innova - relatório de tecnologias de tratamento de resíduos sólidos

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TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO DE RESÍDUOS SÓLIDOS

Segundo dados da ABRELPE, entre 2007 e 2010, tivemos no Brasil uma quantidade crescente de

resíduos que receberam destinação inadequada (42% do total ou 23 milhões de toneladas em

2010), ou seja, lixões a céu aberto ou aterros “controlados”.

Como sabemos, a destinação inadequada compromete a saúde humana e o meio ambiente, ao

contaminar os recursos hídricos com o chorume e ao liberar na atmosfera o gás metano, que é

um dos principais causadores do efeito estufa.

Neste cenário, em 02/08/2010, entrou em vigor a Lei Nacional de Resíduos Sólidos no. 12.305,

que regulamenta o setor e define objetivos e metas a serem alcançados. Entre os principais

pontos da nova política está a eliminação de lixões e aterros controlados até 2014, assim como o

aumento da coleta seletiva.

A lei no. 12.305 será complementada pelo primeiro Plano Nacional de Resíduos Sólidos, em

elaboração pelo Instituto de Pesquisas Econômicas Aplicadas e com publicação prevista para este

mês de junho, ao qual seguirão os planos estaduais e municipais.

Para atingir os objetivos traçados em um tempo tão breve é fundamental a utilização de todas as

possibilidades a disposição, em especial a não produção, a coleta seletiva, a reciclagem e o

aproveitamento energético dos resíduos sólidos, de modo a minimizar a solução provisória e não

sustentável representada pelos aterros sanitários.

Uma das consequências dessa nova política e da regulamentação do setor será a introdução no

mercado brasileiro de novas tecnologias para o tratamento e o aproveitamento energético dos

resíduos sólidos. Contudo, devido a pouca ou nenhuma experiência brasileira nessa área, se faz

imperativo estudar e acompanhar o que vêm sendo realizado em países com larga experiência no

campo de Energia do Lixo (Waste to Energy), para poder discernir entre possibilidades reais e as

falácias que se disseminam em um ambiente especulativo, onde faltam informações e

conhecimento.

Com este objetivo foi desenvolvido esse trabalho, que discute prós e contras das diferentes

tecnologias e a possível aplicação no cenário brasileiro, citando sempre estudos realizados por

centros de pesquisas e departamentos governamentais renomados, principalmente nos Estados

Unidos e na Europa. Com este estudo, porém, não temos a pretensão de ser exaustivos, pois

existe uma grande variedade de tecnologias sendo aplicadas no segmento de resíduos.

Partimos do princípio que o modelo de gestão ideal é a implementação dos 3R’s (Reduzir,

Reutilizar e Reciclar), de modo a gerar o mínimo possível de resíduos e concomitantemente a

utilização de tecnologias para o aproveitamento energético, de modo a evitar os impactos

ambientais no solo, na água e no ar, atualmente observados.


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O tratamento dos resíduos pode ser realizado por via biológica ou por via térmica. Antes de

adentrarmos nos métodos de tratamento, no entanto, se faz necessário a caracterização do

Resíduo Sólido Urbano (RSU).


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1. CARACTERIZAÇÃO DO RSU

Diferentemente de países europeus, a quase totalidade dos resíduos gerados no país não é

diferenciada na fonte, ou seja, a coleta seletiva representa 1% no Rio de Janeiro, 1,2% em Belo

Horizonte, 1,6% em São Paulo, 9% em Goiânia e 23% em Curitibai.

Os números demonstram que com vontade política e a conscientização da população é possível

atingir percentuais elevados de coleta seletiva, no entanto, casos como Curitiba ainda são a

exceção e, portanto, consideramos o RSU como o resíduo indiferenciado, com composição típica

segundo o gráfico abaixoii:

O quantitativo de resíduos orgânicos vem diminuindo em proporção ao longo dos anos, de 54,7%

em 2007 para 45,8% em 2010. O percentual mais elevado de papel/papelão e plásticos é

associado a uma população mais rica, com um maior consumo de produtos e alimentos

industrializados e embalagens.

Somando o papel/papelão, os plásticos e os metais, temos cerca de 40% de material reciclável. No

entanto ao misturar estes recicláveis com os demais resíduos o material se contamina e perdendo

qualidade o seu reaproveitamento fica limitado.

Segundo o Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (IPEA)iii este modo de gestão implica no

desperdício de 73.000 toneladas por dia de recicláveis no país. Ao considerar um valor médio de

R$300,00 por tonelada comercializada o estudo indica um desperdício de R$ 8 bilhões por ano.

O material orgânico por sua vez é o responsável pela produção de chorume e metano em lixões,

aterros controlados e aterros sanitários.

46%

1%

20%

16%

6% 3% 2%

6%

Caracterização Gravimétrica 2010

Matéria Orgânica (alimentos + poda) Madeira

Papel/Papelão Plástico

Materiais Têxteis/couro/calçados Metais

Vidros Outros


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2. TRATAMENTOS BIOLÓGICOS

O tratamento biológico consiste na digestão do material orgânico biodegradável por bactérias. É

importante salientar que materiais não biodegradáveis (plásticos, borrachas, vidro, metais, etc.)

ou de difícil degradação (tecidos, couro, madeira, etc.) não são completamente processados pela

via biológica.

Quando o processo biológico ocorre na presença de oxigênio chamamos de digestão aeróbica, é o

caso da compostagem que transforma a matéria orgânica em gás carbônico e água. Já quando o

processo ocorre na ausência de oxigênio chamamos de digestão anaeróbica como é o caso dos

biodigestores e dos aterros, que transformam a matéria orgânica em metano e gás carbônico.

Os métodos biológicos tem por objetivo estabilizar a matéria orgânica e possivelmente

transformar os resíduos em composto para utilização na agricultura ou na silvicultura. Esse

objetivo, no entanto, raramente é alcançado, mesmo quando os resíduos são oriundos de coleta

seletiva com separação na origem. Isso se deve ao fato que é muito difícil garantir um percentual

mínimo de elementos estranhos no composto (metais, plásticos, vidro, etc.).

Mesmo em frações com menos de 1% de materiais estranhos no composto, estes elementos

podem ser identificados visivelmente, o que desencoraja a sua utilização por agricultores. Outra

preocupação é quanto à presença de metais pesados e outros contaminantes, que podem causar

riscos ambientais e sanitários ao entrar na cadeia alimentarix.

Na Europa, no entanto, além de utilizar processos aeróbicos e anaeróbicos para a produção de

composto para aplicação agrícola, estes processos também são utilizados para estabilizar resíduos

orgânicos provenientes de coleta não seletiva. Nesse caso os resíduos indiferenciados são

separados mecanicamente e a fração biodegradável é tratada biologicamente com o objetivo de

estabilizar esses resíduos e evitar a produção de chorume e metano em aterros sanitários, esta

prática é denominada MBT (Mechanical-Biological-Treatment). Essa é uma necessidade na

comunidade europeia, pois a diretiva n° 31, de 26/04/1999 limita a quantidade de resíduos

biodegradáveis sem tratamento prévio admitida em aterros.


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2.1. COMPOSTAGEM

O método mais simples de compostagem é a disposição dos resíduos em pilhas por um

determinado número de dias, sob um terreno impermeabilizado, sob condições controladas de

aeração, umidade, etc. Algumas características desse processo seguem abaixo:

Por ser um processo biológico, ele depende da proliferação de organismos vivos, que por sua vez são sensíveis a condições como: disponibilidade de oxigênio, temperatura, umidade, macronutrientes (C, N, P, K), micronutrientes (Co, Mn, Mg, Cu e Ca), tempo de residência, pH, presença de contaminantes, etc.;

Considerandoiv um tempo de residência de 50 dias e um quantitativo de 24m3 de resíduos por dia, é necessária uma área de 1456m2;

Para garantir a presença de oxigênio é necessário que as pilhas de resíduos sejam reviradas de 2 a 3 vezes por semanaiv;

O processo se divide em duas fases, com duração de cerca de 30 dias cada: a fase ativa, na qual a fração biodegradável é mineralizada, com um consumo significativo de oxigênio e a produção de calor, gás carbônico e água; e a fase de maturação, na qual os componentes menos degradáveis se reorganizam em compostos orgânicos complexos e estáveis (húmus) v;

A fase ativa, ao liberar calor, mantém os resíduos a temperaturas da ordem de 60°C o que permite a eliminação de patógenos, etc. Essa higienização é garantida ao se operar 3 dias a uma temperatura mínima de 55°C;

Materiais orgânicos de mais difícil degradação como madeira e couro não se decompõem completamente;

Baixa redução de volume;

Produção de odores;

Não produz energia.

Considerações finais e impacto ambiental/sanitário: A compostagem proporciona a estabilização

dos materiais biodegradáveis, de modo a limitar os riscos ambientais e sanitários (produção de

chorume, metano e patógenos). Em contrapartida é necessária uma grande área para sua

implantação e frequentemente se observa a produção de odores. Além das dificuldades técnicas

existem barreiras comerciais a serem superadas, em relação à colocação do produto no mercado,

pois poucos consumidores confiam em utilizar composto proveniente de resíduos em suas

atividades agrícolas.

Pelas razões expostas a utilização de resíduos sólidos para a produção de adubo agrícola não é

praticável no nosso contexto atual, a não ser para frações de elevada qualidade, como resíduos

provenientes de coleta seletiva de restaurantes e feiras e resíduos de podas e jardim.

Futuramente, no entanto, com a educação da população e o atingimento de uma coleta seletiva

da fração orgânica com alta eficiência, o composto pode trazer grandes benefícios para a

agricultura, ao repor o conteúdo orgânico necessário ao solo. Estudos demonstram que o uso do

composto na agricultura pode melhorar a estrutura e a permeabilidade do solo, reduzindo a

erosão e aumentando a capacidade do solo manter a água.vi


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2.2. DIGESTÃO ANAERÓBICA

O processo de digestão anaeróbica utiliza microorganismos que se proliferam na ausência de

oxigênio e por produzirem metano, também são chamados metanogênicos. Para garantir a

ausência de oxigênio normalmente é utilizado um reator fechado com a matéria orgânica

difundida em solução aquosa.

Embora a tecnologia de digestão anaeróbica tenha evoluído de modo a garantir um processo

razoavelmente confiável e estável, no passado ocorreram muitas dificuldades de gestão que

reduziram a credibilidade dessa tecnologia, entre elas a contaminação do reator,

desenvolvimento de culturas concorrentes e a dificuldade em manter as condições necessárias

para a sucessão das diferentes fases do processo.

Uma das tecnologias que obtiveram sucesso em tratar a fração orgânica dos resíduos é a BTA

International, com mais de 40 plantas instaladas e cujo diagrama de funcionamento segue

abaixovii:

Algumas características da tecnologia:


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O material orgânico de coleta seletiva é recebido e triturado (Screw mill). Quanto menor a dimensão da matéria melhor é a sua posterior degradação;

Um sistema de separação gravimétrica em um tanque de água permite separar tanto materiais leves como plásticos quanto materiais pesados como metais e pedras, da fração orgânica (BTA Pulper);

Posteriormente a solução com a fração orgânica é passada por um sistema para remoção de areia e sedimentos (Grit-Removal-System);

Um tanque de armazenamento permite desacoplar a parte de pré-tratamento da parte de digestão (Buffer tank);

A solução orgânica é tratada em um biodigestor sob condições mesofílicas, ou seja, temperaturas entre 35 e 38°C. Neste processo se obtém um biogás, composto principalmente de metano, que pode ser utilizado para gerar energia elétrica e calor (Digester);

O lodo resultante da digestão passa por um processo de remoção de água, alcançando 70% de umidade, e então segue para compostagem.

Segundo estudo da Empresa de Pesquisa Energéticaviii, essa tecnologia permite a produção de 140kWh por tonelada de resíduo orgânico, com uma redução do volume a 35% da quantidade original;

Há de se considerar porém, que enquanto a operação desse sistema com resíduos provenientes da coleta seletiva é delicada, a operação com resíduos orgânicos provenientes de coleta não seletiva é altamente questionável devido a vulnerabilidade intrínseca do sistemav;

Além das limitações já citadas, o sistema requer vários estágios, reatores com volumes elevados, custos consideráveis, e por fim produz um lodo que ainda deve ser estabilizado por processo de compostagem, alongando significativamente o processo de tratamento.

Considerações finais e impacto ambiental/sanitário: O processo anaeróbico é mais lento e menos

completo que o processo aeróbico, além de adicionar complexidades tecnológicas significativas.

Algumas poucas vantagens do processo em comparação com a compostagem é a geração de

energia elétrica, mesmo que com baixa eficiência e a não produção de odores. O produto final

não é totalmente estabilizado e deve ser tratado aerobicamente por compostagem.

Pelas razões expostas e por atualmente não se dispor de coleta seletiva da fração orgânica no

país, a aplicação desta tecnologia na atual conjuntura brasileira não é aconselhada.


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2.3. TRATAMENTO MECÂNICO-BIOLÓGICO

Também chamado MBT, do seu acrônimo em inglês, a principal diferença destes processos em

relação aos anteriormente ilustrados é que as tecnologias MBT’s são utilizadas para tratar

resíduos indiferenciados, não provenientes de coleta seletiva. Na verdade MBT não é uma

tecnologia específica, mas uma combinação de processos destinados ao reaproveitamento de

resíduos indiferenciadosix.

O objetivo do MBT como modo de gestão de resíduos é minimizar os impactos ambientais

associados com a disposição final de resíduos biodegradáveis e obter valor através da colocação

comercial dos seus produtos. Uma característica do MBT é que ele não elimina os resíduos,

apenas os transforma em outros produtos para os quais se espera uma colocação comercial

(combustível, composto, recicláveis, etc.).

A denominação de tratamento mecânico consiste nas atividades de seleção, separação, redução

de tamanho e controle de granulometria de modo a obter frações úteis.

A denominação de tratamento biológico consiste no tratamento aeróbico ou anaeróbico que tem

como objetivo a obtenção de uma fração similar a um composto e quando se tratar de processo

anaeróbico, biogás.

Ás vezes se atribui também o processo de secagem dos resíduos como uma atividade MBT.

Alguns dos objetivos buscados através de unidades MBT são listados abaixo, sendo que a

peculiaridade de todos esses processos, como já comentado, é que eles não eliminam os resíduos,

apenas os transforma em outra coisa, para o qual se espera ter aplicação comercialix:

1. Algumas unidades MBT buscam a segregação de recicláveis para comercialização, assim como a redução do volume e a estabilização da fração biodegradável de modo a obter um resíduo bio-estabilizado;

2. Outras unidades buscam a produção de um Combustível Derivado de Resíduos (CDR) ou RDF do seu acrônimo em inglês, ou seja, a obtenção de um produto mais homogêneo e com maior poder calorífico através de secagem, trituração e/ou “blendagem” com outros combustíveis. Esse produto pode ser então utilizado em fornos industriais, etc. caracterizando uma incineração descentralizada;

3. Por fim existem unidades que buscam o pré-tratamento e a redução do volume de resíduos, como definido no item anterior, para posterior geração de energia em incineradores, de modo a reduzir a capacidade dos incineradores a serem instalados.

Algumas das poucas experiências que se verificaram no país até então podem ser enquadradas

em processos MBT ou similares. Este é o caso da tecnologia instalada recentemente em Paulínia

(SP), em um aterro da empresa ESTRE Ambiental e o da empresa Mundo Limpo, desenvolvida em

Niterói (RJ). Ambos os processos são descritos brevemente abaixo:

Paulínia – Estre Ambiental: Apesar de não tratar a fração biodegradável, a usina instalada em

Paulínia (SP) pela Estre Ambiental, com tecnologia Finlandesa, é um exemplo de processo

mecânico. A tecnologia é chamada Tyranossaurus e é a primeira do gênero instalada no Brasil.


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De acordo com os objetivos anteriormente elencados, a tecnologia se enquadra no segundo caso,

ou seja, a homogeneização dos resíduos com maior poder calorífico (borracha, plásticos e papel)

para a produção de um combustível (CDR). Neste processo apenas os materiais metálicos são

destinados à reciclagem e o material orgânico, após ser triturado, é encaminhado para o aterro

sem pré-tratamento.

Como as demais tecnologias MBT, ela não representa uma solução final, mas apenas

intermediária, sendo altamente dependente do mercado de CDR a ser estabelecido.

Tecnologia Mundo Limpo: Outra experiência nacional, com tecnologia brasileira, que pode ser

enquadrada em um processo MBT é a da empresa Mundo Limpo, instalada inicialmente em

Niterói, RJ.

Com relação aos objetivos elencados anteriormente, esta tecnologia se enquadra na primeira

tipologia, ou seja, busca a separação semi-manual de materiais recicláveis e o tratamento dos

resíduos biodegradáveis através da trituração e secagem através de secadores rotativos

alimentados com gás natural. Através desse processo se retém que o produto orgânico final seja

estabilizado, de modo a não apresentar mais riscos ao meio ambiente. A possibilidade de

comercialização dessa biomassa seca, no entanto, deve ser confirmada.


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Considerações Finais e Impactos Ambientais/Sanitários: Pela grande variedade de processos e

objetivos buscados através da aplicação de MBT, é impossível generalizar qualquer comentário.

O projeto Tyranossaurus, embora tenha um objetivo nobre de reduzir o quantitativo de resíduos a

ser destinado ao aterro e assim aumentar a vida útil do mesmo, ele concorre com a segregação de

materiais para reciclagem. Além disso, é extremamente preocupante a prática de incineração

descentralizada decorrente da comercialização do CDR, visto que é muito mais difícil a verificação

das emissões em diversas unidades menores, que não em um único incinerador. A principal

preocupaçãoix refere-se à instalação e operação de sistemas de remoção dos poluentes dos gases

de combustão (ácido clorídrico, fluorídrico, particulados, metais pesados, dioxinas, furanos,

poliaromáticos, etc...). Para maiores detalhes ver a seção de incineração, em tratamento térmico.

Além dos fatores ambientais e regulatórios outros problemas a serem enfrentadosix são a maior

corrosão em caldeiras e fornos que utilizam este combustível e também, muito provavelmente, a

oposição de comunidades locais à queima de lixo nos seus entornos.

Considera-se, portanto, que a comercialização e a utilização de CDR em caldeiras e fornos

industriais são muito preocupantes do ponto de vista ambiental e sanitário, mais preocupantes

que os próprios incineradores.

Sobre a tecnologia Mundo Limpo, o objetivo é completamente diferente do anterior, ou seja, o

foco é a maior recuperação possível de materiais recicláveis e a estabilização da matéria

biodegradável, ambas características muito positivas. Outra característica muito importante deste

processo é a utilização de segregação semi-manual, empregando e integrando catadores, um dos

objetivos definidos pela política nacional de resíduos sólidos. Resta somente viabilizar a colocação

da matéria orgânica no mercado para evitar a sua disposição em aterros.

A integração de catadores em unidades industriais, com condições de trabalho adequadas é hoje

uma exigência social e uma meta política que possibilita geração de renda à população mais

humilde e a recuperação de materiais recicláveis. Em contraposição, a segregação automática

exige grandes investimentos e não garante a mesma qualidade do produto final obtida com

métodos manuais.


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3. TRATAMENTOS TÉRMICOS

Existe uma enorme variedade de processos térmicos em funcionamento e em desenvolvimento

no mundo. Para uma melhor compreensão podemos dividir estes processos em tecnologias que

utilizam a combustão dos mesmos direta ou indiretamente, como a incineração, a gaseificação, a

pirólise, o plasma, a carbonização e o coprocessamento e tecnologias que não utilizam a

combustão mas apenas aquecem os resíduos com o objetivo de os esterilizar, como é o caso da

tecnologia de autoclave e de micro-ondas utilizadas especialmente com resíduos hospitalares.

Neste trabalho não trataremos a tecnologia de autoclave e de micro-ondas.

Chamamos atenção, porém, que mesmo dentro de cada uma destas definições de tecnologias,

existem diferentes configurações e condições de processos (modo de aquecimento, temperatura,

tipo de reator, tempo de residência, etc.) com resultados que podem ser completamente distintos

e, portanto, a descrição contida neste documento não deve ser considerada exaustiva.

A experiência nacional em tecnologias de tratamento térmico para aproveitamento energético é

extremamente limitada, sendo que se tem conhecimento de apenas dois protótipos. Um deles

utiliza o método tradicional de incineração, é conhecido como Usina Verde e é localizada na Ilha

do Fundão, na cidade do Rio de Janeiro. O outro utiliza um processo em batelada de carbonização

dos resíduos e é localizado em Unaí, Minas Gerais.

Por essa razão se faz necessário remeter a experiências europeias, japonesas e em menor escala

norte-americanas, pois a disponibilidade de área e a política de favorecimento à utilização de

aterros neste país não permitiu a difusão de processos térmicos como ocorreu na Europa e no

Japão.

Com excessão das tecnologias de autoclave e de micro-ondas todas as demais possibilitam

vantagens similares de redução de volume (90%) e peso (75%)xiii e de geração de valor através da

produção de energia elétrica e calor.


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3.1. INCINERAÇÃO OU COMBUSTÃO DIRETA

A Incineração ou combustão direta dos resíduos sólidos é o método mais utilizado para o

aproveitamento energético destes, sendo que a sua principal tipologia é a “mass burning” com

grelhas móveis, como aquela descrita na figura abaixox. Essa tecnologia é assim denominada

porque não exige nenhum pré-tratamento, ou seja, o resíduo é incinerado assim como é recebido.

Durante o processo de incineração os compostos orgânicos (plásticos, papel, restos de comida...)

são oxidados sob altas temperaturas e convertidos em gás carbônico e vapor d’água que são

liberados na atmosfera a partir da chaminé. Os resíduos inertes por sua vez, como vidro e metais,

formam as cinzas.

Nessas unidades, os resíduos são alimentados continuamente sobre as grelhas e deslocam-se

desde a entrada até sua saída. Durante esse trajeto ocorrem quatro processos consecutivos e às

vezes simultâneosxi:

Secagem: Em um primeiro momento a água é evaporada transformando o combustível úmido em uma substância seca;

Degaseificação: Ao fornecer mais calor à substância seca, os seus constituintes voláteis se desprendem deixando um resíduo sólido não volátil similar ao coque;


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Gaseificação: O produto carbonáceo similar ao coque é então convertido em gases combustíveis (principalmente monóxido de carbono – CO e hidrogênio – H2) utilizando o ar como agente gaseificador. Os resíduos sólidos remanescentes são chamados de cinzas de fundo (bottom ash) quando se depositam e de cinzas volantes (fly ash) quando são carregadas com a corrente gasosa;

Oxidação: A combustão dos gases ocorre em uma câmara secundária, transformando o CO e o H2 em CO2 e H2O. Essas reações ocorrem com excesso de ar, sendo que o oxigênio em excesso é liberado junto com os gases de exaustão.

Os processos de secagem e de degaseificação requerem calor para acontecerem (endotérmicos),

enquanto os processos de gaseificação e oxidação liberam calor (exotérmico). Quando o calor

liberado é maior que o calor necessário, o processo como um todo é autossustentável, porém

quando este não é o caso pode ser necessária a utilização de um combustível auxiliar.

Desvantagens da tecnologia: Segundo estudo realizado na UNESP de Bauruxii, o poder calorífico

do RSU bruto naquela cidade é igual a 2.430 kcal/kg, já quando consideramos uma média de

segregação de recicláveis igual a 38% para o papel/papelão e 20% para os plásticos, o poder

calorífico do que resta cai para 1.898 kcal/kg e quando separamos todo o papel/papelão e os

plásticos, cai novamente para 1.013 kcal/kg. Outro estudo da Empresa de Pesquisa Energéticaviii

indica que para valores de poder calorífico superiores a 2.000 kcal/kg a queima direta do RSU é

tecnicamente viável, para valores entre 1675 e 2000 kcal/kg existe a exigência de pré-tratamento

para elevar o poder calorífico antes de poder incinera-lo e para valores inferiores a 1.675 kcal/kg a

incineração não é tecnicamente viável.

1) Considerando estes valores podemos concluir que ao separar os recicláveis estamos reduzindo o poder calorífico e inviabilizando a incineração, ou seja, as atividades são concorrentes e para utilizar os incineradores devemos abdicar da reciclagem, pois mesmo com percentuais moderados de segregação o resíduo já não pode ser inserido diretamente em incineradores, o que reduz muito as vantagens desta tecnologia. Outro fator complicador é a umidade dos resíduos em períodos chuvosos, que pode reduzir o poder calorífico abaixo de 2.000 kcal/kg mesmo quando a segregação não é considerada, inviabilizando a incineração sem pré-secagemxiii.

No processo de incineração ilustrado anteriormente existem duas áreas de injeção de ar. A

primeira área corresponde ao número 3 da figura, abaixo das grelhas, fornecendo oxigênio para a

gaseificação dos resíduos, gerando um gás rico em CO e H2. Deve-se ter cuidado de fornecer a

quantidade exata de oxigênio (ar), pois se ela for inferior a desejada, pode-se ter dificuldades em

manter a queima do resíduo, enquanto que se ela for superior a desejada, pode-se ter

temperaturas suficientes para fundir as cinzas (>900°C), o que pode bloquear a passagem de ar

pelas grelhas e causar paradas para manutenção.

2) Esta tarefa de ajustar a quantidade de ar necessária é complicada, principalmente com um combustível tão heterogêneo como o lixo urbano.

A segunda área de injeção de ar é localizada no número 6 da figura, no ingresso da câmara

secundária, onde ocorre a combustão do CO e do H2, gerando CO2 e H2O. Para que a combustão

seja completa o excesso de ar é comumente igual a 100%.


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3) Esse excesso de ar resulta em perda de energia nos gases da chaminé e a necessidade de uma caldeira de maior volume para operar com o volume adicional de gases.

Para que a incineração dos gases na câmara secundária seja completa são necessárias, além da

disponibilidade de oxigênio, condições mínimas de temperatura, tempo de residência e

turbulência. Como exemplo um sistema moderno de incineração opera com uma temperatura

mínima de 850°C, tempo de residência de 2 segundos e boa turbulência, com um conteúdo

mínimo de oxigênio nos gases de combustão de 3%.

4) Quando a temperatura na câmara secundária é inferior a esse valor (850°C) é necessário a injeção de um combustível auxiliar.

Após a combustão completa na câmara secundária os gases de exaustão são utilizados para

aproveitamento térmico em uma caldeira. Devido a natureza do combustível, contudo, esses

gases são extremamente agressivos.

5) A temperatura elevada e a presença de vapores ácidos nos gases de combustão são extremamente danosos às paredes e tubos metálicos da caldeira, o que acarreta custos elevados de manutenção. Para diminuir a degradação da caldeira, os gases são enviados para a caldeira a uma temperatura mais baixa. Embora essa medida diminua os custos de manutenção, ela não permite gerar vapor a altas pressões, o que limita a eficiência elétrica global da usina a cerca de 20%viii.

A combustão de resíduos sólidos gera uma série de elementos perigosos, como ácido clorídrico,

ácido fluorídrico, dioxinas, furanos, metais pesados e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos,

extremamente nocivos e exceto os dois primeiros, cancerígenos. Para evitar que esses elementos

sejam liberados na atmosfera se faz necessário a instalação de uma série de filtros e processos

para abater esses poluentes.

6) Embora os sistemas de lavagem de gases modernos sejam extremamente eficientes nessa tarefa, eles ocupam a maior parte da área da usina e representam até 35% do custo totalxiii. Essa é uma das razões que inviabilizam incineradores de pequena capacidade, pois somente com o ganho de escala é possível compensar os custos elevados do incinerador e dos filtros (capacidades superiores a 500 ou 1000 ton/dia de resíduos). Outro ponto importante é que ao abater os poluentes dos gases de combustão, os filtros captam as cinzas volantes, onde se concentram dioxinas, furanos, metais pesados, etc., o que pode causar danos graves ao meio ambiente e à saúde publica se não disposto adequadamente (ver Anexo I para mais informações sobre dioxinas, furanos, etc).

Os incineradores têm características similares às termoelétricas a carvão, principalmente quando

consideramos os filtros de limpeza dos gases de combustão. A constituição heterogênea do lixo e

a presença de cloro e outros contaminantes fazem, porém, a sua operação ainda mais complexa.

Embora não existem muitos exemplos de termoelétricas a carvão no Brasil, essas unidades tem

como característica um custo de investimento (CAPEX) bastante elevado e por essa razão

costumam se viabilizar somente para capacidades elevadas (acima de 250 MWe). Já os

incineradores dificilmente superam os 20MW, por não ter o mesmo quantitativo de combustível à

disposição no mesmo local.


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Os resultados ambientais observados em incineradores na Europa, no passado, não foram

positivos e em algumas localidades continuam não sendo, o que gerou uma grande insatisfação e

reação popular à tecnologia de incineração. Em países como a Itália é frequente a manifestação

contra a instalação de incineradores (chamado de “termovalorizzatore” em italiano).


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3.2. PIRÓLISE

A pirólise consiste na degradação térmica de hidrocarbonetos na ausência de oxigênio. Este

processo requer uma fonte externa de calor para aquecer a matéria e a temperatura pode variar

de 300 a mais de 1000°C.

Pela definição já se observa que qualquer processo térmico a temperaturas superiores a 300°C e

na ausência de oxigênio são considerados métodos de pirólise, o que torna o termo

extremamente abrangente. Inicialmente é possível fazer uma distinção quanto aos parâmetros de

operação como tempo de residência dos resíduos e a temperatura a qual ele é submetidoxiv:

Pirólise Lenta - Processo a temperaturas superiores a 400°C e longos períodos de

residência (40min – 1hora) em que a proporção dos produtos obtidos normalmente é 30%

líquidos, 35% carbonáceos e 35% gases.

Pirólise Rápida - Processo a temperatura entre 400°C e 600°C e períodos de residência

curtos (t < 2 seg) em que a proporção dos produtos obtidos normalmente é de 75%

líquidos, 12% carbonáceos e 13% gases.

Flash Pirólise - Processo a temperaturas superiores a 800°C e períodos de residência

curtos (t ~ 1 seg), a proporção dos produtos obtidos normalmente é de 5% líquidos, 10%

carbonáceos e 85% gases.

Os processos de pirólise utilizados para tratamento de resíduos sólidos urbanos que tiveram

sucesso, são quase que exclusivamente os que utilizam a Pirólise Lenta, e por essa razão nos

concentraremos nessa solução. Algumas referências são citadas abaixo:

Em Burgau, na Alemanha, foi construída uma usina com capacidade de 95 ton/dia de RSU, RSS, lodo de esgoto e de solo contaminado, que opera continuamente desde 1982. Em 2001 foi construída outra unidade de RSU em Hamm, com capacidade de 288 ton/dia;

Em Bristol, Inglaterra, existe unidade de tratamento de RSS com capacidade de 24 ton/dia, que opera continuamente há 9 anos;

Em Kéflavik, Islândia, existe unidade de tratamento de RSU e RSS com capacidade de 60 ton/dia, que opera continuamente há 5 anos;

Em Arthelyse, França, existe uma planta para o tratamento de 137 ton/dia de RSU. Outras três foram construídas no Japão, pela Hitachi Ltd;

Uma dezena de unidades foi construída pela Siemens e pela Mitsui (tecnologia R21). A primeira data de 1984 em Ulm, Alemanha, com capacidade de 5 ton/dia. As restantes têm capacidade entre 100 e 200 ton/dia e estão localizadas, principalmente, no Japão;

A seguir comentamos a tecnologia Techtrade, por ser uma tecnologia comprovada, com quase 30

anos de operação. Uma das primeiras unidades da Techtrade opera em Burgau, na Alemanha,

continuamente desde 1982, com capacidade para tratar 100 toneladas de resíduos ao dia, entre

os quais Resíduos Sólidos Domésticos, Resíduos de Comércio, Resíduos Volumosos e Lodo de

Esgoto.


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Em 2002 foi construída uma segunda usina com dois reatores em paralelo, com capacidade igual a

150 ton/dia de resíduos cada, na localidade de Hamm, próximo à cidade de Dortmund, na

Alemanha.

Algumas imagens e um diagrama do processo são mostrados nas figuras abaixo:


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O diagrama da usina mostra as seguintes etapas:

a) O resíduo é depositado em um fosso de recebimento; b) Uma ponte rolante com garra introduz os resíduos do fosso em um picador; c) O resíduo triturado é misturado com cal e inserido no tambor rotativo onde é

submetido a temperaturas de 600°C; d) Os resíduos sólidos do processo são separados e estocados, enquanto os gases passam

por um ciclone para remoção de particulados e então são oxidados em uma câmara de combustão a 1250°C;

e) A energia térmica dos gases de combustão é aproveitada em uma caldeira para a geração de energia elétrica através de uma turbina a vapor;

f) Para neutralizar os gases de combustão e remover contaminantes, este é tratado com amônia, bicarbonato de sódio e carvão ativado, filtrado em um filtro de mangas e depois em um catalisador antes de ser liberado na atmosfera.

Análise da Tecnologia: A planta de pirólise a tambor rotativo localizada em Burgau e

desenvolvida pela TechTrade GmbH é o maior exemplo de sucesso desse tipo de tecnologia.

Citamos algumas vantagens observadas:

O reator tem operação estável com uma ampla variedade de resíduos, entre eles materiais de difícil disposição final, triturados; colchões, sofás, e outros resíduos volumosos, lodo de estação de tratamento de esgoto (que normalmente são destinados para aterros), etc;

O processo de pirólise, em ausência de oxigênio, impede a formação de elementos perigosos. A temperatura a qual os compostos inertes/inorgânicos são submetidos é limitada a 600°C e portanto não ocorre a vaporização de metais pesados;


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Por ser um processo com tempo de residência longo, a variação do poder calorífico e da umidade dos resíduos não impacta significativamente nas condições de operação da caldeira, possibilitando uma operação estável no tempo;

A oxidação dos gases ocorre somente em um segundo estágio, possibilitando um maior controle do processo, resultando em um gás de combustão com menor concentração de contaminantes;

Os gases quentes gerados são utilizados para aquecer o reator externamente, tornando o processo auto-suficiente;

Seguindo o diagrama da usina, o processo desenvolvido pela TechTrade GmbH permite que o

aproveitamento energético seja dividido em duas fases:

1) Em um primeiro momento o material é transformado em um gás combustível (composto principalmente por CO, H2 e hidrocarbonetos leves) e vapores de hidrocarbonetos líquidos (usualmente chamado de alcatrão que, se mantido a alta temperatura (600°C) não se condensa);

2) Tanto os gases combustíveis quanto os vapores de hidrocarbonetos líquidos podem ser queimados em uma caldeira, produzindo calor, vapor e energia.

O resultado é a divisão do processo de combustão em dois ambientes diferentes. Em um

primeiro momento, no reator a tambor rotativo, temos a fase de pirólise e em uma segunda

câmara temos a combustão dos produtos da pirólise.

Através da divisão da combustão em dois processos é possível ter um controle maior das

condições de operação, mesmo com resíduos de tratamento extremamente complexos, e

também ter um desempenho ambiental superior ao processo de incineração.


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TECNOLOGIA MAIM/INNOVA

Embora a tecnologia MAIM/INNOVA tenha algumas características semelhantes às demais

tecnologias de pirólise (ausência de oxigênio, tempo de residência de até 1 hora em tambor

rotativo aquecido por fora), existem algumas características que a diferenciam das demais, o

que justifica uma análise específica. As principais diferenças desta tecnologia são:

Enquanto outras unidades de pirólise operam preferencialmente com resíduo mais seco (10-15% umidade), a tecnologia MAIM/INNOVA opera com um conteúdo mínimo de 30% de água. Isso ocorre porque a tecnologia MAIM/INNOVA, além das reações de pirólise, utilizam as reações de gás d’água, descritas a seguir;

Enquanto outras unidades fazem a combustão do gás de síntese diretamente em caldeira, a tecnologia MAIM/INNOVA limpa o gás e o envia a grupos geradores, resultando em maiores eficiências e menores emissões;

A tecnologia MAIM/INNOVA opera com temperaturas mais baixas que outras unidades de pirólise (450°C) e utilizam um catalizador para favorecer as reações de craqueamento térmico. Este catalisador pode ser, por exemplo, limalha de ferro, e corresponde a 0,03% em peso do material processado.

Essas características fazem com que a tecnologia MAIM/INNOVA seja considerada uma

evolução da tecnologia de pirólise.

Como citado anteriormente ela utiliza essencialmente dois processos termoquímicos

contemporaneamente.

A primeira reação envolvida é a pirólise, que permite a quebra de cadeias longas de

hidrocarbonetos (que se apresentam como sólidos) em hidrocarbonetos com cadeias menores

(que são líquidos ou gases). A segunda reação, que ocorre concomitantemente a primeira é o

processo de gás d’água, que utilizando vapor d’água como reagente transforma alcatrão e

carvão em hidrogênio e monóxido de carbono.

Para alimentar as reações de pirólise e de gás d’água é necessário cerca de 30% do gás de

síntese gerado. O processo, portanto, é auto-sustentável e os restantes 70% podem ser

utilizados em grupos geradores para gerar energia elétrica e térmica ou então diretamente em

sistemas térmicos para gerar calor (vapor, água quente, ar quente) ou frio (chiller).


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Ao sair do reator, a corrente gasosa pode arrastar consigo uma série de impurezas:

Particulados;

Óxidos de enxofre;

Ácido clorídrico e fluorídrico;

Outros tipos de inorgânicos como metais não são vaporizados devido à baixa temperatura no

reator. Também não há presença de dioxinas, furanos e Hidrocarbonetos Aromáticos

Policíclicos, já que estes não se formam quando não há oxigênio.

Enquanto as tecnologias de pirólise tradicionais buscam queimar o gás de síntese ainda com as

impurezas, diretamente em uma caldeira, para gerar energia térmica e/ou elétrica através de

turbina a vapor, a tecnologia de Transformação dos Resíduos Sólidos em Gás da Maim/Innova

o purifica através de um processo de lavagem, transformando-o em um gás de síntese limpo,

sem qualquer contaminante e que pode ser utilizado para a geração de energia elétrica e

térmica em grupos geradores a gás (cogeração) ou então diretamente em processos térmicos

para gerar calor (vapor, água quente, ar quente) ou frio (chiller).

Por fim, o gás de síntese limpo é constituído principalmente por elementos químicos

elementares e a sua composição pode ter pequenas variações, devido ao tipo de material ou

às condições no reator, no entanto, de modo geral, a composição não se afasta

substancialmente de 40% de hidrogênio, 20% de hidrocarbonetos leves (metano, etano e

propano), 18% de monóxido de carbono, e 15% de gases inertes como dióxido de carbono,

nitrogênio e oxigênio. Segue uma composição típica do gás de síntese gerado:

Elemento %Volume

H2 42.45%

CO 22.65%

CO2 8.45%

N2 6.83%

O2 1.36%

CH4 10.45%

C2H6 2.40%

C3H8 5.40%

C4H10 0.01%

A obtenção de um gás combustível limpo tem uma série de vantagens:

Do ponto de vista ambiental, o controle de pureza desse gás garante que a combustão de gases limpos irá produzir emissões limpas, ou seja, a combustão de hidrogênio, hidrocarbonetos e monóxido de carbono irá produzir somente dióxido de carbono e vapor d’água;

Também é garantido que nem a matéria inerte, nem os gases passam por nenhum processo oxidante (não há combustão/queima), e portanto não há produção de dioxinas, furanos, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, cinzas volantes, vapores de metais pesados, etc.;


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Quando o Gás de Síntese é utilizado em grupos geradores a gás se obtém uma eficiência superior à eficiência de um ciclo a vapor (caldeira e turbina a vapor), ou seja, enquanto os melhores incineradores atingem uma eficiência de 20%, o sistema de Transformação dos Resíduos Sólidos em Gás de Síntese e o seu uso em grupos geradores permite atingir eficiências elétricas globais de até 30%;

Ao transformar um combustível de péssima qualidade (lixo) em um Gás de Síntese limpo, o processo mantém cerca de 85% da energia contida no combustível original;

O Gás de Síntese limpo pode ser utilizado como substituto de outros combustíveis em indústrias para suprir as suas necessidades energéticas e reduzir os seus custos.

Uma unidade de demonstração, que ilustra as diversas fases do processo, pode ser observado

nas figuras abaixo:

Na figura abaixo podemos ver um gás cromatógrafo em linha que analisa a composição do

syngas continuamente, verificando a sua pureza. Através deste equipamento podemos

garantir que os resíduos foram transformados em um gás combustível de alta qualidade.


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A unidade necessita de um período de cerca de 1 hora para entrar em funcionamento. Durante

esse período a composição do syngas ainda não se estabilizou e a sua qualidade é verificada

por um teste de chama, como ilustrado na figura abaixo. Após se verificar a qualidade do

syngas ele é enviado para um reservatório e para um grupo gerador, que alimenta holofotes.

Na figura abaixo temos um diagrama com as diferentes possibilidades de operação:


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Considerações finais: A INNOVA Energias Renováveis após estudos e visitas técnicas a diversas

usinas na Europa, encontrou na Tecnologia MAIM o sistema que melhor se adapta ao cenário

Brasileiro, seja do ponto de vista social, econômico e ambiental.

Algumas vantagens da usina MAIM-INNOVA:

É capaz de tratar resíduos com baixo poder calorífico, inclusive solo contaminado com hidrocarbonetos, que é quase exclusivamente matéria inerte sem potencial energético (solo). Naturalmente o rendimento da usina é inferior nestes casos;

É capaz de remediar lixões, ao processar os resíduos que se encontram ali depositados;

Não concorre com a reciclagem, pelo contrário, a usina opera de modo a maximizar os recursos provenientes do lixo, sejam eles energéticos ou de material. Sendo assim, ela pode tratar seja lixo indiferenciado que a fração orgânica da coleta seletiva;

Pode operar em conjunto com uma unidade semi-manual de segregação de recicláveis, o que permite a integração dos catadores gerando trabalho e renda, que é previsto pela nova lei nacional de Resíduos Sólidos;

A limpeza do gás de síntese permite grandes vantagens: ganho de eficiência elétrica ao utilizar grupos geradores, modularidade, emissões sensivelmente inferiores às outras tecnologias, utilização do calor residual para processos térmicos, etc.;

É capaz de transformar um combustível de péssima qualidade (lixo) em um ótimo combustível (gás de síntese), mantendo 85% da energia original;

O processo é auto-sustentável, sendo que 30% do gás de síntese limpo é enviado para o sistema de aquecimento do reator e os restantes 70% são utilizados em grupos geradores para produzir energia elétrica;

A modularidade do processo permite facilmente a ampliação e a adequação às necessidades locais, sendo que cada módulo trata 47 ton/dia de lixo;


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Os gases de escape dos grupos geradores que seriam liberados na atmosfera a uma temperatura de 460°C podem ser reaproveitados para produzir energia térmica;

A tecnologia é robusta e não possui nenhum equipamento extremamente complexo com tecnologia de ponta, que viria a encarecer o processo. O mesmo não se pode dizer de outras tecnologias como a de plasma;

As temperaturas são limitadas (450°C), sendo assim não é exigido nenhum material resistente a altas temperaturas, o que encareceria o processo;

Quando o syngas é finalmente queimado no grupo gerador ou no sistema de aquecimento do reator não há mais cloro, e portanto, não há formação de dioxinas e furanos;

Existem tecnologias que estão utilizando o gás de síntese limpo para a síntese de combustívelxv (tecnologia Fischer-Tropsch) e outros produtos químicos, o que permite uma gama de possibilidades futuras;

Conclusões do Centro Nacional de Pesquisas da Itáliaxvii sobre a tecnologia de Pirólise:

Os sistemas de pirólise, ao garantir a ausência de ar, permitem alcançar eficiências termodinâmicas superiores e resultados de emissão melhores através da remoção de substâncias nocivas antes da fase de combustão;

Essa tecnologia é o único exemplo de processo (entre as os processos analisados) que é capaz de tratar o resíduo indiferenciado, sem qualquer pré-tratamento. Esta característica permite a redução da cadeia de gestão dos resíduos em um único processo e reduz ao mínimo a dependência de aterros para a disposição das cinzas, graças à possibilidade de vitrificação e da sua colocação como material agregado (as tecnologias de pirólise a tambor rotativo implantadas no Japão possuem sistema de vitrificação das cinzas);

Outro ponto positivo desta tecnologia é o fato que os combustíveis produzidos (gás de síntese) são sensivelmente mais ricos que os obtidos através de processos de gaseificação, visto que não utilizam nenhuma forma de oxidação. Estas características tornam o processo ainda mais versátil e adequado para o aproveitamento energético;

Os modernos sistemas de pirólise realizados com o objetivo de tratar RSU são capazes de garantir resultados globais muito interessantes e superiores a outras tecnologias de transformação. É esse o caso de muitas das unidades citadas, as quais foram desenvolvidas por empresas renomadas mundialmente, não porque essa tecnologia tenha convencido estas empresas, mas porque efetivamente parece ser a mais robusta em termos de flexibilidade em relação à composição dos resíduos e, considerando as despesas de tratamento, a que mais promete em termos de redução de custos totais de destinação;

É importante ressaltar o grande desenvolvimento numérico que esse tipo de tecnologia teve em um país como o Japão, um país atento aos aspectos de aceitação das unidades de destinação de resíduos pela população, principalmente tendo em consideração a altíssima densidade populacional e a situação geográfica do país. Essas limitações impuseram ao país escolhas que limitassem ao máximo as emissões de poluentes diretas e do transporte de resíduos, reduzissem o número de fases de tratamento dos resíduos e eliminassem o recurso aos aterros para a destinação das cinzas;

Uma unidade de pirólise pode ter pequena capacidade (até 100 ton/dia), o que corresponde ao quantitativo de resíduos gerados por 70.000 habitantes;


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O sistema pode ter dimensões reduzidas, podendo ser instalado em galpões relativamente pequenos no interior de áreas industriais (2000 m2 máximo);

O baixo impacto no território e no ambiente permite a aceitação da população local;

Por viabilizar unidades relativamente pequenas em que cada comunidade será responsável por tratar o que produz, o que proporcionará inevitavelmente à redução da produção de resíduos e a uma diferenciação mais eficaz;

No caso de grandes centros é possível utilizar unidades em paralelo em zonas industriais existentes;

Prazos de construção e instalação muito curtos, por se tratar de obras de calderaria, modulares, com montagem no local e obras civis e de implantação reduzidas (normalmente a parte mais cara e demorada de um incinerador);

A possibilidade de utilizar equipamentos pré-fabricados, em série e de diversos fornecedores, pode permitir uma posterior simplificação de todo o processo de construção e uma redução dos prazos em situações de emergência, com o objetivo de desenvolver várias unidades em um tempo breve e reduzir os custos;

Robustez econômica com rápido retorno do capital;

Pode ser utilizado também para o tratamento de alguns tipos de resíduos industriais;

Ótimo rendimento global de conversão dos resíduos em calor, com significativa produção de energia elétrica;

O sistema reduz a dependência de aterros sanitários;

A flexibilidade da tecnologia permite também a destinação de resíduos hospitalares, de reciclagem de automóveis, lodo de ETEs e biomassa em geral.


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3.3. GASEIFICAÇÃO

A gaseificação já foi descrita anteriormente como uma das partes do processo de incineração e

muitas unidades chamadas de gaseificadores na verdade não se diferenciam sensivelmente

dos incineradores.

A gaseificação é um processo intermediário entre a incineração e a pirólise. Isto significa que

ar/oxigênio é inserido no reator, mas a quantidade não é suficiente para permitir que o

combustível seja completamente oxidado.

Existem variações do processo que não utilizam ar como agente gaseificador, mas sim

oxigênio, vapor d’água ou gás carbônicoxvi. Abaixo será descrito um processo que utiliza ar em

um leito fluido (tecnologia nacional Termoquip) e outro que utiliza oxigênio em reator tubular

(Thermoselect).

Tecnologia Termoquip: A tecnologia de gaseificação mais difundida utiliza um reator vertical

tipo leito fluido composto por um material inerte (por exemplo areia). Nessa tipologia o

resíduo deve ser pré-selecionado e os materiais com baixo ponto de fusão devem ser

separados.

Embora a tecnologia seja razoavelmente comprovada para biomassas homogêneas como

madeira e resíduos agrícolas, as experiências com um material heterogêneo como o lixo

urbano não lograram sucesso e um problema comumente encontrado é a vitrificação ou a

sinterização das cinzas e a perda do leito fluido, por operar com temperaturas superiores a

900°C. Nas fotos abaixo é possível ver o leito vitrificado, com a formação de blocos, ao ser

utilizado lixo pré-tratado em um gaseificador da empresa Termoquip, de Campinas (SP).


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Tecnologia Thermoselect: Outra tecnologia de gaseificação é a utilizada pela empresa

Thermoselect, em unidades na Alemanha e no Japão. O processo é ilustrado na figura e na foto

abaixo:


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Algumas características desse processo são:

A utilização de oxigênio como agente gaseificador permite atingir temperaturas de até 2000°C e fundir as cinzas. Através desse processo é possível obter um material sólido totalmente inerte ao invés de cinzas, o que é uma vantagem da tecnologia;

O gás de síntese obtido, ao invés de ser queimado em caldeira, é resfriado de 1200°C para a temperatura ambiente e purificado em sistemas de lavagem. Esse processo permite a obtenção de um gás combustível limpo que é utilizado em grupos geradores a gás para produzir energia elétrica;

A limpeza dos gases garante emissões muito inferiores às observadas em unidades que utilizam caldeiras, pois a queima de um gás limpo resulta em emissões limpas;

Algumas desvantagens são:

A tecnologia necessita de uma unidade de separação do ar (nitrogênio-oxigênio) para a produção de oxigênio puro, o que corresponde a um consumo energético significativo e um aumento dos custos;

A temperatura alta exige materiais especiais que suportem essas condições, o que também aumenta os custos;

A temperatura alta causa a evaporação de metais pesados que se concentram posteriormente na água de lavagem;

A confiabilidade do processo é ainda hoje questionada nas unidades do Japão e da Alemanha, devido às dificuldades encontradas para atingir uma operação estável.


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3.4. PLASMA

Embora a tecnologia a plasma seja muito pouco comprovada no exterior, existem grandes

esforços em se comercializar esses produtos no Brasil, em especial duas tecnologias, a

AdaptiveARC que utiliza Plasma Frio e a Advanced Plasma Power que utiliza Plasma Térmico.

Nos processos até então descritos vimos que o resíduo, ao ser aquecido em ausência de

oxigênio (pirólise), se transforma em um gás combustível, composto por moléculas gasosas

(por exemplo hidrogênio molecular - H2). Se continuarmos a aquecer este gás as suas ligações

moleculares se quebram e a molécula se transforma em átomos (H+ + H+ + 2e-). Esses

elementos dissociados, com carga positiva (íons) ou negativa (elétrons), são o que chamamos

de plasma.

Já quanto à classificação de Plasma Frio ou Quente temos que enquanto no Plasma Quente os

elétrons estão sob a mesma temperatura que os íons (o arco de solda é um exemplo), no

Plasma Frio a temperatura dos elétrons é bem superior à temperatura dos íons e grande parte

dos átomos não estão ionizados (caso de lâmpadas fluorescentes).

Independentemente do Plasma ser Frio ou Quente, a função dele no processo de

transformação dos resíduos é a mesma: fornecer calor aos resíduos, de modo que as

moléculas se quebrem e sejam transformados em gás de síntese. Sendo assim, a diferença

fundamental entre os processos térmicos é o sistema de aquecimento:

A pirólise utiliza parte do calor gerado pela queima do gás de síntese para aquecer o reator;

A gaseificação utiliza uma combustão parcial dos resíduos para aquecer o restante do material;

A tecnologia de plasma utiliza o plasma, alimentado por uma corrente elétrica para aquecer o material;

Enquanto as tecnologias de gaseificação e de pirólise utilizam energia térmica para alimentar o

processo, a tecnologia de plasma utiliza energia elétrica, que é mais nobre que a energia

térmica (balanço exergético).

Dizemos que a energia elétrica é mais nobre porque há sempre uma perda na conversão da

energia térmica para energia elétrica, ou seja, apenas cerca de 1/3 da energia térmica é

convertida em energia elétrica. O resultado é um rendimento elétrico inferior, como podemos

ver na ilustração abaixo, que compara o desempenho da tecnologia MAIM-INNOVA com o

resultado da tecnologia Advanced Plasma Power:


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Tecnologia Advanced Plasma Powerxvii xviii: O sistema denominado Advanced Plasma Power

(APP) foi criado pela Tetronics Ltd e prevê um processo organizado em várias fases:

1. Inicialmente é necessário que o resíduo seja pré-tratado em sistemas mecânicos, onde se obtém 3 frações:

a. A fração com granulometria inferior a 15mm é enviada para aterro e é composta principalmente por sujeira, areia, vidro, pedras e biodegradáveis;

b. A fração entre 15 e 80mm, após a remoção de recicláveis, vidro, metais ferrosos, não ferrosos e plásticos densos é enviada para secagem;

c. A fração com granulometria superior a 80mm é processada para remover materiais recicláveis, o restante é enviado a um triturador e então é misturado com a fração intermediária para posterior secagem;

2. A secagem ocorre utilizando calor, em forma de vapor, recuperado do processo a plasma. O material deve ser secado a uma umidade de 10 a 14% para que seja admitido no processo sucessivo;

3. O resíduo pré-selecionado e seco é enviado para um gaseificador a leito fluido (ver seção gaseificador, tecnologia Termoquip) com tecnologia desenvolvida pela EPI (Energy Products of Idaho). O gás de síntese contém grande quantidade de alcatrão e outros resíduos. As cinzas do gaseificador são removidas pela base do reator e não são tratadas pelo sistema a plasma;

4. O gás de síntese é conduzido para um sistema a plasma, alimentado por eletrodos de grafite que ao expor o gás de síntese e os vapores de alcatrão a elevadas temperaturas e intensa luz ultravioleta causa o craqueamento dos elementos, gerando hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e água;

Reator MAIM-INNOVA

Aquecimento com

30% do gás de

síntese

1,7MWt

Gás de Síntese:

70% enviado para

Grupo Gerador

Grupo Gerador

1,1MW de Energia

Elétrica disponível para

venda

27,2 ton lixo

(30% H2O)

Gaseificação/Plasma APP

Consumo Tocha a

Plasma

0,47 MWe + Energia

da Gaseificação

Gás de Síntese:

100% enviado para

Grupo Gerador

0,74MW de Energia

Elétrica disponível para

venda

Grupo Gerador

21,6 ton lixo

(12% H2O)


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5. O gás é conduzido para um sistema de resfriamento dos gases, que ao resfriar os gases de 1200 para 200°C gera vapor a 10bar para aproveitamento térmico, nesse caso, para a secagem dos resíduos;

6. O gás passa então por um sistema de limpeza composto por um filtro cerâmico para a remoção de particulados e um sistema de limpeza com bicarbonato de sódio e carvão ativado para remoção de componentes ácidos;

7. Após o sistema de lavagem a seco, o gás passa por um sistema de resfriamento e um sistema úmido de lavagem que utiliza um bio-liquor para remoção de enxofre;

8. Por fim o gás limpo é utilizado em grupos geradores a gás.

Por utilizar um primeiro processo de gaseificação, é necessário considerar as observações já

realizadas na seção referente a esta tecnologia.

A análise realizada pelo CNR (Centro Nacional de Pesquisas da Itália) aponta as seguintes

observações sobre essa tecnologia:

A presença de um gaseificador a leito fluido anteriormente ao plasma, embora traga benefícios exige um pré-tratamento avançado dos resíduos;

Em comparação com outros sistemas que utilizam o plasma para tratar o resíduo diretamente, na tecnologia APP apenas o gás na saída do gaseificador e as impurezas contidas nele são processados por plasma enquanto as cinzas que saem da base do gaseificador não são submetidas ao plasma e, portanto, não são fundidas. Pela mesma razão o consumo energético do reator é inferior aos sistemas de plasma direto;

Uma unidade de 160 ton/dia de resíduos pré-tratados (10-14% umidade) produz cerca de 9MW. Destes 3,5MW (39%) são necessários para alimentar o plasma e outros 5,5MW para o pré-tratamento dos resíduos. Ou seja, se considerar o pré-tratamento dos resíduos a unidade é apenas autossuficiente sob um ponto de vista energético, não sendo capaz de exportar energia para a rede. Se o pré-tratamento não for considerado temos uma eficiência elétrica global de 18%;

Na data de realização do estudo da CNR havia apenas uma unidade piloto de pequenas dimensões;

Tecnologia AdaptiveARC: A tecnologia desenvolvida pela AdaptiveARC é denominada Plasma a

Frio, motivo pelo qual os construtores defendem que essa tecnologia é diferenciada das

demais tecnologias a plasma, por utilizar temperaturas mais baixas, etc...

Embora tenha sido difícil encontrar uma descrição técnica detalhada desta tecnologia e dados

sobre o desempenho da usina de referência localizada no México, os construtores fornecem as

seguintes informações:

Vida útil da tocha superior a 5 anos;

Operação a uma temperatura de 1.300°C em atmosfera sem oxigênio;

Utilização de plasma pulsante com radiação ultravioleta para gerar o gás de síntese;

Resfriamento e limpeza dos gases para utilização em grupos geradores;

Utilização dos gases de escape dos grupos geradores para fazer pré-secagem dos resíduos;

Por chamar o resíduo de cinza, acredita-se que as cinzas não se fundem no processo, diferentemente de outras tecnologias a plasma;

Para uma unidade de 40 toneladas de matéria seca temos:


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Grupo gerador diesel com capacidade de 2.000kW de energia elétrica (bruta);

Funcionamento de 22h/dia, 2 h/dia de parada;

Consumo de 150 kg/dia de cal;

Necessidade de 1 m3 (+/- 50%) de água por dia;

Abaixo segue um diagrama do processo:

Em comparação com a tecnologia APP, a produção de energia bruta é equivalente ou pouco

inferior. A diferença que a AdaptiveARC defende é que o consumo da tocha é sensivelmente

inferior, apenas entre 10 a 15% do total, enquanto a tecnologia APP tinha um consumo de

39%.

Esta diferença chama a atenção, pois ambas tecnologias trabalham com temperaturas

semelhantes, 1200°C na tecnologia APP e 1300°C na tecnologia AdaptiveARC.

Por não existir informações técnicas disponíveis no site da AdaptiveARC é difícil avaliar os

motivos desse desempenho, porém parece irreal aquecer a mesma quantidade de resíduos

com ¼ da energia da concorrente.

Lembrando do princípio de conservação de energia, existe uma certa energia necessária para

levar um resíduo da temperatura ambiente para 1300°C, e nesse processo não há como surgir

energia do nada, não há como “pegar um atalho”, por exemplo saltando de 700 para 1300°C,

não importa se estamos utilizando plasma, pirólise ou combustão para aquecer o resíduo.

Segundo estudo da Universidade de Iowaxix com diversos tipos de biomassa, são necessários

entre 0,8MJ (casca de aveia) e 1,6MJ (madeira de pinus) de energia para a pirólise de 1kg de

material a 500°C.


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Se o sistema AdaptiveARC não utiliza gaseificação em conjunto com a tocha a plasma para

aquecer os resíduos, são necessários, tomando os dados recém citados da pirólise da madeira

de pinus, pelo menos 0,37MWt para elevar os resíduos até 500°C:

Este valor corresponde a 18% dos 2MW produzidos, sem contar a energia necessária para

elevar a temperatura dos gases de 500 a 1.300°C e converter ainda vapores em gases.

É possível concluir com essa análise que os 39% de consumo da tocha de plasma, declarados

pela APP, são muito mais realistas que os 10 a 15% da AdaptiveARC.

Conclusões do Centro Nacional de Pesquisas da Itáliaxvii sobre a tecnologia de Plasma: As

observações finais do corpo técnico do Centro Nacional de Pesquisas da Itália sobre as

tecnologias a plasma analisadas foram:

As tecnologias de destinação de resíduos que utilizam o plasma são interessantes para o tratamento de substâncias específicas, caracterizadas como de elevada periculosidade, porém se mostram pouco praticáveis para o tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos, devido ao alto custo de gestão, aos consumos energéticos elevados e aos elevados custos de manutenção (altas temperaturas, consumo dos eletrodos de grafite, etc.)

Também devem ser verificados os riscos relativos à poluição por material particulado decorrentes das elevadas temperaturas de transformação.


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3.5. CARBONIZAÇÃO

Entre as usinas desenvolvidas no Brasil, existe uma unidade piloto de carbonização de resíduos

na cidade de Unaí, Minas Gerais. A tecnologia foi desenvolvida pelo Engenheiro Railton Lima e

tem capacidade para carbonizar cerca de 72 ton/dia de resíduos.

O sistema é bastante simples, de tipo batelada, em que cerca de 3 toneladas de resíduos são

carregados para dentro de um forno e aquecidos por um período de 1 hora. Para o

aquecimento do forno é utilizado carvão vegetal ou então 10% do carvão gerado no processo.

O processo é similar à carbonização utilizada para transformar madeira virgem em carvão

vegetal.

A tecnologia não produz energia elétrica, apenas transforma o resíduo em outro produto, para

o qual se espera ter uma colocação comercial. O objetivo seria utilizar o carvão em uma

termoelétrica dedicada para gerar energia elétrica em um ciclo a vapor ou então vender esse

produto para indústrias siderúrgicas.

Os gases e vapores obtidos quando o resíduo é aquecido são condensados, de modo a obter

água ácida, lignina, alcatrão e óleo vegetal.

Materiais como metais ferrosos e não ferrosos e vidros mantém suas características após o

forno e são separados para reciclagem. Já o pó de carvão é prensado para se produzir

briquetes.

Considerações Finais: Pode-se fazer algumas observações sobre a tecnologia:

É bastante rudimentar, com funcionamento tipo batelada, não contínuo, o que implica em uma série de desvantagens, principalmente quanto à alimentação dos resíduos;

Apesar de reduzir sensivelmente o peso e o volume dos resíduos, ainda se deve buscar uma destinação comercial para os seus produtos, que é questionável;

A qualidade dos produtos obtidos depende da qualidade dos resíduos utilizados, que não pode ser garantida, ou seja, os contaminantes presentes nos resíduos, como cloro, flúor e metais pesados continuarão presentes nos produtos, o que dificulta ou limita a sua comercialização;

O manuseio de pó de carvão tanto na saída do reator quanto na segregação de materiais reaproveitáveis gera quantidades visivelmente alarmantes de material particulado em suspensão no ar, que são extremamente danosos para a saúde humana;

Por fim, ele alonga a cadeia de reaproveitamento dos resíduos, já que o processo apenas transforma os resíduos em outros produtos que devem ser colocados no mercado ou enviados para destinação final.


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3.6. CO-PROCESSAMENTO

O co-processamento em fornos de clínquer consiste na utilização de resíduos industriais

perigosos (classe I) em fornos cilíndricos rotativos como substituto parcial de matéria-prima

e/ou de combustível no sistema forno de produção de clínquer, na fabricação de cimentoxx.

O uso de fornos de clínquer como opção para os resíduos industriais apresenta uma série de

vantagens, dentre as quais:

Baixo custo para a destruição dos resíduos;

Economia de combustível convencional no processo;

Conservação de fontes energéticas não renováveis (substituição de combustíveis fósseis);

Incorporação das cinzas geradas no processo de combustão dos resíduos ao clínquer, eliminando a necessidade de disposição destas cinzas quando geradas em processos de incineração convencionais.

Nem todos os tipos de resíduos podem ser utilizados num forno de clínquer, muitas vezes por

restrições ambientais (legislação) e também do próprio processo de fabricação de clínquer.

Para que um resíduo possa ser considerado um substituto de combustível, o mesmo deve

fornecer energia térmica ao processo quando de sua combustão e para ser considerado um

substituto de matéria prima o mesmo deve conter como componentes majoritários cálcio,

sílica, aluínio e ferro.

Para produzir clínquer o material no interior do forno precisa alcançar temperaturas da ordem

de 1400 a 1500°C e o aquecimento deste material requer uma temperatura de chama de até

2000°C. O tempo de residência dos gases no sistema forno com temperatura maior que

1100°C varia de 6 a 10 segundos. Portanto, os fornos de clínquer operam em condições que

garantem a destruição dos compostos orgânicos já que tais condições são essenciais para a

produção de clínquer.

Antes de ser encaminhado para co-processamento é necessário conhecer as características

químico-físicas do material, de modo a não exceder os limites de emissão, não comprometer a


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vida útil dos equipamentos e a qualidade do clínquer. Os resíduos são então utilizados para

preparar uma mistura (blending), sejam eles sólidos, pastosos ou líquidos.

Considerações Finais: Essa solução é bastante atrativa para a disposição final de resíduos

perigosos (classe I), que possuem certas características químico-físicas (baixo percentual de

halogênios, elevado poder calorífico, etc.), com um custo de disposição não excessivo (cerca

de R$450,00 por tonelada). No entanto, os resíduos devem passar por uma caracterização e

por uma preparação de uma mistura antes de serem processados.

O quantitativo de resíduos que podem ser absorvidos pela indústria cimenteira também é

limitado, não sendo viável a sua utilização para a destinação de resíduos urbanos comuns.


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ANEXO I

FORMAÇÃO DE DIOXINAS, FURANOS E HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS

Formação de Dioxinas e Furanos em Incineradoresxxi: Pesquisas têm mostrado que dioxinas e

furanos não ocorrem naturalmente, eles são frutos principalmente da era industrial, em

especial no século XX, formados como subproduto não intencional de vários processos

envolvendo o cloro ou substâncias e/ou materiais que o contenham, como a produção de

diversos produtos químicos, em especial os pesticidas, branqueamento de papel e celulose,

incineração de resíduos, incêndios, processos de combustão (incineração de resíduos de

serviços de saúde, incineração de lixo urbano, incineração de resíduos industriais, veículos

automotores) e outros.

A seqüência de reações de formação das dioxinas (PCDD) e dos furanos (PCDF) não é bem

entendida ou conhecida. Existem três teorias básicas que têm sido propostas para a ocorrência

desses compostos em incineradores de resíduos sólidos municipais:

a) Ocorrem como constituintes em pequeníssimas quantidades, traços, no próprio resíduo e uma parte passa através do incinerador, sem transformação;

b) São produzidos durante a incineração ou em caldeiras, através de precursores, como o PVC [cloreto de polivinila];

c) Síntese “de novo”.

Em incineradores que operam sob condições devidamente controladas, o principal mecanismo

de formação é o chamado síntese “de novo” através de reações elementares entre carbono,

hidrogênio, oxigênio e cloro. Tem sido observada a formação de dioxinas, furanos e compostos

relacionados com o benzeno e fenóis clorados no carbono residual coletado na saída do

sistema de combustão (região de temperatura entre 300 a 400ºC), quando na presença de

ácido clorídrico, oxigênio e água. Essas reações são catalisadas por vários metais, óxidos

metálicos e silicatos, presentes no material particulado arrastado.

Embora a preocupação com dioxinas e furanos tenha-se concentrado nas emissões gasosas, as

cinzas volantes, agindo como catalisadores, formam grande quantidade desses elementos

carcinogênicos que são em parte liberados para a corrente gasosa, mas principalmente,

concentrados em grande quantidade nas cinzas volantes e, portanto, devem ser providos de

sistemas de disposição final especiais.

Formação de Hidrocarbonetos Aromáticos Policíclicos (HAPs) em Incineradores: O processo de

combustão, seja de Resíduos Urbanos, Industriais, ou Agrícolas é considerado uma das maiores

fontes de emissão de HAPs para a atmosfera. As reações químico-físicas envolvidas na

formação de HAPs são extremamente complexas e muitas décadas de estudo científico foram

dedicadas a esse assunto.

De modo geral, HAPs são resultados de combustão incompleta e são normalmente produzidos

na fase de início da combustão ou durante processos de combustão instáveis.


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BIBLIOGRAFIA

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de Referência, 2011. iii Jornal o Estadão - http://www.estadao.com.br/noticias/vida,debate-sobre-lixo-discute-pros-e-

contras-do-plano-nacional-de-residuos-solidos,730205,0.htm iv George Tchobanoglous e Frank Kreith, Handbook of Solid Waste Management, 2

nd edition, 2002.

v Regione Autonoma della Sardegna - Assessorato della Difesa dell’Ambiente, Piano Regionale di

Gestione dei Rifiuti – Sezione Rifiuti Urbani, aprile 2008. vi Global Advanced Recycling Technology Company Limited, Soil Problems? Problem: Lack of Soil

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Processes, Policies and Markets – March 2005. x Lebenstech Ltda – Reciclagem Energética – Sistema de Incineração de Resíduos com Aproveitamento de

Energia. xi Austrian Federal Ministry of Agriculture, Forestry, Environment and Water Management, Waste to

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RAND et al – The World Bank, Municipal Solid Waste Incineration – A Decision Maker’s Guide. Washington, D.C. 2000. xiv

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innova - relatório de tecnologias de tratamento de resíduos sólidos

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