causando o agravamento da questão ambiental. Reverter este processo é um grande desafio que envolve o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias e políticas que realizem e regulem, respectivamente, o processo produtivo de forma mais eficaz e racional.

A partir dos anos 70, e principalmente nos anos 90, lideranças políticas e a comunidade científica internacional passaram a enfatizar a necessidade de busca e implantação de tecnologias e processos menos agressivos ao meio ambiente, e mais recentemente, a pesquisa por métodos voltados para o desenvolvimento sustentável. Eventos de grande repercussão como a conferência Rio 92 das Nações Unidas para o Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável, são reflexos de uma clara tendência de orientação das iniciativas objetivando obter soluções nos planos políticos, econômico e científico, visando equacionar dois aspectos que até o presente momento têm se mostrado contraditórios: desenvolvimento e redução de impactos ambientais.

Os processos de gaseificação apontados pelos exemplos aqui apresentados dificilmente se prestariam para solucionar problemas de geração de energia simultâneos ao tratamento de resíduos agrícolas, industriais e urbanos, de pequenas comunidades face à sua complexidade e altos custos. Por outro lado, acreditamos que a gaseificação em leito fluidizado pode ser uma alternativa com maior chance de sucesso, pois apresenta uma perspectiva inteiramente diferente.

Por outro lado, é preciso salientar que esta tecnologia ainda se encontra em fase experimental e necessita ainda ser amadurecida para que atinja um nível de confiabilidade e praticidade que permitam a aplicação e difusão em escala comercial, e com custos e condições operacionais mais acessíveis.

Confiamos, porém, no potencial desta tecnologia como meio eficiente e flexível de geração de energia a partir de fontes renováveis, associado ao tratamento de resíduos, através do aproveitamento de recursos que hoje causam impactos ambientais junto às comunidades em que são gerados.

Entre as muitas preocupações, destacamos a busca por soluções de tratamento para resíduos agrícolas, industriais e municipais, como o lixo urbano e o lodo gerado em estações de tratamento de água e esgotos. Outro evento motivador de pesquisas científicas são as fontes energéticas renováveis, que possibilitem o seqüestro de carbono e de outros subprodutos provendo a redução da concentração de gases de efeito estufa na atmosfera. Nos últimos anos têm sido investigadas diversas alternativas de tecnologias para aproveitamento de fontes de energia renováveis de biomassas residuais como é o caso específico deste projeto: o aproveitamento energético do insumo agrícola (a casca de arroz) para produção de energia elétrica através da rota tecnológica de pirólise, à qual apresenta viabilidades técnica, econômica e ambiental.

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