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ESTUDOS DAS ROTAS TECNOLÓGICAS PARA PRODUÇÃO DE BIOGÁS E DA INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE DEJETOS DE MATRIZES SUÍNAS NA QUALIDADE DO BIOGÁS GERADA POR BIODIGESTOR

JOHNSON PONTES DE MOURA

RESUMO

A disponibilidade de biomassa e a falta de gás natural ou diesel favorecem o aparecimento de alternativas tecnológicas sustentáveis para geração de energia elétrica. A indisponibilidade de gás faz com que grandes ativos de geração de energia termelétrica fiquem ociosos, podendo acarretar em aumento da indisponibilidade das usinas, pelo fato de partes dos equipamentos estarem parados.

A alternativa de pirolisar a biomassa, transformando o seu potencial em gás e posteriormente em combustível para uma usina termelétrica que não dispõe de outro combustível fóssil, torna-se uma alternativa atraente. A pirólise é uma reação de análise ou decomposição que ocorre pela ação de altas temperaturas. Ocorre uma ruptura da estrutura molecular original de um determinado composto pela ação do calor em um ambiente com pouco ou nenhum oxigênio. Este sistema é bastante utilizado pela indústria petroquímica e na fabricação de fibra de carbono.

Outra aplicação da pirólise se dá no tratamento do lixo. O processo é auto-sustentável sob o ponto de vista energético, pois, a decomposição química pelo calor na ausência de oxigênio, produz mais energia do que consome. O processo de pirólise produz biocombustíveis líquidos e gasosos como o Bio-Óleo e o gás de síntese.

A Biomassa é uma das maiores fontes de energia disponíveis nas áreas rurais e agroindustriais. A mesma aparece na forma de resíduos vegetais e animais, tais como restos colheita, esterco animal, plantações energéticas e efluentes agroindustriais. Estes resíduos podem ser utilizados pelo produtor rural ou agroindústria para a queima direta, visando produção de calor ou produção de biogás em biodigestores. Nas propriedades agrícolas, onde se desenvolve a atividade de suinocultura, ocorre à disponibilidade desses resíduos, caracterizando num grande potencial energético. A adoção de sistemas confinados de produção de suínos, juntamente com o emprego de tecnologia para aprimorar esses sistemas, tem levado a um aumento considerável do uso de água nessas instalações e, conseqüentemente, a produção cada vez maior de dejetos, os quais constituem o resíduo proveniente da atividade suinocultora. A utilização de processos anaeróbios para reduzir o poder poluente de resíduos líquidos vem se destacando, pois além de reduzir a poluição ambiental, recuperam o potencial energético do resíduo em forma de fertilizante e biogás.

Palavras-chave: Pirólise; Energia alternativa; Resíduos agrícolas; Biodigestores.

ESTADO DA ARTE: Estudos das rotas tecnológicas para Produção de Biogás

1. Energia Renovável: Gestão de Resíduos

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

1.1.        Produção de energia através de resíduos orgânicos

• Biomassa

A biomassa é, portanto, toda matéria viva presente em um lugar, um combustível fóssil de origem biológica, onde através dele, é possível produzir a chamada energia renovável. O termo biomassa cobre uma extensa categoria de materiais, incluindo:

- Madeira;

- Resíduos de vegetais;

- Resíduos de origem animal;

- Resíduos industriais;

- Resíduos sólidos urbanos.

Os estudos sobre biomassa revelam que, atualmente um sétimo da energia mundial está sendo obtida por esse processo, e venha a ter cada vez mais importância no contexto energético global. Através da sua transformação, pode-se produzir biocombustíveis líquidos ou gasosos por sua queima direta.

Vários estudos já foram realizados para produção de energia através da transformação da biomassa. A tabela abaixo mostra as principais tecnologias de conversão da biomassa em energia.

Os combustíveis gasosos podem ser produzidos a partir da madeira e de outros tipos de biomassa.

Métodos de produção de energia através da biomassa:

Segundo o fluxograma acima, é possível realizar 3 principais transformações de biomassa em energia, como: combustão, gaseificação e liquefação. Primeiramente, é necessário estudar a espécie de biomassa a ser utilizada e em seguida aplicá-la aos métodos existentes na literatura.

1.1.1. JUSTIFICATIVA E METODOLOGIA DO ESTUDO PROPOSTO

A grande necessidade de preservação dos recursos hídricos não só do Brasil, mas de todo o planeta tem gerado discussões sobre o problema há muito tempo, visto a ocorrência cada vez maior da contaminação das águas de córregos, rios e mares, como por exemplo, acidentes ecológicos com, a contaminação pela descarga de toneladas de resíduos de esgoto industrial e domiciliar, dentre outros. Todos são alerta mais do que eloqüentes do risco que a humanidade corre de, num futuro bem próximo, enfrentar uma escassez insolúvel de água potável.

Apesar de a indústria representar o setor poluidor mais ativo, não é a única vilã no processo. Além da atividade poluidora das grandes cidades, a área rural, também participa ativamente neste processo negativo, pois por estarem localizadas em regiões próximas a córregos, lagoas ou rios, as propriedades rurais sejam estas criadoras de animais e aves ou dedicadas somente à agricultura também contribuem para a contaminação dos lençóis freáticos, que são indispensáveis ao abastecimento de água potável das populações rural e urbana (Gaspar, 2003).

Algumas propriedades rurais criadoras de aves, bovinos, suínos e outros, utilizam parte dos dejetos desses animais para a adubação de plantações, porém esta adubação é feita pela mera aspersão do material orgânico sobre as plantas, ou por sepultamento na área a ser semeada posteriormente. Esses procedimentos apresentam grande potencial poluidor, uma vez que a aspersão a céu aberto atrai insetos, além disso, os detritos colocados dentro da terra são mais facilmente transportados para os lençóis freáticos pela ação da infiltração das chuvas. Alguns critérios devem se adotados para a sua utilização como fertilizante, evitando que sejam aplicados em excesso no solo e cause poluição, grande maioria das propriedades deposita seus resíduos no meio-ambiente como em rios, ribeirões, açudes ou no meio de matas.

Devido ao potencial altamente poluidor apresentado pelos dejetos de suínos foi realizada uma pesquisa bibliográfica e um estudo de caso sobre a viabilidade econômica a respeito dos biodigestores e sua contribuição para a redução da contaminação causada pelos dejetos suínos, além disso, foi realizado um estudo a cerca das rotas tecnológicas para produção de biogás.

• Produção de biogás

Definição:

Atribui-se o nome de biogás à mistura gasosa (combustível), resultante da fermentação anaeróbica da matéria orgânica. A proporção de cada gás na mistura depende de vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato a digerir. De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH₄) e por dióxido de carbono (CO₂), estando o seu poder calorífico diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa.

Os processos de fermentação anaeróbia que produzem metano foram desde sempre, utilizados pelo Homem para o tratamento dos esgotos, nos sistemas conhecidos por "fossas sépticas". Estas serviam tanto para tratar os esgotos domésticos de pequenas comunidades, quanto os resíduos da indústria agro-alimentar ou agro-pecuária. Com o passar dos tempos estes sistemas simplificados de tratamento evoluíram nos países desenvolvidos, quando começaram a ser utilizados os chamados "digestores", para efetuar a estabilização das lamas resultantes da sedimentação primária e do tratamento biológico aeróbio dos esgotos.

Neste momento, existem duas situações possíveis para o aproveitamento do biogás: O primeiro caso consiste na queima direta (aquecedores, esquentadores, fogões, caldeiras); O segundo caso diz respeito à conversão de biogás em eletricidade. Isto significa que o biogás permite a produção de energia elétrica e térmica. Assim, os sistemas que produzem o biogás, podem tornar a exploração pecuária auto-suficiente em termos energéticos, assim como contribuir para a resolução de problemas de poluição de efluentes. Os efluentes obtidos são normalmente tratados em sistemas de lagunagem, sendo depois utilizados em rega de terrenos agrícolas ou lançados em linhas de água. Nas restantes instalações, onde este tratamento não existe, o efluente é, em regra, utilizado diretamente na agricultura, ou lançado em linhas de água.

Atualmente existem vários estudos sobre produção de energia a partir de biogás, dos quais a grande maioria sobre o aproveitamento de lixo doméstico para geração de energia.

Processo de produção de biogás:

O biogás é produzido através da degradação da matéria orgânica por bactérias. A digestão anaeróbia é um processo segundo o qual, algumas espécies de bactérias, que atuam na ausência de oxigênio, atacam a estrutura de materiais orgânicos complexos para produzir compostos simples: metano, dióxido de carbono, água, etc, extraindo simultâneamente a energia e os compostos necessários para o seu próprio crescimento. A transformação da matéria orgânica em diversas substâncias químicas, no decurso da fermentação anaeróbica, processa-se através de uma cadeia de degradações sucessivas devidas a diferentes tipos de bactérias. Essencialmente, distinguem-se duas fases nos processos de fermentação metanogênica. A primeira fase é uma transformação das moléculas orgânicas em ácidos, sais ou gases e a segunda, é a transformação destes numa mistura gasosa essencialmente constituída por metano e dióxido de carbono.

A atividade enzimática das bactérias depende intimamente da temperatura, variando de espécie para espécie existindo sempre uma temperatura ótima. Ela é fraca a 10ºC e nula acima dos 65ºC. A faixa dos 20ºC a 45ºC, corresponde à fase mesófila, enquanto que entre os 50ºC e os 65ºC, temos a fase termófila. A opção por uma temperatura ótima de trabalho terá de resultar do compromisso entre o volume de gás a produzir, o grau de fermentação e o tempo de retenção. Na fase mesófila, as variações de temperatura são aceitáveis desde que não sejam bruscas. O mesmo não acontece com a fase termófila, onde as variações não são aconselháveis, todavia, ela permite cargas mais elevadas e um tempo de retenção menor, com maiores taxas de produção de gás.

Outro parâmetro que influencia a digestão anaeróbica é o pH do meio. Em meio ácido, a atividade enzimática das bactérias é anulada. Num meio alcalino, a fermentação produz anidrido sulfuroso e hidrogênio. A digestão pode efetuar-se entre os pH de 6,6 e 7,6 , encontrando-se o ótimo a pH=7. Para valores abaixo de 6,5 , a acidez aumenta rapidamente e a fermentação pára. Em relação à matéria a fermentar, há que levar em consideração a relação carbono/nitrogênio (C/N), que deve ter um valor compreendido entre 30 e 35. Acima deste valor, o processo é pouco eficaz, já que as bactérias não tem possibilidade de utilizar todo o carbono disponível. Para um valor baixo corre-se o perigo de aumentar a quantidade de amoníaco, que pode atingir os limites da toxicidade. Deve-se considerar também a presença de fósforo no meio de cultivo, já que a sua ausência, conduz à uma parada da fermentação.

A presença de matérias tóxicas, detergentes e outros produtos químicos, deve ser evitada

ao máximo, pois basta uma concentração muito baixa destes produtos, para provocar a intoxicação e morte das bactérias.

A figura 1 abaixo ilustra todos os estágios necessários para a formação do biogás.

FIGURA 1 – Processo de produção de biogás Fonte: PIPGE – IEE/USP

O biogás, apesar de ser constituído principalmente de metano, ele apresenta a seguinte composição:

·  Metano (CH₄) 50 a 75 %

·  Dióxido de Carbono (CO₂) 25 a 40 %

·  Hidrogênio (H₂) 1 a 3 %

·  Nitrogênio (N₂) 0.5 a 2.5 %

·  Oxigênio (O₂) 0.1 a 1 %

·  Sulfeto de Hidrogênio (H₂S) 0.1 a 0.5 %

·  Amoníaco (NH₃) 0.1 a 0.5 %

·  Monóxido de Carbono (CO) 0 a 0.1 %

·  Água (H₂O) Variável

1m³ de biogás produzido equivale a 5500 kcal e é equivalente a:

·  1,7 m³ de metano

·  1,5 m³ de gás de cidade

·  0,8 L de gasolina

·  1,3 L de álcool

·  2 kg de carbonato de cálcio

·  0,7 L de gasóleo

·  7 kw/h de eletricidade

·  2,7 kg de madeira

·  1,4 kg de carvão de madeira

·  0,2 m³ de butano

·  0,25 m³ de propano

Por estes valores é que faz o biogás atualmente uma fonte de pesquisas sobre fontes renováveis de energia.

1.1.1.2.  BIOMASSA E ENERGIA ELÉTRICA

Segundo Gaspar (2003) a denominação de biomassa se dá a quaisquer materiais passíveis de serem decompostos por causas biológicas, ou seja, pela ação de diferentes tipos de bactérias, matéria essa encontrada em abundância em todos os lugares do planeta. A biomassa decomposta sob a ação de bactérias metano gênicas (produtoras de metano) produz biogás em maior ou menor quantidade, em virtude de fatores como: temperatura, presença ou não de oxigênio, nível de umidade, quantidade de bactérias versus volume  e tipo de biomassa,  entre outros.

De acordo com Oliveira (1994) as observações dos técnicos das cooperativas e associações de criadores de animais e especialistas dos órgãos ligados ao ministério da Agricultura, concluíram que um animal qualquer produz, em média, em torno de 19 gramas de dejetos por cada quilo de peso do animal, durante um período de 24 horas. Com base nestes dados, é possível calcular multiplicando o peso do animal por 0.0019 a quantidade média de estrume produzida por cada animal no período de um dia.. A tabela 1 mostra a produção média diária de dejetos de um animal adulto.

Pesquisas mostram que os dejetos bovinos propiciam rápida proliferação das bactérias metanogênicas, sendo recomendado que a primeira carga nos biodigestores seja feita com esterco bovino.

Como pode ser visto na Tabela 2, os dejetos de suínos apresentam uma grande capacidade de produção de biogás, superior aos de aves, e muito próximo dos ovinos, perdendo apenas para bovinos e eqüinos, que são os que apresentam maior capacidade de produção de biogás. Uma das dificuldades principais na utilização do estrume de suínos é que seu processo de fermentação é mais lento que os dos demais.

Os dados presentes na tabela 2, mostra as diferentes produções de biogás de cada biomassa, bem como a concentração de metano. Nota-se, também, que os dejetos suínos é a biomassa com melhor rendimento, biogás/tonelada, cerca de 560m³ de biogás, e apresentando um ótimo nível de gás metano (50%). Apenas como comparação, convém notar que os dejetos de bovinos produzem apenas 270 m³ de biogás/tonelada, sendo o índice de presença de metano neste biogás de 55%, ou seja, apenas 5% a mais que o índice alcançado pelo estrume de suínos, isso prova a excelente produção de biogás a partir de dejetos suínos é o fator que melhor compensa a demora destes dejetos em produzir o biogás.

O principal componente do biogás é o metano representando cerca de 60 a 80% na composição do total de mistura. O metano é um gás incolor, altamente combustível, queimado com chama azul lilás, sem deixar fuligem e com um mínimo de poluição. Em função da porcentagem com que o metano participa na composição do biogás, o poder calorífico deste pode variar de 5.000 a 7.000 kcal por metro cúbico. Esse poder calorífico pode chegar a 12.000 kcal por metro cúbico uma vez eliminado todo o gás carbônico da mistura.

A quantidade percentual de água contida na biomassa utilizada nos biodigestores deve situar em 90% do peso total, essa percentagem é dependente do tipo de biomassa utilizada, a falta ou excesso dessa é prejudicial à produção de biogás, a  temperatura também é de grande influência para produção uma vez que os microorganismos metanogênicos são extremamente sensíveis a alterações bruscas de temperatura que deve situar em 20 a 45º.

 Segundo Seixas et al (1980) quando as especificações de qualidade de vida dos microrganismos são atendidas, o biogás obtido deve ser composto de uma mistura de gases, com cerca de 60 ou 65% do volume total consistindo em metano, enquanto os 35 ou 40% restantes consistirem, principalmente, em gás carbônico, e quantidades menores de outros gases. Contudo, a composição do biogás pode variar de acordo com o tipo e quantidade de biomassa empregada, os fatores climáticos e as dimensões do biodigestor, entre outros.

O componente principal a ser obtido na produção do biogás é o metano, ele apresenta características de ser um gás incolor, inodoro, altamente combustível. Sua combustão apresenta uma chama azul-lilás e, às vezes, com pequenas manchas vermelhas. Não produz fuligem e seu índice de poluição atmosférico é inferior ao do butano, presente no gás de cozinha.

A percentagem de metano confere ao biogás um alto poder calorífico, o qual varia de 5.000 a 7.000 kcal por metro cúbico, e que, submetido a um alto índice de purificação, pode gerar um índice de até 12.000 kcal por metro cúbico, podendo ser obtido através de filtragem do gás pelos chamados filtros úmidos que consiste na passagem do gás por filtros de água e outros como os de limalha de ferro.

Com a eminência de uma crise energética cada vez mais próxima e a privatização das companhias estatais do setor energético, tendo como conseqüência a retirada gradual de subsídios da energia elétrica para o setor agrícola, a geração de energia elétrica, nas propriedades, tendo como combustível o biogás, passa a ser uma alternativa viável. Os sistemas de produção de suínos geram grandes quantidades de dejetos que podem ser tratados convertendo matéria orgânica em biogás, que é uma fonte alternativa de energia, de fácil utilização, com a simultânea remoção e estabilização das cargas poluentes. Salienta-se, porém, que apesar das perspectivas favoráveis, a utilização de biodigestores em propriedades rurais não foi bem difundida, devido à falta de conhecimento e de informação tecnológica ao seu respeito (Oliveira, 2004).

Segundo Oliveira (2004), a geração de energia elétrica, com o uso de biogás como combustível, pode ser dividida nas seguintes tecnologias disponíveis no momento:

Conjunto Gerador de Eletricidade – Consiste em um motor de combustão interna ciclo Otto (álcool, gasolina ou diesel) adaptado para o uso do biogás como combustível, acoplado a um gerador de eletricidade, independente da rede de energia elétrica da concessionária local.

Conjunto Gerador Economizador de Eletricidade – Consiste em um motor de combustão interna ciclo Otto (álcool, gasolina ou diesel) adaptado para o uso do biogás como combustível, acoplado a um motor assíncrono, 2 ou 4 pólos, que passa a gerar energia ao ser conectado à rede de energia elétrica da concessionária local.

No primeiro caso, o conjunto é independente de rede de energia elétrica local, gerando energia dentro da propriedade com o sistema de distribuição interno isolado. No segundo caso, gerador economizador de eletricidade, o equipamento gera energia somente se estiver conectado à rede de distribuição da concessionária de energia somente se estiver conectado à rede de distribuição da concessionária de energia elétrica, deixando de funcionar se a mesma sofrer interrupção, ou manutenção nas redes elétricas externas. Neste caso a energia gerada é distribuída na propriedade e na rede externa até o transformador mais próximo (Oliveira, 2004).

Estudo desenvolvido por Oliveira (2004), avaliando o potencial de produção de energia elétrica tendo como fonte de energia o biogás, na região do meio oeste catarinense, concluiu que o consumo médio de energia nas propriedades é de (600 a 1.800KWh/mês). Tomando como base uma granja de produção de suínos com capacidade para produzir em média de 50m³ biogás/dia, então sua capacidade de gerar energia é de 2.700KVAh/mês, o que equivale aproximadamente 2.160 KWh/mês. Propriedades com esta capacidade de geração de biogás podem se tornar auto-suficientes em energia elétrica, adotando um sistema que seja capaz de gerar 25KVA/h de potência elétrica. O consumo de biogás observado gira entre 16 a 25 m³/hora no sistema/motor estacionário para a geração de energia elétrica, dependendo da potência elétrica gerada.

O rendimento da transformação da energia contida no biogás em energia elétrica gira em torno de 25%, contra 65% quando transformada em energia térmica.

Em síntese são grandes os benefícios atribuídos ao uso do biogás, tanto pela preservação dos recursos locais, como a retirada de lenha próxima à residência rural evitando problemas como erosão do solo, por ser um gás higiênico produz menos fumaça quando comparado ao gás de bujão, evitando assim resíduos de fuligem nas panelas e demais utensílios de cozinha. Podendo também agregar valores econômicos a propriedade suinocultoras.

• Gaseificação

A gaseificação de combustíveis sólidos é um processo bastante antigo, realizada com o objetivo de produzir um combustível gasoso com melhores características de transporte, melhor eficiência de combustão e também que possa ser utilizado como matéria-prima para outros processos. Basicamente, a gaseificação é a conversão da biomassa em um gás combustível, através de sua oxidação parcial a temperaturas elevadas. Este gás é conhecido como gás pobre ou “producer gas”. O conteúdo médio dos compostos combustíveis no gás resultante da biomassa é para o CO entre 15 e 30 %, para o H₂ entre 12 e 40% e para o CH₄ entre 4,5 e 9%. O poder calorífico do gás fica na faixa entre 4 e 13 MJ/m³. Os menores valores correspondem à gaseificação com ar e os maiores à gaseificação com adição de vapor de água ou oxigênio. A gaseificação, embora tecnologicamente mais complicada, apresenta algumas vantagens em comparação com a combustão direta; A geração de eletricidade em pequena escala pode ser realizada sem a necessidade de um ciclo de vapor, utilizando o gás da biomassa diretamente em um motor de combustão interna ou, em perspectiva, num motor Stirling, microturbina a gás ou célula combustível. Deve-se destacar que é possível obter eficiências comparáveis com as de centrais térmicas a carvão, fato este que constitui uma quebra de paradigmas.

Gaseificadores:

Os gaseificadores são os equipamentos onde se realiza a conversão da biomassa em gás e são classificados segundo os seguintes parâmetros:

a) Poder calorífico do gás produzido:

• Gás de baixo poder calorífico até 5 MJ/Nm³.

• Gás de médio poder calorífico de 5 a 10 MJ/Nm³.

• Gás de alto poder calorífico de 10 a 40 MJ/Nm³.

O poder calorífico do gás influi significativamente sobre a possível aplicação do mesmo, como indicado na Figura 3.

FIGURA 3 - Aplicações da gaseificação de biomassa em dependência do poder calorífico do gás Fonte: NEST/UNIFEI

b) Tipo de agente de gaseificação:

• Ar.

• Vapor de água.

• Oxigênio.

c) Pressão de trabalho:

• Baixa pressão (atmosférica).

• Pressurizados (até 3 MPa).

d) Direção do movimento relativo da biomassa e do agente de gaseificação (Figura 4):

• Leito em movimento a contrafluxo com o gás (contracorrente).

• Leito em movimento a fluxo direto com o gás (concorrente).

• Leito em movimento perpendicular ao fluxo de gás (fluxo cruzado).

• Leito fluidizado.

FIGURA 4 - Classificação dos gaseificadores atendendo à direção relativa de movimentação do gás e da biomassa: a) Gaseificadores de leito fixo, b) Gaseificadores de leito fluidizado. Fonte: NEST/UNIFEI

 Pirólise

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

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

 Bioóleo

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

O processo

O reator pirolítico possui três zonas específicas a saber:

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

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

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

Atualmente, o pesquisador Johnson Pontes de Moura enfatiza nos levantamentos bibliográficos para a redação de sua monografia do Curso de Especialização em Energias Renováveis com Ênfase em Biogás da Universidade Federal de Integração Latino-Americana- UNILA, que é factível estudar a viabilidade técnica de processos BIG-GT (“Biomass Gasification/Gas Turbine”)  em geração de potência termelétrica alimentados por lamas de bagaço de cana em glicerol. Este estudo constará dos seguintes objetivos principais:

1)      Levantar o potencial e disponibilidade de glicerol residual de processos de produção de biodiesel no Brasil.

2)      Levantar o panorama atual de excedente de bagaço de cana em usinas de açúcar e álcool no país.

3)      Levantar a disponibilidade e eficiências de sistemas comerciais de limpeza de gás advindos de gaseificador operando com biomassas a ser injetado em turbinas.

4)      Levantar (em literatura) de proporções mínimas de combinações entre glicerol com bagaço de cana factível de bombeamento em bombas comerciais para lamas.

5)      Desenvolver estudos visando a otimização do gaseificador operando com tecnologia de leito fluidizado borbulhante tento em vista maximizar a eficiência exergética do mesmo. Fixada uma potência de exemplo para o processo, o estudo ter como variáveis:

a)      Pressão de operação.

b)     Dimensões básicas do gaseificador, como diâmetro e altura.

c)      Razão de ar.

d)     Razão de vapor injetado.

e)     Estratégia de injeção de gases reagentes.

f)       Outras que se considerarem interessantes.

6)      Repetir o  estudo anterior para o caso de leito fluidizado circulante.

7)      Realizar a seleção  do processo de gaseificação de maior eficiência exergética.

8)    Otimizar o  processo de geração de potência global BIG-GT tendo em vista maximizar a eficiência exegética do mesmo.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

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

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

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

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

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

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

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

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

A discussão sobre a necessidade e conveniência de geração de potência elétrica utilizando biomassas já foi ultrapassada [1-8]. Sistemas BIG/GT (Biomass Gasification/Gas Turbine) têm sido estudados como alternativa a processos mais convencionais para utilização de biomassa visando a geração de potência termelétrica. Entre tais processos convencionais, o mais aplicado é baseado em caldeira consumindo biomassa pulverizada em ciclo Rankine. Entretanto, estudos [1-8] mostram que maiores eficiências podem ser logradas pelo emprego de turbinas a gás alimentadas de efluente de gaseificacão da biomassa.

            Por outro lado, a experiência mostra que os sistemas de alimentação de biomassas particuladas, tal como bagaço de cana, em reatores a alta pressão trazem grandes problemas que são resolvidos por meio de sistemas complexos de silos em cascata. Tais silos levam pulatinamente a biomassa de atmosfera ambiente à reinante no gaseificador. Para evitar pirólises ao longo da cascata, tais silos são mantidos sob atmosferas de nitrogênio. Cabe ainda notar que em casos de biomassas, como por exemplo, o bagaço de cana, as partículas apresentam grande tendência a se entrelaçarem devido a extremidades fibrosas. Tais estruturas formam “gaiolas” que impossibilitam a continuidade de escoamento descendente nos silos. Mecanismos de vibração e até mesmo de agitação por meio de pás no interior dos silos são empregados para evitar ou desfazer tais estruturas. Sistemas que combinam roscas operando sincronicamente entre silos, controles, mecanismos para evitar engaiolamento da biomassa nos silos mantidos em atmosferas de nitrogênio puro não são apenas muito complexos como também extremamente custosos. Tais fatores lançam grandes dúvidas sobre a viabilidade técnica e econômica de tais processos.

            Uma alternativa que evita tais problemas e simplifica sensivelmente os sistemas de alimentação é o de se utilizar lamas de biomassas que seriam bombeadas para o interior do reator. Tal alternativa já está sendo utilizada por fabricantes no Japão e Coréia do Sul em caldeiras consumindo carvão mineral e operando em leito fluidizado borbulhante a altíssimas pressões. Sistemas de grande porte (800 MW) geram vapor supercrítico em tubos imersos no leito fluidizado que alimenta turbinas a vapor enquanto o gás de escape da caldeira é injetado em turbinas à gás após apropriada limpeza.

            Por outro lado, tal alternativa de alimentação com lamas aquosas de biomassa não se prestam a gaseificadores, pois a energia necessária para levar a água do estado líquido a vapor consumiria praticamente toda a energia advinda da combustão parcial da biomassa alimentada.

            Dentro do panorama estratégico do Brasil para utilização de biocombustíveis, surge a possibilidade de empregar o glicerol como meio líquido em lamas de biomassa. O glicerol é resíduo da fabricação de biodiesel e muitas vezes descartado, o que constitui um sério problema ambiental e terrível desperdício de combustível. Diferentemente da água, o glicerol seria combinado com a biomassa para formar lamas, viabilizando técnica e economicamente processos BIG/GT.

Diante da pesquisa e análise dos resultados obtidos no que se refere à utilização dos biodigestores, pode-se concluir que:

 O biodigestor atende as exigências de tratamento dos dejetos suínos, reduzindo o potencial de impacto ambiental, como a poluição do solo, águas e ar da região.

A produção do biogás e do biofertilizante pelo sistema de biodigestão, agrega valor à propriedade rural suinocultora, de modo que se trata de uma fonte alternativa e renovável de energia com diversos tipos de utilizações e de um material orgânico de grande poder de fertilização, respectivamente, como pode ser visto no desenvolvimento do trabalho.

No estudo de caso realizado, evidenciaram-se exemplos da aplicação do biogás e do biofertilizante, assim como, o desenvolvimento de uma análise de viabilidade econômica, onde foi possível demonstrar que se usado adequadamente os produtos do biodigestor, muito provavelmente proporcionará grande benefício financeiro com retorno certo de investimento, podendo superar múltiplas vezes os melhores investimentos ou aplicações do mercado atual.

Assim sendo conclui-se que o biodigestor além de uma excelente ferramenta de tratamento de resíduos é de grande benefício econômico.

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Johnson Pontes de Moura é Engenheiro Químico, DOUTORANDO EM Engenharia Mecânica-UFPE; discente do Curso de Pós-graduação em Energias Renováveis com ênfase em biogás-UNILA.

Email: johnsonmoura@gmail.com

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