Estudo
das rotas tecnológicas para produção de Biogás e da influência da composição
química de dejetos de matrizes suínas na qualidade do biogás gerada por
biodigestor.
A
disponibilidade de biomassa e a falta de gás natural ou diesel favorecem o aparecimento
de alternativas tecnológicas sustentáveis para geração de energia elétrica. A
indisponibilidade de gás 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.
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 uma alternativa atraente. A pirólise é uma
reação de análise ou decomposição que ocorre pela ação de altas temperaturas.
Ocorre uma ruptura da estrutura molecular original de um determinado composto
pela ação do calor em um ambiente com pouco ou nenhum oxigênio. Este sistema é
bastante utilizado pela indústria petroquímica e na fabricação de fibra de
carbono.
Outra
aplicação da pirólise se dá no tratamento do lixo. O processo é
autossustentável sob o ponto de vista energético, pois, a decomposição química
pelo calor na ausência de oxigênio, produz mais energia do que consome. O
processo de pirólise produz biocombustíveis líquidos e gasosos como o Bio-Óleo
e o gás de síntese.
A
Biomassa é uma das maiores fontes de energia disponíveis nas áreas rurais e
agroindustriais. A mesma aparece na forma de resíduos vegetais e animais, tais
como restos colheita, esterco animal, plantações energéticas e efluentes
agroindustriais. Estes resíduos podem ser utilizados pelo produtor rural ou
agroindústria para a queima direta, visando produção de calor ou produção de
biogás em biodigestores. Nas propriedades agrícolas, onde se desenvolve a
atividade de suinocultura, ocorre à disponibilidade desses resíduos,
caracterizando num grande potencial energético. A adoção de sistemas confinados
de produção de suínos, juntamente com o emprego de tecnologia para aprimorar
esses sistemas, tem levado a um aumento considerável do uso de água nessas
instalações e, consequentemente, a produção cada vez maior de dejetos, os quais
constituem o resíduo proveniente da atividade suinocultora. A utilização de
processos anaeróbios para reduzir o poder poluente de resíduos líquidos vem se
destacando, pois além de reduzir a poluição ambiental, recuperam o potencial
energético do resíduo em forma de fertilizante e biogás.
Estado
da Arte: Estudo das rotas tecnológicas para Produção de Biogás
1.
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 (Bio-óleo ou Alcatrão) e
gases (Gases Pobres).
1.1. Produção de energia através de
resíduos orgânicos
Biomassa
A biomassa é, portanto, toda
matéria viva presente em um lugar, um combustível fóssil de origem biológica,
onde através dele, é possível produzir a chamada energia renovável. O termo
biomassa cobre uma extensa categoria de materiais, incluindo:
- Madeira;
- Resíduos de vegetais;
- Resíduos de origem animal;
- Resíduos industriais;
- Resíduos sólidos urbanos.
Os estudos sobre biomassa
revelam que, atualmente um sétimo da energia mundial está sendo obtida por esse
processo, e venha a ter cada vez mais importância no contexto energético
global. Através da sua transformação, pode-se produzir biocombustíveis líquidos
ou gasosos por sua queima direta.
Vários estudos já foram
realizados para produção de energia através da transformação da biomassa. A
tabela abaixo mostra as principais tecnologias de conversão da biomassa em
energia.
Técnicas de conversão
|
Temperatura (°C)
|
Pressão
|
Produtos principais
|
Combustão
|
800 - 1400
|
Atmosférica - alta
|
Calor
|
Pirólise
|
400 - 800
|
Atmosférica - alta
|
Líquidos, gases
|
Gaseificação
|
650 - 110
|
Atmosférica - alta
|
CO, H2, CH4
|
Upgrade hidrotérmico
|
250 - 600
|
Muito alta
|
Líquidos, gases
|
Fermentação aeróbica
|
<100>
|
Atmosférica - Etanol
Fermentação anaeróbica - <100 -="" font="">Atmosférica - CH4
Os combustíveis gasosos podem
ser produzidos a partir da madeira e de outros tipos de biomassa.
Métodos de produção de
energia através da biomassa:
Segundo o fluxograma acima, é
possível realizar 3 principais transformações de biomassa em energia, como:
combustão, gaseificação e liquefação. Primeiramente, é necessário estudar a
espécie de biomassa a ser utilizada e em seguida aplicá-la aos métodos existentes
na literatura.
1.1.1.
Justificativa e Metodologia do estudo proposto
A
grande necessidade de preservação dos recursos hídricos não só do Brasil, mas
de todo o planeta tem gerado discussões sobre o problema há muito tempo, visto
a ocorrência cada vez maior da contaminação das águas de córregos, rios e
mares, como por exemplo, acidentes ecológicos com, a contaminação pela descarga
de toneladas de resíduos de esgoto industrial e domiciliar, dentre outros.
Todos são alerta mais do que eloquentes do risco que a humanidade corre de, num
futuro bem próximo, enfrentar uma escassez insolúvel de água potável.
Apesar
de a indústria representar o setor poluidor mais ativo, não é a única vilã no
processo. Além da atividade poluidora das grandes cidades, a área rural, também
participa ativamente neste processo negativo, pois por estarem localizadas em
regiões próximas a córregos, lagoas ou rios, as propriedades rurais sejam estas
criadoras de animais e aves ou dedicadas somente à agricultura também
contribuem para a contaminação dos lençóis freáticos, que são indispensáveis ao
abastecimento de água potável das populações rural e urbana (Gaspar, 2003).
Algumas
propriedades rurais criadoras de aves, bovinos, suínos e outros, utilizam parte
dos dejetos desses animais para a adubação de plantações, porém esta adubação é
feita pela mera aspersão do material orgânico sobre as plantas, ou por
sepultamento na área a ser semeada posteriormente. Esses procedimentos
apresentam grande potencial poluidor, uma vez que a aspersão a céu aberto atrai
insetos, além disso, os detritos colocados dentro da terra são mais facilmente
transportados para os lençóis freáticos pela ação da infiltração das chuvas.
Alguns critérios devem se adotados para a sua utilização como fertilizante,
evitando que sejam aplicados em excesso no solo e cause poluição, grande
maioria das propriedades deposita seus resíduos no meio-ambiente como em rios,
ribeirões, açudes ou no meio de matas.
Devido
ao potencial altamente poluidor apresentado pelos dejetos de suínos foi
realizada uma pesquisa bibliográfica e um estudo de caso sobre a viabilidade
econômica a respeito dos biodigestores e sua contribuição para a redução da
contaminação causada pelos dejetos suínos, além disso, foi realizado um estudo
a cerca das rotas tecnológicas para produção de biogás.
Produção
de biogás
Definição:
Atribui-se
o nome de biogás à mistura gasosa (combustível), resultante da fermentação
anaeróbica da matéria orgânica. A proporção de cada gás na mistura depende de
vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato a digerir. De qualquer
forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH4) e
por dióxido de carbono (CO2), estando o seu poder calorífico
diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa.
Os
processos de fermentação anaeróbia que produzem metano foram desde sempre,
utilizados pelo Homem para o tratamento dos esgotos, nos sistemas conhecidos
por "fossas sépticas". Estas serviam tanto para tratar os esgotos
domésticos de pequenas comunidades, quanto os resíduos da indústria
agroalimentar ou agropecuária. Com o passar dos tempos estes sistemas
simplificados de tratamento evoluíram nos países desenvolvidos, quando
começaram a ser utilizados os chamados "digestores", para efetuar a
estabilização das lamas resultantes da sedimentação primária e do tratamento
biológico aeróbio dos esgotos.
Neste
momento, existem duas situações possíveis para o aproveitamento do biogás: O
primeiro caso consiste na queima direta (aquecedores, esquentadores, fogões, caldeiras);
O segundo caso diz respeito à conversão de biogás em eletricidade. Isto
significa que o biogás permite a produção de energia elétrica e térmica. Assim,
os sistemas que produzem o biogás, podem tornar a exploração pecuária
autossuficiente em termos energéticos, assim como contribuir para a resolução
de problemas de poluição de efluentes. Os efluentes obtidos são normalmente
tratados em sistemas de lagunagem, sendo depois utilizados em rega de terrenos
agrícolas ou lançados em linhas de água. Nas restantes instalações, onde este
tratamento não existe, o efluente é, em regra, utilizado diretamente na
agricultura, ou lançado em linhas de água.
Atualmente
existem vários estudos sobre produção de energia a partir de biogás, dos quais
a grande maioria sobre o aproveitamento de lixo doméstico para geração de
energia.
Processo de produção de
biogás:
O biogás é produzido através
da degradação da matéria orgânica por bactérias. A digestão anaeróbia é um processo segundo o
qual, algumas espécies de bactérias, que atuam na ausência de oxigênio, atacam
a estrutura de materiais orgânicos complexos para produzir compostos simples:
metano, dióxido de carbono, água, etc, extraindo simultaneamente a energia e os
compostos necessários para o seu próprio crescimento. A transformação da
matéria orgânica em diversas substâncias químicas, no decurso da fermentação
anaeróbica, processa-se através de uma cadeia de degradações sucessivas devidas
a diferentes tipos de bactérias. Essencialmente, distinguem-se duas fases nos
processos de fermentação metanogênica. A primeira fase é uma transformação das
moléculas orgânicas em ácidos, sais ou gases e a segunda, é a transformação
destes numa mistura gasosa essencialmente constituída por metano e dióxido de
carbono.
A
atividade enzimática das bactérias depende intimamente da temperatura, variando
de espécie para espécie existindo sempre uma temperatura ótima. Ela é fraca a
10ºC e nula acima dos 65ºC. A faixa dos 20ºC a 45ºC, corresponde à fase
mesófila, enquanto que entre os 50ºC e os 65ºC, temos a fase termófila. A opção
por uma temperatura ótima de trabalho terá de resultar do compromisso entre o
volume de gás a produzir, o grau de fermentação e o tempo de retenção. Na fase
mesófila, as variações de temperatura são aceitáveis desde que não sejam
bruscas. O mesmo não acontece com a fase termófila, onde as variações não são
aconselháveis, todavia, ela permite cargas mais elevadas e um tempo de retenção
menor, com maiores taxas de produção de gás.
Outro
parâmetro que influencia a digestão anaeróbica é o pH do meio. Em meio ácido, a
atividade enzimática das bactérias é anulada. Num meio alcalino, a fermentação
produz anidrido sulfuroso e hidrogênio. A digestão pode efetuar-se entre os pH
de 6,6 e 7,6 , encontrando-se o ótimo a pH=7. Para valores abaixo de 6,5, a
acidez aumenta rapidamente e a fermentação para. Em relação à matéria a
fermentar, há que levar em consideração a relação carbono/nitrogênio (C/N), que
deve ter um valor compreendido entre 30 e 35. Acima deste valor, o processo é
pouco eficaz, já que as bactérias não tem possibilidade de utilizar todo o
carbono disponível. Para um valor baixo corre-se o perigo de aumentar a
quantidade de amoníaco, que pode atingir os limites da toxicidade. Deve-se
considerar também a presença de fósforo no meio de cultivo, já que a sua
ausência, conduz à uma parada da fermentação.
A
presença de matérias tóxicas, detergentes e outros produtos químicos, devem ser
evitados ao máximo, pois basta uma concentração muito baixa destes produtos,
para provocar a intoxicação e morte das bactérias.
A
figura 1 abaixo ilustra todos os estágios necessários para a formação do
biogás.
O biogás, apesar de ser
constituído principalmente de metano, ele apresenta a seguinte composição:
Metano
(CH4) 50 a 75 %
Dióxido
de Carbono (CO2) 25 a 40 %
Hidrogênio
(H2) 1 a 3 %
Nitrogênio
(N2) 0.5 a 2.5 %
Oxigênio
(O2) 0.1 a 1 %
Sulfeto
de Hidrogênio (H2S) 0.1 a 0.5 %
Amoníaco
(NH3) 0.1 a 0.5 %
Monóxido
de Carbono (CO) 0 a 0.1 %
Água
(H2O) Variável
1m³ de biogás produzido
equivale a 5500 kcal e é equivalente a:
1,7
m³ de metano
1,5
m³ de gás de cidade
0,8
L de gasolina
1,3
L de álcool
2
kg de carbonato de cálcio
0,7
L de gasóleo
7
kw/h de eletricidade
2,7
kg de madeira
1,4
kg de carvão de madeira
0,2
m³ de butano
0,25
m³ de propano
Por estes valores é que faz o
biogás atualmente uma fonte de pesquisas sobre fontes renováveis de energia.
1.1.1.2 Biomassa e Energia
Elétrica
Segundo
Gaspar (2003) a denominação de biomassa se dá a quaisquer materiais passíveis
de serem decompostos por causas biológicas, ou seja, pela ação de diferentes
tipos de bactérias, matéria essa encontrada em abundância em todos os lugares
do planeta. A biomassa decomposta sob as ações de bactérias metano gênicas
(produtoras de metano) produz biogás em maior ou menor quantidade, em virtude
de fatores como: temperatura, presença ou não de oxigênio, nível de umidade,
quantidade de bactérias versus volume e
tipo de biomassa, entre outros.
De
acordo com Oliveira (1994) as observações dos técnicos das cooperativas e
associações de criadores de animais e especialistas dos órgãos ligados ao
ministério da Agricultura, concluíram que um animal qualquer produz, em média,
em torno de 19 gramas de dejetos por cada quilo de peso do animal, durante um
período de 24 horas. Com base nestes dados, é possível calcular multiplicando o
peso do animal por 0.0019 a quantidade média de estrume produzida por cada
animal no período de um dia. A tabela 1 mostra a produção média diária de
dejetos de um animal adulto.
Tabela
1 - Produção diária de dejetos por animal.
|
|
Tipo de animal
|
Média de produção de dejetos (em Kg por
dia)
|
Bovino
|
10,00
|
Suíno
|
2,25
|
Aviários
|
0,18
|
Equino
|
10,00
|
Fonte:
Sganzerla, (1983).
|
|
Pesquisas
mostram que os dejetos bovinos propiciam rápida proliferação das bactérias
metanogênicas, sendo recomendado que a primeira carga nos biodigestores seja
feita com esterco bovino.
Como
pode ser visto na Tabela 2, os dejetos de suínos apresentam uma grande
capacidade de produção de biogás, superior aos de aves, e muito próximo dos
ovinos, perdendo apenas para bovinos e equinos, que são os que apresentam maior
capacidade de produção de biogás. Uma das dificuldades principais na utilização
do estrume de suínos é que seu processo de fermentação é mais lento que os dos
demais.
Os
dados presentes na tabela 2, mostra as diferentes produções de biogás de cada
biomassa, bem como a concentração de metano. Nota-se, também, que os dejetos
suínos é a biomassa com melhor rendimento, biogás/tonelada, cerca de 560m³ de
biogás, e apresentando um ótimo nível de gás metano (50%). Apenas como
comparação, convém notar que os dejetos de bovinos produzem apenas 270 m³ de
biogás/tonelada, sendo o índice de presença de metano neste biogás de 55%, ou
seja, apenas 5% a mais que o índice alcançado pelo estrume de suínos, isso
prova a excelente produção de biogás a partir de dejetos suínos é o fator que
melhor compensa a demora destes dejetos em produzir o biogás.
Tabela 2 – Expectativa de
produção de biogás por biomassa.
|
||
Biomassa utilizada (dejetos)
|
Produção de biogás (a
partir de material seco em m3 por tonelada)
|
Percentual de gás metano
produzido
|
Bovinos
|
270
|
55%
|
Suínos
|
560
|
50%
|
Equinos
|
260
|
Variável
|
Ovinos
|
250
|
50%
|
Aves
|
285
|
Variável
|
Fonte: Sganzerla, Edílio.
(1983).
|
||
O
principal componente do biogás é o metano representando cerca de 60 a 80% na
composição do total de mistura. O metano é um gás incolor, altamente
combustível, queimado com chama azul lilás, sem deixar fuligem e com um mínimo
de poluição. Em função da porcentagem com que o metano participa na composição
do biogás, o poder calorífico deste pode variar de 5.000 a 7.000 kcal por metro
cúbico. Esse poder calorífico pode chegar a 12.000 kcal por metro cúbico uma
vez eliminado todo o gás carbônico da mistura.
A
quantidade percentual de água contida na biomassa utilizada nos biodigestores
deve situar em 90% do peso total, essa percentagem é dependente do tipo de
biomassa utilizada, a falta ou excesso dessa é prejudicial à produção de
biogás, a temperatura também é de grande
influência para produção uma vez que os microorganismos metanogênicos são
extremamente sensíveis a alterações bruscas de temperatura que deve situar em
20 a 45º.
Segundo
Seixas et al (1980) quando as especificações de qualidade de vida dos
microrganismos são atendidas, o biogás obtido deve ser composto de uma mistura
de gases, com cerca de 60 ou 65% do volume total consistindo em metano,
enquanto os 35 ou 40% restantes consistirem, principalmente, em gás carbônico,
e quantidades menores de outros gases. Contudo, a composição do biogás pode
variar de acordo com o tipo e quantidade de biomassa empregada, os fatores
climáticos e as dimensões do biodigestor, entre outros.
O
componente principal a ser obtido na produção do biogás é o metano, ele
apresenta características de ser um gás incolor, inodoro, altamente
combustível. Sua combustão apresenta uma chama azul-lilás e, às vezes, com
pequenas manchas vermelhas. Não produz fuligem e seu índice de poluição
atmosférico é inferior ao do butano, presente no gás de cozinha.
A
percentagem de metano confere ao biogás um alto poder calorífico, o qual varia
de 5.000 a 7.000 kcal por metro cúbico, e que, submetido a um alto índice de
purificação, pode gerar um índice de até 12.000 kcal por metro cúbico, podendo
ser obtido através de filtragem do gás pelos chamados filtros úmido que
consiste na passagem do gás por filtros de água e outros como os de limalha de
ferro.
Com
a eminência de uma crise energética cada vez mais próxima e a privatização das
companhias estatais do setor energético, tendo como consequência a retirada
gradual de subsídios da energia elétrica para o setor agrícola, a geração de
energia elétrica, nas propriedades, tendo como combustível o biogás, passa a
ser uma alternativa viável. Os sistemas de produção de suínos geram grandes
quantidades de dejetos que podem ser tratados convertendo matéria orgânica em
biogás, que é uma fonte alternativa de energia, de fácil utilização, com a
simultânea remoção e estabilização das cargas poluentes. Salienta-se, porém,
que apesar das perspectivas favoráveis, a utilização de biodigestores em
propriedades rurais não foi bem difundida, devido à falta de conhecimento e de
informação tecnológica ao seu respeito (Oliveira, 2004).
Segundo
Oliveira (2004), a geração de energia elétrica, com o uso de biogás como
combustível, pode ser dividida nas seguintes tecnologias disponíveis no
momento:
Conjunto
Gerador de Eletricidade – Consiste em um motor de combustão interna ciclo Otto
(álcool, gasolina ou diesel) adaptado para o uso do biogás como combustível
acoplado a um gerador de eletricidade, independente da rede de energia elétrica
da concessionária local.
Conjunto
Gerador Economizador de Eletricidade – Consiste em um motor de combustão
interna ciclo Otto (álcool, gasolina ou diesel) adaptado para o uso do biogás
como combustível, acoplado a um motor assíncrono, 2 ou 4 polos, que passa a
gerar energia ao ser conectado à rede de energia elétrica da concessionária
local.
No
primeiro caso, o conjunto é independente de rede de energia elétrica local,
gerando energia dentro da propriedade com o sistema de distribuição interno
isolado. No segundo caso, gerador economizador de eletricidade, o equipamento
gera energia somente se estiver conectado à rede de distribuição da
concessionária de energia somente se estiver conectado à rede de distribuição
da concessionária de energia elétrica, deixando de funcionar se a mesma sofrer
interrupção, ou manutenção nas redes elétricas externas. Neste caso a energia
gerada é distribuída na propriedade e na rede externa até o transformador mais
próximo (Oliveira, 2004).
Estudo
desenvolvido por Oliveira (2004), avaliando o potencial de produção de energia
elétrica tendo como fonte de energia o biogás, na região do meio oeste
catarinense, concluiu que o consumo médio de energia nas propriedades é de (600
a 1.800KWh/mês). Tomando como base uma granja de produção de suínos com
capacidade para produzir em média de 50 m³ biogás/dia, então sua capacidade de
gerar energia é de 2.700KVAh/mês, o que equivale aproximadamente 2.160 KWh/mês.
Propriedades com esta capacidade de geração de biogás podem se tornar
autossuficientes em energia elétrica, adotando um sistema que seja capaz de
gerar 25KVA/h de potência elétrica. O consumo de biogás observado gira entre 16
a 25 m³/hora no sistema/motor estacionário para a geração de energia elétrica,
dependendo da potência elétrica gerada.
O
rendimento da transformação da energia contida no biogás em energia elétrica
gira em torno de 25%, contra 65% quando transformada em energia térmica.
Em
síntese são grandes os benefícios atribuídos ao uso do biogás, tanto pela
preservação dos recursos locais, como a retirada de lenha próxima à residência
rural evitando problemas como erosão do solo, por ser um gás higiênico produz
menos fumaça quando comparado ao gás de bujão, evitando assim resíduos de
fuligem nas panelas e demais utensílios de cozinha. Podendo também agregar
valores econômicos a propriedade suinocultoras.
Gaseificação
A
gaseificação de combustíveis sólidos é um processo bastante antigo, realizada
com o objetivo de produzir um combustível gasoso com melhores características
de transporte, melhor eficiência de combustão e também que possa ser utilizado
como matéria-prima para outros processos. Basicamente, a gaseificação é
a conversão da biomassa em um gás combustível, através de sua oxidação parcial
a temperaturas elevadas. Este gás é conhecido como gás pobre ou “producer
gas”. O conteúdo médio dos compostos combustíveis no gás resultante da
biomassa é para o CO entre 15 e 30 %, para o H2 entre 12 e 40% e para o CH4 entre
4,5 e 9%. O poder calorífico do gás fica na faixa entre 4 e 13 MJ/m³. Os
menores valores correspondem à gaseificação com ar e os maiores à gaseificação
com adição de vapor de água ou oxigênio. A
gaseificação, embora tecnologicamente mais complicada, apresenta algumas
vantagens em comparação com a combustão direta; A geração de eletricidade em pequena
escala pode ser realizada sem a necessidade de um ciclo de vapor, utilizando o
gás da biomassa diretamente em um motor de combustão interna ou, em
perspectiva, num motor Stirling, microturbina a gás ou célula combustível.
Deve-se destacar que é possível obter eficiências comparáveis com as de
centrais térmicas a carvão, fato este que constitui uma quebra de paradigmas.
Gaseificadores:
Os gaseificadores são os
equipamentos onde se realiza a conversão da biomassa em gás e são classificados
segundo os seguintes parâmetros:
a) Poder calorífico do gás produzido:
• Gás de baixo poder calorífico até 5 MJ/Nm3.
• Gás de médio poder calorífico de 5 a 10 MJ/Nm3.
• Gás de alto poder calorífico de 10 a 40 MJ/Nm3.
O poder calorífico do gás influi significativamente sobre a
possível aplicação do mesmo, como indicado na Figura 3.
Figura 3 – Aplicações da gaseificação de biomassa em dependência
do poder calorífico do gás
b) Tipo de agente de gaseificação:
• Ar.
• Vapor de água.
• Oxigênio.
c) Pressão de trabalho:
• Baixa pressão (atmosférica).
• Pressurizados (até 3 MPa).
d) Direção do movimento relativo da biomassa e do agente de
gaseificação (Figura 4):
• Leito em movimento a contra fluxo com o gás (contracorrente).
• Leito em movimento a fluxo direto com o gás (concorrente).
• Leito em movimento perpendicular ao fluxo de gás (fluxo
cruzado).
• Leito fluidizado.
Figura 4 – Classificação dos
gaseificadores atendendo à direção relativa de movimentação do gás e da
biomassa:
a) Gaseificadores de leito fixo,
b) Gaseificadores de leito fluidizado.
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 bio-óleo). 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 bio-óleo 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 bio-óleo, principal subproduto 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).
Bio-óleo
O bio-óleo (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 bio-óleo 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.
O processo
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 (álcoois, óleo combustível, alcatrão, etc);
- zona de resfriamento: nesta fase os
resíduos gerados pelo processo são coletados no final do processo: carvão,
cinzas e bio-óleo.
Atualmente, o pesquisador Johnson Pontes de Moura enfatiza nos
levantamentos bibliográficos para a redação de sua monografia do Curso de
Especialização em Energias Renováveis com Ênfase em Biogás da Universidade
Federal de Integração Latino-Americana- UNILA, que é factível estudar a viabilidade técnica de processos BIG-GT
(“Biomass Gasification/Gas Turbine”) em geração de potência termelétrica
alimentados por lamas de bagaço de cana em glicerol.
Este estudo constará dos
seguintes objetivos principais:
1)
Levantar o potencial e disponibilidade de
glicerol residual de processos de produção de biodiesel no Brasil.
2)
Levantar o panorama atual de excedente de
bagaço de cana em usinas de açúcar e álcool no país.
3) Levantar a disponibilidade e eficiências de
sistemas comerciais de limpeza de gás advindos de gaseificador operando com
biomassas a ser injetado em turbinas.
4)
Levantar (em literatura) de proporções
mínimas de combinações entre glicerol com bagaço de cana factível de
bombeamento em bombas comerciais para lamas.
5)
Desenvolver estudos visando a otimização
do gaseificador operando com tecnologia de leito fluidizado borbulhante tento
em vista maximizar a eficiência energética do mesmo. Fixada uma potência de
exemplo para o processo, o estudo ter como variáveis:
a)
Pressão de operação.
b)
Dimensões básicas do gaseificador, como
diâmetro e altura.
c)
Razão de ar.
d)
Razão de vapor injetado.
e)
Estratégia de injeção de gases reagentes.
f)
Outras que se considerarem interessantes.
6)
Repetir o
estudo anterior para o caso de leito fluidizado circulante.
7)
Realizar a seleção do processo de gaseificação de maior
eficiência energética.
8) Otimizar o processo de geração de potência global BIG-GT
tendo em vista maximizar a eficiência exegética do mesmo.
Considerações finais
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.
A
discussão sobre a necessidade e conveniência de geração de potência elétrica
utilizando biomassas já foi ultrapassada. Sistemas BIG/GT (Biomass
Gasification/Gas Turbine) têm sido estudados como alternativa a processos mais
convencionais para utilização de biomassa visando a geração de potência
termelétrica. Entre tais processos convencionais, o mais aplicado é baseado em
caldeira consumindo biomassa pulverizada em ciclo Rankine. Entretanto, estudos mostram
que maiores eficiências podem ser logradas pelo emprego de turbinas a gás
alimentadas de efluente de gaseificação da biomassa.
Por
outro lado, a experiência mostra que os sistemas de alimentação de biomassas
particuladas, tal como bagaço de cana, em reatores a alta pressão trazem
grandes problemas que são resolvidos por meio de sistemas complexos de silos em
cascata. Tais silos levam paulatinamente a biomassa de atmosfera ambiente à
reinante no gaseificador. Para evitar pirólises ao longo da cascata, tais silos
são mantidos sob atmosferas de nitrogênio. Cabe ainda notar que em casos de
biomassas, como por exemplo, o bagaço de cana, as partículas apresentam grande
tendência a se entrelaçarem devido a extremidades fibrosas. Tais estruturas
formam “gaiolas” que impossibilitam a continuidade de escoamento descendente
nos silos. Mecanismos de vibração e até mesmo de agitação por meio de pás no
interior dos silos são empregados para evitar ou desfazer tais estruturas. Sistemas
que combinam roscas operando sincronicamente entre silos, controles, mecanismos
para evitar engaiolamento da biomassa nos silos mantidos em atmosferas de
nitrogênio puro não são apenas muito complexos como também extremamente
custosos. Tais fatores lançam grandes dúvidas sobre a viabilidade técnica e
econômica de tais processos.
Uma
alternativa que evita tais problemas e simplifica sensivelmente os sistemas de
alimentação é o de se utilizar lamas de biomassas que seriam bombeadas para o
interior do reator. Tal alternativa já está sendo utilizada por fabricantes no
Japão e Coréia do Sul em caldeiras consumindo carvão mineral e operando em
leito fluidizado borbulhante a altíssimas pressões. Sistemas de grande porte
(800 MW) geram vapor supercrítico em tubos imersos no leito fluidizado que
alimenta turbinas a vapor enquanto o gás de escape da caldeira é injetado em
turbinas à gás após apropriada limpeza.
Por
outro lado, tal alternativa de alimentação com lamas aquosas de biomassa não se
prestam a gaseificadores, pois a energia necessária para levar a água do estado
líquido a vapor consumiria praticamente toda a energia advinda da combustão parcial
da biomassa alimentada.
Dentro do panorama estratégico do Brasil para
utilização de biocombustíveis, surge a possibilidade de empregar o glicerol
como meio líquido em lamas de biomassa. O glicerol é resíduo da fabricação de
biodiesel e muitas vezes descartado, o que constitui um sério problema
ambiental e terrível desperdício de combustível. Diferentemente da água, o
glicerol seria combinado com a biomassa para formar lamas, viabilizando técnica
e economicamente processos BIG/GT.
Diante da pesquisa e análise dos resultados obtidos no que se
refere à utilização dos biodigestores, pode-se concluir que:
O biodigestor atende as exigências de tratamento dos dejetos
suínos, reduzindo o potencial de impacto ambiental, como a poluição do solo,
águas e ar da região.
A produção do biogás e do biofertilizante pelo sistema de
biodigestão agrega valor à propriedade rural suinocultora, de modo que se trata
de uma fonte alternativa e renovável de energia com diversos tipos de
utilizações e de um material orgânico de grande poder de fertilização,
respectivamente, como pode ser visto no desenvolvimento do trabalho.
No estudo de caso realizado, evidenciaram-se exemplos da aplicação
do biogás e do biofertilizante, assim como, o
desenvolvimento de uma análise de viabilidade econômica, onde foi possível
demonstrar que se usado adequadamente os produtos do biodigestor, muito
provavelmente proporcionará grande benefício financeiro com retorno certo de
investimento, podendo superar múltiplas vezes os melhores investimentos ou
aplicações do mercado atual.
Assim sendo conclui-se que o biodigestor além de uma excelente
ferramenta de tratamento de resíduos é de grande benefício econômico. (infobibos)
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