Energia Renovável: Gestão de Resíduos

Por biomassa entende-se toda a matéria de origem de vegetal, seja ela a floresta nativa ou plantada, as culturas agrícolas e seus resíduos, como bagaço de cana, casca de arroz ou de café, galhos de árvores, óleos vegetais, ou de espécies plantadas, além do lixo urbano e do esterco de animais. O Brasil é um país naturalmente rico em biomassa. Os processos de transformação desses recursos em energia, combustíveis e produtos como alimentos e materiais são inúmeros. A pirólise, também chamada de carbonização, pertence a um grupo de processos denominado: Conversão Termoquímica (Destilação Destrutiva). O processo pode produzir energia e produtos sólidos (Carvão vegetal), líquidos (Bioóleo ou Alcatrão) e gases (Gases Pobres).

Justificativas

A produção de energia elétrica em larga escala a partir da biomassa é um tema que vem sendo estudado, no últimos anos, com grande interesse em vários países do Mundo. Esse interesse deve ser creditado à conjunção de vários fatores (PATTERSON, 1994 e BRIDGWATER, 1994):

 (i) A produção de eletricidade a partir da biomassa têm um ciclo de Carbono praticamente fechado, as emissões de SOx são muito pequenas - ou nulas -, têm-se menos cinza residual de quando do uso de carvão mineral, por exemplo.

(ii) alguns analistas acreditam que é no uso energético de resíduos que vai ser definido o maior mercado, nos países desenvolvidos, dessas novas tecnologias de conversão da biomassa. Esta tendência será tanto mais forte quanto maior for a pressão da sociedade;

 (iii) à conveniência da redução da dependência de alguns países com relação aos combustíveis fósseis e, em especial, aos derivados de petróleo, tópico que é sempre lembrado em associação à uma visão geopolítica estratégica, muito embora o abastecimento e os preços internacionais do petróleo estejam estáveis há muitos anos. 

Em associação aos pontos acima listados, o DOE (1996) identifica um certo número de oportunidades de curto e médio prazo que podem facilitar o maior uso da biomassa na geração de energia elétrica. São eles: 

(i) algumas termoelétricas e várias caldeiras industriais que hoje queimam carvão mineral deverão ser substituídas ou reformadas nos próximos anos, o que define uma janela de oportunidade para a conversão parcial dessas instalações para a queima conjunta da biomassa; 

(ii) especialistas do setor elétrico consideram que sistemas híbridos de produção de eletricidade, que façam queima conjunta, por exemplo, de biomassa e gás natural, oferecem baixíssimo risco;

 (iii) em alguns segmentos industriais que fazem uso intensivo da biomassa enquanto matéria prima e energia, existe um grande potencial para a produção de eletricidade a partir, por exemplo, de resíduos do processo; 

1. Pirólise

 O termo pirólise é utilizado para caracterizar a decomposição térmica de materiais contendo carbono, na ausência de oxigênio. Assim, madeira, resíduos agrícolas, ou outro qualquer tipo de material orgânico se decompõe, dando origem a três fases: uma sólida, o carvão vegetal; outra gasosa e finalmente, outra líquida, comumente designada de fração pirolenhosa (extrato ou bioóleo). A proporção relativa das fases varia como função da temperatura, do processo e do tipo de equipamento empregado. Geralmente a temperatura situa-se na faixa de 400ºC a 1000°C. A presença de oxigênio é variável pelo tipo de matéria orgânica empregada no processo, sendo que a introdução de oxigênio permite a continuidade do processo de pirólise com aumento de rendimentos. Observa-se um melhor rendimento na recuperação de subprodutos, baixo impacto ambiental, e aplicabilidade do biooleo em escala industrial. E interessante ressaltar que a definição dada para o processo de pirólise exclui a presença de oxigênio, embora na prática muitos processos de pirólise sejam conduzidos com alimentação de ar. Isto se justifica pelo fato de que sendo o processo como um todo endotérmico, calor e requerido para o seu pleno desenvolvimento. Nada mais lógico portanto, que tentar conduzir o processo de tal forma que o oxigênio adicionado possibilite a combustão de parte dos produtos combustíveis formados, gerando portanto o calor necessário ao processo. A grande aplicação do processo de pirólise tem sido na produção de carvão vegetal, cujo rendimento pode chegar ate 40% em peso, em relação à matéria-prima. O bioóleo, principal sub-produto e composto basicamente de alcatrões solúveis e insolúveis e ácido pirolenhoso que contem produtos químicos valiosos como o ácido acético, metanol e acetona. Na grande maioria dos processos pirolíticos a fase gasosa é utilizada como fonte de energia suplementar ao processo e o seu rendimento pode variar desde 5% a 20% em peso, dependendo da temperatura em que o processo se realiza. 

Os trabalhos de P&D em pirólise, ao contrário da gaseificação - que já atingiu a fase de desenvolvimento de sistemas de maior porte - ainda está na etapa de teste de pequenas unidades. Ainda existem incertezas quanto à essa rota, mesmo porque têm sido identificados problemas de contaminação com álcalis e de instabilidade química dos óleos por efeito da temperatura (BRIDGWATER, 1995). 

 

2. Bioóleo

O bioóleo (líquido de fumaça) é conhecido no meio científico por extrato pirolenhoso, trata-se de uma solução orgânica originada da carbonização da madeira. No extrato pirolenhoso são encontradas algumas substâncias como ácidos, cetonas, compostos fenólicos, etc. No extrato pirolenhoso há uma alta exposição de grupos fenólicos e carboxílicos de baixo peso molecular. O bioóleo é obtido a partir de um processo denominado pirólise rápida - a queima (degradação térmica) de resíduos agrícolas de pequeno tamanho como bagaço de cana, casca de arroz, capim, casca de café e serragem.

Hoje!

A necessidade crescente em diversificar a matriz energética e buscar soluções concretas para a questão dos resíduos sólidos faz com que paises em desenvolvimento saiam na frente nestas pesquisas. Diversos centros tem trabalhado em cooperação para em conjunto trazer solução simples 

Ontem?

Diversos sistemas em grande escala estão em desenvolvimento em todo o mundo, porem requer grandes investimentos. Plantas de gaseificação, pirólise, etc., são desenvolvidas por todo o mundo entretanto projetos em pequena escala estão ainda longe de ser contemplados.

 

O processo

Pirólise é um dos processos de Destinação Final de resíduos Sólidos mais eficiente que já foi descoberto pelo homem, porém face ao processo ser ainda custoso no que tange à sua manutenção, necessita de maior aprimoramento tecnológico. 

O reator pirolítico possui três zonas específicas a saber: 

- zona de secagem: os resíduos que irão alimentar o reator, nesta zona as temperaturas estão na ordem dos 100º a 150º C (vale lembrar que esta etapa é de suma importância, pois a umidade pode interagir negativamente com os resultados do processo). 

 - zona de pirólise: ocorrerá as reações propriamente ditas, sendo elas a volatização, oxidação e a fusão, as temperaturas nesta fase variam de 150º a 450º C, é onde são coletados os produtos (alcoóis, óleo combustível, alcatrão, etc);   

- zona de resfriamento: nesta fase os resíduos gerados pelo processo são coletados no final do processo, cerca de (char, cinzas e bioóleo).

Estão mostradas a seguir algumas das reações pertinentes:

 · Reações de biomassa 

1. Biomassa + energia ? CO + H2 + CH4 + líquido + char 

2. Biomassa + O2 ? CO + H2 + CO2 + energia 

3. Biomassa + energia ? bioóleo + char + gás 

· Reações do bioóleo 

1. Bioóleo + H2O ? CO + H2 

· Reações de gases (com catalisador) 

1. CO + H2O ? H2 + CO2 

2. CO + 3 H2 ? CH4 + H2O .

3. CO2 + 4 H2 ? CH4 + 2 H2O 

4. n CO + (2n + 1) H2 ? CnH2n+2 + n H2O 

5. 2 CH4(g) + O2 ? 2 CO + 4 

Pesquisas Realizadas

Foram realizados levantamentos bibliográficos sobre o estudo da arte atual a respeito de diversos processos, produtos e matérias-primas onde todas estas informações foram compiladas em um banco de dados; Foi realizadas visitas técnicas; Foram desenvolvidos fluxogramas (entradas e saídas); Definição de modelos; Foram feitas a analise e síntese do projeto integrado de aproveitamento de biomassa residual; Estudo de viabilidade técnico-econômica; Valorização da biomassa residual e “bioprodutos”; Avaliação tanto dos custos como do impacto ambiental de sistema de integrado; Desenho inovador de equipamentos como: reator de pirólise de baixo custo, defumador de alimentos, sistema de recuperação de energia térmica, recuperador de bioóleo(unidade planta piloto); Análise e apresentação de resultados do estudo de casos (projeto preliminar).