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POTENCIAL ENERGÉTICO DOS RESÍDUOS DE PODAS URBANAS E
REAPROVEITAMENTO POR MEIO DA PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS
Chapter · February 2020 CITATIONS 0 READS 26 2 authors: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Thermal conversion of Brazilian biomasses and study of pollutant emissions using a Drop Tube Furnace (DTF) View project ANÁLISE NUMÉRICA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM UMA JANELA DE VIDRO ENTRE DOIS AMBIENTES View project Julie Brenda Santos da Silva Universidade Federal do Maranhão 6 PUBLICATIONS 0 CITATIONS SEE PROFILE Glauber Cruz Universidade Federal do Maranhão 55 PUBLICATIONS 124 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Glauber Cruz on 01 February 2020. The user has requested enhancement of the downloaded file.
6.6 POTENCIAL ENERGÉTICO DOS RESÍDUOS DE PODAS
URBANAS E REAPROVEITAMENTO POR MEIO DA
PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS
SILVA, Julie Brenda Santos da Universidade Federal do Maranhão julie_brenda@hotmail.com CRUZ, Glauber Universidade Federal do Maranhão glaubercruz@gmail.com
RESUMO
Uma das alternativas encontradas pelos gestores de grandes cidades para promover a necessidade de contato com a natureza dos habitantes é a arborização urbana. Tal atividade gera uma quantidade considerável de resíduos sólidos orgânicos devido à atividade de poda realizada na manutenção e cuidado com as árvores. Esses resíduos muitas das vezes não são descartados de forma apropriada e corroboram para a poluição ambiental. Dentro deste contexto, uma alternativa amigavelmente sustentável é o aproveitamento desses resíduos em sistemas de conversão termoquímica com fins energéticos. Mas, para que o sistema de conversão termoquímica seja elaborado de forma eficaz, faz- se necessário a caracterização para avaliar o comportamento e possível potencial energético dos mesmos. O objetivo deste trabalho foi realizar uma caracterização físico-química dos resíduos de podas urbanas de diferentes árvores da Universidade Federal do Maranhão por meio de técnicas que incluem Microscopia Eletrônica de Varredura, Análise Elementar e Calorimétrica, Infravermelho por Transformada de Fourier, e quantificação de metais. Um dos principais resultados obtidos se referem ao valor do Poder Calorífico Superior, o qual variou de 18,65 a 20,86 MJ kg-1, mostrando o real potencial energético dos resíduos de podas urbanas como biocombustíveis. PALAVRAS-CHAVE: Biomassa, Conversão Termoquímica, Caracterização.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Demanda energética nacional Existe uma crescente demanda energética mundial, preocupando empresas e institutos de tecnologia e que estão cada vez mais investindo em tecnologias de produção de energia limpa (CABRAL NETO, 2015). De acordo com o Balanço Energético Nacional (BEN, 2018), a matriz energética brasileira está distribuída da seguinte forma: 65,2% hidráulicas, 10,5% gás natural, 8,2% biomassa, 6,8% eólica, 4,1% carvão e derivados, 2,5% derivados de petróleo, 2,5% nuclear e 0,13% solar. O Brasil possui majoritariamente na matriz energética fontes renováveis, o que ressalta a relevância do desenvolvimento de novos trabalhos científicos e pesquisas com essa temática (RODRIGUES, 2018). Apesar dos dados da matriz energética brasileira ser em grande maioria de fontes renováveis, cerca de 20% da nossa matriz energética não é renovável. De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE, 2019), os principais motivos de ainda se utilizar combustíveis fósseis, é devido essas fontes serem bem conhecidas, possuírem rendimento energético elevado e preço atrativo. Entretanto, a redução dessas fontes de energia é iminente, as reservas de petróleo e de gás natural diminuíram cerca de 21% de 2014 para 2017 (BEN, 2018). Isso corrobora para o desenvolvimento de estudos do potencial energético de diferentes fontes alternativas de geração de energia elétrica, pois assim obtém-se maior conhecimento sobre as fontes e estas podem competir igualmente com as fontes não renováveis no mercado, que têm uma forte tendência ser esgotadas em anos futuros (KAZAGIC; SMAJEVIC, 2007). Outro motivo para a substituição dos combustíveis fósseis por fontes renováveis de geração de energia, é o fato destes serem os principais responsáveis pela emissão de gases do efeito estufa, porque os mesmos liberam dióxido de carbono excessivo em nosso ecossistema resultando em aquecimento global, mudanças climáticas, redução da qualidade do ar causado por poluentes como SOx, NOx e materiais particulados (OTHMAN et al., 2017; WANG et al., 2017). Nesse cenário, pode-se prever a crescente contribuição da biomassa na matriz energética brasileira, pois a geração de energia proveniente da biomassa quase dobrou comparado ao ano de 2010, passando de 7. MW para 14.505 MW em 2017 (BEN, 2018). 2.2 Economia circular e biomassa O adensamento urbano é um dos responsáveis pela poluição ambiental devido o atual modo de gerenciamento dos resíduos sólidos urbanos, em que se faz a extração excessiva de matéria-prima e descarte inadequado dos resíduos sólidos urbanos, que são os principais causadores de degradação ambiental (CABRAL, 2013). O modelo de Economia Circular trata de uma proposta que substitui o modelo de Economia Linear, onde são extraídas as matérias-primas necessárias para a produção de bens de consumo, que geram resíduos e gasto energético, por um modelo onde essa matéria-prima obedece a um ciclo fechado em vez de serem descartados no fim da vida útil dos mesmos (SILVA et al, 2018). Assim essa metodologia baseia-se na regeneração de recursos e na minimização de resíduos, emissões, perdas de energia e custos, isso se torna possível por meio da produção de materiais duradouros e da manutenção, reutilização, remanufatura, remodelagem e reciclagem de produtos (SANTOS et al., 2018). Dentro da proposta de Economia Circular estão os processos de conversão termoquímica de biomassas, pois os mesmos transformam os resíduos orgânicos em material base para a produção de energia elétrica, calor e biocombustíveis, quando estes possuem uma quantidade considerável e não são viáveis no processo de compostagem (FERREIRA et al., 2015). Um estudo realizado por Gutierrez, Toneli e Pereira Neto (2018) mostrou que para o município de Santo André (SP), que possui cerca de 700 mil habitantes a capacidade energética
gerada pelos resíduos sólidos urbanos orgânicos foi de 580 kWh, equivalente a 20% do consumo de energia elétrica residencial do município. Além deste caso, existem outras alternativas que trouxeram resultados satisfatórios, como a geração de energia elétrica a partir da gaseificação de resíduos sólidos em condomínios (VITAL et al., 2018), geração de energia elétrica a partir de biogás em aterros sanitários (CARVALHO et al., 2018; NASCIMENTO et al., 2018). Estes casos mostraram além da eficácia da metodologia de Economia Circular, uma alternativa possível para a desmaterialização dos resíduos sólidos urbanos. 2.3 Conceito de biomassa e o uso na produção de energia O conceito mais conhecido e difundido de biomassa é a que se refere a qualquer material produzido biologicamente, mas a palavra biomassa é também utilizada para denominar todo recurso renovável advindo de matéria orgânica de origem vegetal ou animal utilizado como combustível ou na produção deste (CRUZ, 2015; BRAZ, 2014). Nas últimas décadas, a biomassa vegetal tem sido a fonte mais conhecida de biocombustíveis (RODIONOVA, 2016). Esta é constituída majoritariamente por três grupos de polímeros naturais: celulose (cerca de 50%, em base seca), hemicelulose (10-30% em madeiras e 20-40% em herbáceos, em base seca) e lignina (10-40%, em base seca), os outros componentes alifáticos estão presentes em menores quantidades, por exemplo, proteínas, ácidos, sais minerais, etc (SHARMA et al., 2015). Existem diferentes tipos de processos de conversão de biomassa em energia, dentre estes estão os processos termoquímicos, químicos, bioquímicos e biológicos. Dos processos citados o mais vantajoso e comumente empregado é o processo de conversão termoquímica, pois as tecnologias envolvidas nesta conversão são sustentáveis, altamente eficientes, causam baixo impacto ambiental e possuem maior aplicabilidade (GARCÍA et al., 2012). 2.4 Processos termoquímicos Os processos de conversão termoquímica para a produção do biocombustível final a partir das biomassas são realizados por meio de três tecnologias principais: pirólise, gaseificação e combustão (BRAZ, 2014). 2.5 Pirólise A pirólise é o processo de conversão termoquímica que envolve a degradação da matéria orgânica na ausência de oxigênio ou fluxo de oxigênio atmosférico (atmosfera inerte) e na presença/ausência de catalizador, e os subprodutos são gases, líquidos e resíduos sólidos ricos em energia química (KUMAR et al., 2016). Esse processo geralmente ocorre em três etapas: perda de umidade (evaporação), decomposição da estrutura formada por matéria orgânica (devolatilização) e reações secundárias (despolimerização e fracionamento do óleo) (KAN et al., 2016). O balanço de energia deste processo é endotérmico e, produz bio-óleo, calor, eletricidade e biocombustíveis, possuindo eficiência energética de 85-90% (VAN DE KAA et al., 2017). O processo de pirólise é classificado em outros diversos subtipos como: pirólise lenta, rápida, intermediária, instantânea, a vácuo, ablativa, etc (PATEL et al., 2016). O que difere esses subtipos são as condições do processo, tais como: o tamanho da partícula, a pressão, a temperatura e o tempo de permanência do material; os tipos de reatores usados: leito fixo, tubular, leito com fluxo borbulhante, leito com fluxo circular, pirolisador ablativo, cones rotativos, parafuso, ciclone, entre outros, e a quantidade percentual de cada produto da reação, ou seja, gás, líquido e sólido (PATEL et al., 2016). 2.6 Gaseificação O processo de gaseificação de uma biomassa consiste na conversão de um sólido ou líquido orgânico em um componente formado pela fase gás/vapor e sólida (VAN DE KAA et al., 2017). O gás formado é denominado gás de síntese (syngas), este possui elevado Poder Calorífico Superior, e pode ser usado na geração de energia ou produção de biocombustíveis. O gás de síntese produzido é composto pela mistura de monóxido de carbono, hidrogênio, metano, hidrocarbonetos leves (etano e
O Poder Calorífico é a razão entre as quantidades de energia liberada durante a oxidação completa de um combustível pela massa ou volume do mesmo (CRUZ, 2015), ou seja, representa a capacidade de produção efetiva de energia do material. O Poder Calorífico Superior (PCS) foi obtido por meio de uma bomba calorimétrica de marca IKA e modelo C-200, estabelecida pelos padrões ASTM E711 e NBR 8633 (CRUZ, 2015; RODRIGUES, 2018). Pela Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foi possível observar a estrutura morfológica e a textura dos resíduos de podas urbanas por meio de imagens de diferentes amplitudes. Essas imagens foram obtidas em um Scanning Electronic Microscope, marca Leo Electron Microscopy e modelo LEO440. Por meio do Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) foi possível identificar os principais grupos funcionais presentes nas amostras, essa verificação é feita com base nas frequências vibracionais das moléculas ou átomos das amostras. Utilizou-se um espectofotômetro da marca Shimadzu Fourier Transform, programado em modo de transmitância.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os micrográficos de MEV das amostras dos resíduos de podas urbanas são mostrados na Figura 1 (a-f). As amostras apresentaram estruturas fragmentadas principalmente devido ao processo de moagem. As folhas (Figura 1b e 1e) apresentaram uma estrutura regular e textura ordenada, enquanto que o caule (Figura 1a e 1d) e a mistura folha mais caule (Figura 1c e 1f) apresentaram maiores níveis de desordem e irregularidades. A apliação das imagens permitiu observar que as folhas (Figura 1e) apresentaram uma estrutura curvilínea e entrelaçada, semelhante a um espiral. Essa estrutura também aparece nos micrográficos da mistura folha mais caule (Figura 1f), entretanto, em menor quantidade, nas imagens do caule esse tipo de estrutura não foi encontrada. Figura 1. Micrográficos de MEV das amostras de resíduos de podas urbanas in natura: (a) caule, (b) folhas e (c) folhas + caule ampliação de 300 vezes; (d) caule, (e) folhas e (f) folhas + caule ampliação de 1200, 3000 e 600 vezes, respectivamente. Os resultados foram semelhantes aos obtidos por Rodrigues (2018), que ao comparar micrográficos de MEV de folhas e caules, observou que o caule apresentou uma estrutura na mesma direção e sentido linear (isotropia), enquanto que as folhas apresentaram estruturas porosas e retorcidas (padrão reticulado). De acordo com Wang et al. (2017), a hemicelulose da parede celular de uma biomassa lignocelulósica exibe estrutura ramificada , que se liga a celulose e lignina. Por análise de semelhança, a estrutura observada na Figura 1e que está
entrelaçada a uma estrutura mais regular pode ser interpretada também como hemicelulose, que tem um papel importante nos produtos finais do processo de pirólise e/ou combustão. Os teores de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre, obtidos pela Análise Elementar (AE) são apresentados na (Tabela 1), bem como o Poder Calorífico Superior e o Poder Calorífico Inferior, fornecido por meio da análise calorimétrica. Tabela 1. Análise Elementar e Calorimétrica. Elementos Caule Folhas Folhas mais Caule Carbono (%) 43,99±1,75^ 47,28±1,47^ 46,94±1, Hidrogênio (%) 5,20±0,38 5,83±0,21 5,80±0, Oxigênio* (%) 49,80±0,00 44,94±0,00 45,78±0, Nitrogênio (%) 0,98±0,04^ 1,89±0,07^ 1,48±0, Enxofre (%) 0,03±0,05 0,06±0,06 0,00±0, Análise Calorimétrica PCS (MJ kg-1) 18,65±0,01^ 20,86±0,02^ 19,69±0, *Calculado por diferença em 100% As folhas apresentaram um teor de carbono 7,5% superior quando comparadas ao caule, e também um valor de PCS maior em 11,8%. Este resultado concorda com os resultados obtidos por Rodrigues (2018), que apresentou maiores valores de PCS para maiores teores de carbono. As folhas de podas urbanas comparadas aos resíduos das folhas da árvore de abacaxi, apresentaram teores de carbono semelhantes. Entretanto, o valor de PCS foi cerca de 10% superior, isso mostra como os resíduos sólidos urbanos podem ter um potencial energético comparável/compatível aos resíduos agrícolas (GARCÍA et al., 2015). As folhas apresentaram um teor de carbono 7,5% superior quando comparadas ao caule, e também um valor de PCS maior em 11,8%. Este resultado concorda com os resultados obtidos por Rodrigues (2018), que apresentou maiores valores de PCS para maiores teores de carbono. As folhas de podas urbanas comparadas aos resíduos das folhas da árvore de abacaxi, apresentaram teores de carbono semelhantes. Entretanto, o valor de PCS foi cerca de 10% superior, isso mostra como os resíduos sólidos urbanos podem ter um potencial energético comparável/compatível aos resíduos agrícolas (GARCÍA et al., 2015). A mistura de folhas mais caule, comparadas às podas de árvores de azeitona, apresentaram teor de carbono em torno de 9% inferior, e PCS em torno 2% inferior, o que mostra que são resíduos semelhantes e de potenciais energéticos similares (RONDA et al., 2016). Os valores minoritários encontrados na composição das biomassas foram para os teores de nitrogênio e enxofre, em média 1,45 e 0,03%, respectivamente. Esses componentes são responsáveis por impulsionar a formação de gases poluentes atmosféricos, ou seja, NOx e SOx (WANG et al., 2017). Os valores encontrados para este estudo foram inferiores aos listados por Rodrigues (2018), significando que estes resíduos demonstraram capacidade de gerar menos poluentes, ou são quase insignificantes quando comparados com outros autores. Os teores de enxofre para as folhas e caule variaram de 0,19 a 0,77% e 0,16 a 0,97%, respectivamente. Os teores de nitrogênio para folhas e para caule variaram de 1,03 a 3,04% e 0,33 a 2,87%, respectivamente (GARCÍA et al, 2012). Os conteúdos de oxigênio foram superiores em 47% aos encontrados por Rodrigues (2018), e cerca de 10% maiores aos resultados encontrados por González et al. (2009). Entretanto, a quantidade de oxigênio presente nas amostras não afetou o PCS, que revelou valores superiores aos encontrados por García et al. (2012), cujo valores para podas exibiram valores entre 12,88 e 17, MJ kg-1, e próximos ao valor de PCS encontrado González et al. (2009) para as podas de amendoeiras de 19,41 MJ kg-1. Os resultados para a análise de Infravermelho por Transformada de Fourier dos resíduos de podas urbanas são mostrados na (Figura 2). A partir destes resultados foi possível identificar os principais grupos funcionais presentes nos resíduos de podas urbanas. Os
folhas foram 37% superior ao caule. A mistura de folhas mais caule apresentaram um teor de K de 7957 mg kg-1^ e superiores em 68% dos valores encontrados por Parascanu et al. (2017) para Opuntia. Figura 3. Composição de elementos inorgânicos e metálicos das amostras dos resíduos de podas urbanas in natura (mg kg-1). Os teores de Fe, Si e Al das biomassas estão abaixo das médias encontradas para resíduos de madeira usados em centros de reciclagem, enquanto que os elementos Mg e P estão acima dos valores encontrados, e o valor mais próximo foi para o elemento Na, que possui teor cerca de 24% inferior ao encontrado para as folhas (HURON, 2017). O motivo dos resíduos de podas urbanas apresentarem uma composição diferente aos resíduos agrícolas pode estar relacionado ao solo em que estes vegetais são cultivados e o fluxo específico de nutrientes (NUNES et al., 2016). A quantidade de metais e compostos inorgânicos presentes na biomassa refletiu diretamente na composição química das cinzas, que apesar de trazerem desvantagens na construção de sistemas de conversão termoquímica por causarem danos como corrosão, deposição e incrustação de resíduos no reator térmicos, problemas na transferência de calor, manutenção, etc. As cinzas podem ter como vantagem a possibilidade de uso como fertilizante agrícola e estabilizador de pH do solo, devido a uma composição rica em alguns nutrientes como K, Na, Zn, Ca, Mg, Fe, etc. Estas também podem ser usadas como material complementar na produção de materiais da construção civil (aditivo em cimento), na limpeza de gases de combustão (como adsorvente para SOx, NOx, mercúrio e metais pesados), síntese de zeolite, produção de cerâmica, etc (NUNES et al, 2016; NIU et al, 2015).
5. CONCLUSÕES
Este estudo investigou as principais características físico-químicas e térmicas de resíduos de podas urbanas com o propósito destes serem usados em sistemas de conversão termoquímica (combustão e pirólise). A separação das folhas e caule dos resíduos urbanos permitiu identificar a influência de cada parte nas propriedades da biomassa como um todo, e também foi possível observar que estes elementos apresentaram características distintas. As folhas apresentaram maior PCS comparado ao caule, mostrando uma maior influência na capacidade energética gerada pelos resíduos. Os valores encontrados neste estudo foram superiores aos demonstrados na literatura, o que mostrou um forte potencial energético desta biomassa. Os resultados dos micrográficos de MEV revelaram que a estrutura morfológica e textural das folhas foram distintas do caule, e esta apresentou uma maior semelhança a parede celular de uma biomassa lignocelulósica.
Os espectrômetros de FTIR permitiram identificar os principais grupos funcionais presentes nos resíduos de podas urbanas. Esses grupos funcionais demonstraram um reflexo na formação do biocombustível e nos produtos de reação, resultantes dos diferentes processos de conversão termoquímica (combustão, pirólise e gaseificação). A quantificação de elementos inorgânicos e metais mostrou que os resíduos de podas urbanas exibiram uma pequena concentração desses comparados aos resultados obtidos por outros autores. Este resultado foi fundamental, pois é capaz de prever a composição das cinzas resultantes do processo de conversão termoquímica. Os elementos identificados são responsáveis por dificultar o projeto de reatores e sistemas de geração de energia, podendo causar danos aos equipamentos e, elevando o custo na produção destes. Entretanto, estes mesmos compostos metálicos podem ser reaproveitados em outras atividades como: fertilizantes de solo, aditivos em materiais de construção, produção de cerâmica, etc. Por meio das diferentes análises realizadas pode-se afirmar que os resíduos de podas urbanas apresentaram um considerável potencial energético, o que os tornam um importante biocombustível na produção de energia limpa. E o processo de conversão termoquímica é uma técnica eficaz na desmaterialização de resíduos sólidos urbanos e se encontra dentro dos princípios estudados pela Economia Circular.
REFERÊNCIAS
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