Sa fe t y a n d H e a lt h in En e r ge t ic Sy st e m w it h Biofu e l
Nabais, A.1 / Galvão, J. R.2,3 / Ascenso, R. M.4
Resum o
A polít ica ener gét ica eur opeia que incent iva o desenvolvim ent o de energias r enováveis, com o obj et ivo de m it igar as em issões de gases de efeit o de est ufa e dim inuir a dependência dos com bust íveis fósseis, t em cont r ibuído par a o increm ent o cont ínuo da pr odução e a ut ilização de vár ios t ipos de biom assa sólida, com o t r anspor t ador de ener gia, r esult ando num aum ent o das at ividades associadas a est e biocom bust ível. A biom assa é com post a por diver sos t ipos de biom at er iais, com diferent es com posições quím icas, t eores de hum idade e pr opr iedades físico- quím icas. A aut oignição e a possibilidade de explosão de poeir as são desafios que est a indúst r ia enfr ent a, dado que j á r esult ar am em per das de invest im ent o, incêndios, em lesões gr aves, infeções e int oxicações e at é t r ágica per da de vidas hum anas. Por est e m ot ivo a oper ação de equipam ent os, a arm azenagem do biocom bust ível, o pr oj et o das inst alações e a segur ança e saúde das pessoas deve ser avaliado. Do m esm o m odo, a exposição a m at er ial biologicam ent e at ivo ( bolor es e espor os) pode const it uir um per igo par a a saúde das pessoas envolvidas no m anuseam ent o de biom assa. Est as pr opr iedades e a sua ut ilização det er m inam condições de segur ança na sua m anipulação e ar m azenagem .
Palavr as- chave: Biom assa; Segur ança; Ener gia; Am bient e; Saúde.
Abst r act
The Eur opean ener gy policy w hich encour ages t he developm ent of r enew able ener gy, in or der t o m it igat e em issions of gr eenhouse gases and dependence on fossil fuels has cont r ibut ed t o t he cont inuous incr ease of t he product ion and use of var ious t ypes of solid biom ass, as an ener gy car rier , r esult ing in increased act ivit ies associat ed w it h t his biofuel. The biom ass is com posed of var ious kinds of biom at er ials, w it h different chem ical com posit ion, m oist ur e cont ent and physicochem ical pr oper t ies. The aut o- ignit ion and t he possibilit y of dust explosion ar e challenges facing t his indust ry, as alr eady r esult ed in invest m ent losses, fir es, ser ious inj ur ies, infect ions and poisoning and even t ragic loss of hum an lives. For t his r eason t he oper at ion of equipm ent , st or age of biofuels, t he design of t he facilit ies and t he safet y and healt h of people should be evaluat ed. Sim ilar ly, exposur e t o biologically act ive m at er ial ( m ust iness and spor es) m ay const it ut e a danger t o t he healt h of t hose involv ed in handling biom ass. These pr oper t ies and t heir use det erm ine safet y condit ions in handling and st or age. Keyw or ds: Biom ass; Safet y; Ener gy; Environm ent ; Healt h.
1. Enquadramento e Objetivos
A biomassa é cada vez mais utilizada como fonte geradora de energia. No entanto, as questões relacionadas com a saúde ocupacional e a segurança permanecem limitadas, apesar da existência do Programa Nacional de Saúde Ocupacional (2º Ciclo 2013-2017) e da Estratégia Nacional para a Segurança e Saúde no Trabalho (2015-2020), os riscos emergentes e o aparecimento de novos perigos resultantes da interação com recentes tecnologias tais como: as nanotecnologias e algumas áreas biotecnológicas são génese de novos perigos desconhecidos no local de trabalho (Oliveira, 2016). Por outro lado, a produção/fabricação desta bioenergia está bem regulamentada por normas europeias (EN) e internacionais (ISO), assim como a sua certificação pelo sistema ENplus com base na Norma EN 14961-2 para pellets de madeira. No entanto, uma exaustiva revisão à literatura disponível sobre saúde e segurança no trabalho (SST), com enfoque em sistemas a biomassa, não foi possível identificar normas nacionais ou internacionais exclusivas deste tema. Na generalidade, os artigos e estudos publicados com evidência na SST são de organizações internacionais ligadas ao ambiente e energias renováveis, ou de autores com estudos relativos a esta fonte
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Depar t am ent o Engenhar ia da Ener gia e Am bient e/ ESTG - I nst it ut o Polit écnico Leir ia adelino.nabais1@gm ail.com
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Depar t am ent o Engenhar ia Elet r ot écnica e Com put ador es/ ESTG - I nst it ut o Polit écnico Leir ia
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Unidade R&D I NESCC - I nst it ut o Engenhar ia e Sist em as de Com put ador es Coim bra j r galvao@ipleir ia.pt
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energética, sendo alguns referenciados neste texto. Este artigo pretende contribuir para a SST, suportado por uma tese realizada numa estufa agrícola localizada em Alpiarça tendo por título, “Análise Energética e Ambiental em Estufas Agrícolas” e que utiliza a energia de biomassa com diferentes composições e origens, numa central térmica para a climatização da infraestrutura.
2. Metodologia e Resultados
As várias ações desenvolvidas neste estudo são suportadas por análises à composição química da biomassa sólida utilizada como fonte de energia, para alimentar uma caldeira com uma potência de 2.000kW, aos gases de combustão e às emissões gasosas. A tipologia da biomassa usada é o pinho, raiz de oliveira e em alguns períodos pellets de bagaço de azeitona. A disposição dos equipamentos de conversão de energia e as fontes de biomassa seguem o esquema representado na Figura 1 (Carbon Trust, 2011).
Figura 1: Esquema representativo do sistema a biomassa
Os ensaios ao poder calorifico superior (PCS) e inferior (PCI), assim como à humidade contida nas várias tipologias de biomassa utilizada na infraestrutura estudada resultaram nos valores inscritos na Tabela (Nabais, 2015).
Tabela 1: Poder calorifico e humidade da biomassa utilizada Tipo de Biomassa Parâmetro Raiz de oliveira Madeira de pinho Pe lle t s bagaço de azeitona Método analítico Perda a 105ºC1 18% 29% 10% SWEWW 2540 B/ASTM D 95 PCS (MJ/kg) 16,75 17,17 18
PCI (MJ/kg) 16,33 16,33 16,80 ASTM D 240
Com base nos resultados da Tabela , e tendo como fonte energética a madeira de pinho avaliaram-se os gases resultantes da combustão desta biomassa. Como equipamento de medição utilizou-se o analisador Testo335. Os resultados médios obtidos nas várias medições e para vários parâmetros indicam-se na Tabela (Nabais, 2015).
Tabela 2: Resultados obtidos aos gases de combustão da caldeira Temperatura (º C) Gás Combustão Ambiente O2 (%) CO (ppm) CO2 (%) NOx (ppm) NO (ppm) η (%) Caldeira 204,08 16,9 9,73 21.250 10,18 76,24 72,53 76,7
Os resultados à combustão mostram uma temperatura dos gases na maioria das medições elevada, assim como o CO registou valores elevados considerando uma média de 21.250 ppm, devido ao elevado teor de humidade da biomassa ≥40% por estar armazenada à chuva, complementado pela insuficiente oxigenação da combustão, o que resulta numa queima incompleta. Os valores para o O2 são baixos em algumas medições cerca de 3% o que em certa medida está em concordância com as elevadas concentrações de CO.
A avaliação às emissões gasosas realizou-se em dia distinto da efetuada aos gases de combustão, por não se conseguir disponibilidade em simultâneo dos equipamentos de recolha de amostras. Para esta avaliação utilizou-se o equipamento da Horiba, modelo PG-250 SRM e
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Tem per at ur a par a cálculo da per cent agem de hum idade. Nest a av aliação a hum idade é r elat iv am ent e baix a, um a vez que a biom assa j á se encont r ava pr ot egida há vár ios dias.
Armazenagem de pellets Quadro de controlo Biomassa de madeira Troca de calor Caldeira Chaminé Transportador
baseou-se na seguinte legislação: (Dec. Lei nº 78/2004 de 3 de abril; Portaria nº 80/2006 de 23 de janeiro; Portaria nº 675/2009 de 23 de junho; Portaria 677/2009 de 23 de junho). As amostragens retidas para cada parâmetro tiveram como média os valores indicados na Tabela (Nabais, 2015).
Tabela 3: Resultados para as emissões gasosas Concentração Parâmetro (mg/Nm³) (mg/Nm³.11%O2) VLE (mg/Nm³.11%O2) CO 260 ± 5 194 ± 4 500 SO2 < 5,7 < 4,3 500 NOx 444 ± 27 332 ± 21 650 H2S < 1,90 < 1,42 5 PTS 188 ± 5 141 ± 4 150 COV 337 ± 4 251 ± 4 200
Os resultados à combustão da caldeira, assim como às emissões gasosas estão interligados, uma vez que um mau funcionamento da caldeira implica Valores Limites de Emissão (VLE) nas emissões desajustados. Dos resultados obtidos na avaliação às emissões gasosas, constata-se que na generalidade estes se encontram dentro dos VLEs definidos, com exceção do parâmetro relativo às partículas (PTS) que está muito próximo do VLE e o parâmetro composto orgânico volátil (COV) ultrapassa mesmo o VLE estipulado. No decorrer do trabalho constatou-se, que a biomassa de pellets de bagaço de azeitona desenvolvia combustão espontânea. Verificaram-se sinais de aquecimento no interior da biomassa e de emissão de vapor de água uma vez que o calor transporta a humidade para a superfície e que se torna visível através da emissão de fumo branco. Estes materiais são geralmente porosos e geradores de calor metabólico, devido a reações desenvolvidas por três processos distintos: reações de crescimento microbiológico; reações químicas exotérmicas (oxidação química) e de produção de calor por processos físicos (absorção de humidade). Estes processos espontâneos podem atuar isoladamente, ou em combinação, onde o processo dominante está dependente das condições ambientais que se verificam em cada momento (Koppejan et al., 2013).
Embora o processo de auto aquecimento seja um fenómeno bem reconhecido, o processo químico envolvido ainda não é bem compreendido, particularmente para a biomassa de pellets. Diferentes tipos de pellets têm comportamentos distintos quando se trata de auto aquecimento durante a fase de armazenagem. Esta questão é tão preocupante, que estão em curso alguns projetos para tratamento do auto aquecimento da biomassa, durante a fase da armazenagem, nomeadamente: Danish Research Project Luba-Large Scale e EU Project SafePellets (segurança e qualidade de medidas de garantia ao longo da cadeia de abastecimento de pellets) da União Europeia (IEA Bioenergy, 2013). Para se conhecer em pormenor este combustível, foi efetuada a recolha de pellets de bagaço de azeitona e enviados para o laboratório do Instituto Politécnico de Portalegre (IPP), onde foram analisados vários parâmetros pelos métodos/normas correspondentes conforme indicado na Tabela (Rodrigues, 2015).
Tabela 4: Análise à composição dos pellets de bagaço de azeitona
Parâmetros Resultados Método/Norma
Teor de Humidade 14,1% Secagem a 105 ºC Teor de humidade 7,6% Análise Termogravimétrica
Teor de Cinza 9,9% Calcinação do resíduo a 550 ºC Teor de Voláteis 60,9% Análise Termogravimétrica
PCS 17,9 (MJ/kg) base húmida Calorimetria PCI 16,3 (MJ/kg) Método de cálculo Teor de
metais1 Si 49,2% XRF (analisador de fluorescência de Raios X)
N 1,6% C 43,9% H 5,7% S n.d2 Analisador elementar Análise elementar
O Restante Método de cálculo
Por outro lado avaliou-se o potencial desta energia, para o desenvolvimento de combustão espontânea. Existem vários métodos para avaliar o potencial para o desenvolvimento de
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O t eor de m et ais apr esent ado r esult a de um a análise às cinzas 2
autoignição da biomassa. A maioria envolve métodos calorimétricos experimentais, a partir de parâmetros cinéticos como o calor de reação e a energia de ativação.
Os métodos mais frequentemente utilizados são: análise Termogravimétrica (TG) e a análise de Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC) (Montenegro et al., 2013). Optou-se por realizar o ensaio pelo método DSC, por disponibilidade de equipamento no laboratório do IPP onde se realizaram os ensaios. Os valores medidos foram introduzidos numa folha Excel tendo resultado na curva DSC, conforme Figura (Nabais, 2015; Rodrigues, 2015). Da curva resultante podem verificar-se as reações endotérmicas e exotérmicas para as diferentes temperaturas, assim como o fluxo de calor consequente.
Figura 2: Gráfico DSC para a biomassa de pellets de bagaço de azeitona
3. Autoignição e Explosão
Para que exista autoignição implica a presença em simultâneo de três elementos fundamentais: combustível, fonte de ignição e oxigénio. Este somatório de coincidências designa-se em termos técnicos de triângulo do fogo (Figura 3). A auto inflamabilidade baseada em processos bioquímicos está na realidade, entre as causas mais comuns da combustão espontânea. A essência da autoignição biológica consiste, num aumento gradual da temperatura devido à atividade microbiana que leva ao aquecimento influenciado pela humidade existente na biomassa. A explosão acontece quando cinco elementos básicos estão presentes em simultâneo (Figura 3): poeiras de combustível, oxigénio, fonte de ignição, dispersão de partículas e presença de nuvens de poeira (Koppejan, 2011).
Consequências fatais muito graves podem acontecer, quando estas cinco condições se conjugam. Se a dispersão de partículas de poeira e nuvem de pó estiverem presentes em conjunto com as três condições do triângulo do fogo, a explosão pode ocorrer com alguma probabilidade (Müllerová, 2014).
Figura 3:Triângulo do fogo e pentágono de explosão
4. Condições de Segurança da Biomassa e Operacionalidade
O contínuo desenvolvimento da utilização de energias renováveis e em particular da biomassa tem contribuído para a redução das emissões de gases de efeito de estufa (GEE), pelo que, o desenvolvimento desta industria tem tido um impacto ambiental positivo. No entanto, existem questões de segurança, que devem ser consideradas, quando se instala um sistema de aquecimento a biomassa. A operação dos equipamentos, a armazenagem do combustível, o projeto das instalações e a segurança e saúde das pessoas deve ser avaliado. O combustível biomassa tem um alto teor de voláteis cerca de 60,9% (Tabela 4), que são libertados durante
-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperaturas (°C) Fl u x o d e c a lo r (m W ) Poeiras de combustível
Triângulo do fogo
Fonte de ignição Poeiras de combustível Dispersão de partículas Presença de nuvem de poeiras OxigénioPentágono de explosão
Fonte de ignição Oxigénioo processo de combustão, dos quais se destacam: CO; CH4 e H2, este último, altamente explosivo.
Estes voláteis, normalmente queimam durante um processo normal, mas uma combustão descontrolada pode provocar uma explosão na caldeira. Isto pode suceder quando, a carga da caldeira é excessiva, a ignição é atrasada e a admissão acidental ou descontrolada de ar para a câmara de combustão. Este risco é potenciado, em caldeiras de grande porte (como é o caso de estudo), quando a caldeira trabalha em ciclo de carga reduzido (Carbon Trust, 2011). Quando se opta pela instalação de um sistema de biomassa deve fazer-se da SST uma prioridade. Estes sistemas diferem de forma significativa dos homólogos a combustíveis fósseis e estas diferenças, levantam diferentes questões, relacionadas com a SST quer na armazenagem quer no manuseamento. As condições de laboração do sistema anteriormente descrito na Figura 1 pressupõe que sejam tomadas medidas de segurança acrescidas, pelo facto de a armazenagem da biomassa, se localizar no mesmo espaço da caldeira. A operação da caldeira envolve o contacto direto dos trabalhadores com o armazenamento, o transporte de biomassa e carregamento da caldeira, com a exposição de pessoas a vários riscos incluindo os de explosão. Seguem-se alguns procedimentos considerados essenciais, para o cumprimento dos principais requisitos envolvidos em cada um dos processos:
• Transporte e Descarga: O acesso à armazenagem deve ser adequado para camiões cisterna; é importante considerar o raio de curvatura e o piso deve ser adequado; o silo de armazenagem dos pellets deve ser de fácil acesso, para o motorista fazer as ligações necessárias; acompanhamento visual antes, durante e depois da descarga; os pellets descarregados pneumaticamente, oferecem um potencial risco de explosão, por este facto, o raio de curvatura das mangueiras deve ser maior, para reduzir o atrito e as hipóteses de desintegração; evitar as descargas de eletricidade estática, pelo que, os equipamentos devem estar, convenientemente ligados à terra; respeitar a velocidade de descarga para a biomassa em causa; utilizar meios de abrandamento da queda dos pellets, como folhas de borracha para evitar a degradação destes e por conseguinte, reduzir as explosões devido ao pó libertado (Carbon Trust, 2011; UK Pellet Council, 2012);
• Armazenagem da Biomassa: Na generalidade os armazéns localizam-se em espaços confinados como é o caso de estudo, pelo que são, potencialmente perigosas, devido à sua ligação pelo sistema de alimentação à câmara de combustão, onde se produz CO2 e CO, com risco acrescido de explosão. Reduzir as concentrações destes gases, reduz o risco de autoignição; utilizar equipamentos de deteção e extinção de incêndio como sprinklers; não misturar diferentes qualidades de pellets; evitar diferenças no teor de humidade ≤10%; utilizar deteção de gases e monitorização de temperaturas; ventilação da área armazenada; criar rotinas para observação e controlo; seguir o princípio de armazenamento (primeiro a entrar-primeiro a sair); não armazenar a biomassa durante longos períodos; limpar o local da armazenagem antes de receber novo produto; fazer subdivisões na armazenagem para limitar a autoignição; instalar um sistema de ventilação para controlo da humidade e assim reduzir a atividade microbiana; o espaço destinado à armazenagem deve possuir resistência ao fogo no mínimo classe R120; a biomassa de pellets oito semanas após o fabrico produz concentrações de CO que é letal e explosivo, pelo que se aconselha a que as instalações elétricas no interior do armazém cumpram o regulamento ATEX (David Palmer et al., 2014; IEA Bioenergy, 2013);
• Operação de Caldeiras: Em geral, as caldeiras a biomassa já integram hoje em dia, significativos sistemas de segurança, o que lhes permite atuar em caso de necessidade. Não obstante é essencial que estas sejam equipadas com: - dispositivo contra o retrocesso de chama; - dispositivo de interrupção de funcionamento do sistema de combustão; - interruptor de fluxo e sistema de eliminação do calor residual (IDAE, 2009). Projetar a caldeira para a carga correta, adequar o carregamento em função do tipo de biomassa, não abrir as portas da caldeira quando esta se encontra em funcionamento dado que, pode ser criada uma mistura explosiva na câmara de combustão (Carbon Trust, 2011). Ter cuidado com a possibilidade de explosão de gás devido à má ignição do combustível com humidade ou chaminé bloqueada; devem ser evitadas queimas incompletas do combustível (Figura 4). Evitar a formação de CO, que pode ocorrer ao desligar a alimentação elétrica da caldeira, sem primeiro terminar a queima do combustível residual existente na câmara de combustão e garantir um bom arejamento da casa da caldeira (IDAE, 2009);
Figura 4: Emissões resultantes da queima de biomassa de madeira
• Riscos para a Saúde: Os efeitos para a saúde e segurança das pessoas resultam da preparação e utilização de combustíveis de biomassa, que derivam da natureza biológica desta e principalmente, em resultado da formação de poeiras e bioaerossóis. Monitorizar o compartimento da armazenagem e áreas adjacentes para o CO e O2 para evitar a entrada em ambientes perigosos; prevenir o desenvolvimento de microrganismos patogénicos durante a armazenagem reduzindo e controlando a humidade, através de adequada ventilação; reduzir o contacto com a biomassa e utilizar proteção respiratório nas situações de extrema necessidade de contacto na manipulação da biomassa sólida (David Palmer et al., 2014; IEA Bioenergy, 2013). Os bolores e fungos são os microrganismos mais frequentemente presentes na biomassa de madeira, estilha, briquetes e biomassa florestal residual, desde que estejam reunidas as condições mínimas de humidade ≥20% e temperatura ≥3ºC. O principal fungo que se desenvolve nestes meios é o Aspergillus que pode causar lesões graves ao nível do sistema respiratório e cardíaco (Müllerová, 2014).
5. Hierarquização dos Riscos
Os riscos anteriormente descritos para as diferentes operações que envolvem o sistema em análise foram quantificados, para avaliar a sua magnitude e em consequência, hierarquizar a sua prioridade de prevenção/intervenção. De entre as várias metodologias de avaliação existentes, optou-se pelo Método Quantitativo Simplificado (Freitas, 2008).
Por uma questão de espaço, decidiu-se avaliar apenas as principais tarefas e os perigos/riscos considerados de superior valorização (Tabela 5).
Tabela 5: Avaliação dos principais riscos e sua hierarquização
T a r e f a Perigo Risco ND NE NP NC NR
Material explosivo (pó de madeira) Explosão 1 1 1 60 60 Agente químico (pó de madeira) Inalação de poeiras 1 1 1 25 25 Fonte de ignição (eletricidade estática) Explosão/incêndio 1 1 1 60 60
T ran s p o r te e d e s c ar g a Altura (4m) Queda 1 1 1 25 25
Material explosivo (CO2, CO e pó de
madeira) Explosão 1 3 3 60 180
Material inflamável (autoignição da
biomassa) Incêndio 1 3 3 60 180
Agente químico (CO2, CO e pó de
madeira) Inalação de agentes perigosos 1 2 2 25 50
A rm az e n ag e m e m an ip u laç ão
Agentes biológicos Exposição a agentes
biológicos 1 2 2 25 50 Agente químico (CO2 e CO) Inalação de agentes perigosos 1 3 3 25 75 Material explosivo (CO2, CO e H2) Explosão 1 3 3 60 180 Carga térmica da caldeira Incêndio 1 3 3 60 180 Equipamento sob pressão Explosão 1 3 3 60 180
O p e raç ão d a c al d e ir a
Atmosfera de trabalho quente Exposição a temp.
extremas 1 3 3 10 30
A metodologia utilizada considera que o nível de probabilidade (NP) é função do nível de deficiência (ND) e do nível de exposição ao risco (NE), resultando na seguinte equação: