UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
Giullia Birollo Alberton
Potencial de geração de energia renovável através do aproveitamento de resíduos sólidos e efluentes líquidos de arrozeiras no estado de Santa Catarina: metano e gás de síntese
Florianópolis 2019
Giullia Birollo Alberton
Potencial de geração de energia renovável através do aproveitamento de resíduos sólidos e efluentes líquidos de arrozeiras no estado de Santa Catarina: metano e gás de síntese
Trabalho Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental do Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Sanitária e Ambiental
Orientador: Prof. Willian Cézar Nadaleti, Dr..
Coorientador:Prof. Rodrigo de Almeida Mohedano, Dr.
Florianópolis 2019
AGRADECIMENTOS
Dedico este trabalho primeiramente aos meus pais, Rosana e Júlio César, por todo o apoio, carinho e compreensão durante minha trajetória. Ao meu pai, que sempre pude contar para muito mais do que me ajudar a resolver problemas de cálculo, minha eterna gratidão por suas orientações, incentivo e por não medir esforços para sempre proporcionar tudo o que estivesse ao seu alcance para a minha felicidade. A minha mãe, meu imenso agradecimento por todo amor e cuidado, mas também por ser minha maior inspiração de força e coragem para correr atrás dos meus sonhos.
Também não posso deixar de agradecer aos amigos que estiveram comigo durante esses anos, dentro e fora de sala de aula. Com certeza eles não seriam tão especiais sem vocês do meu lado. Muito obrigada por todo o apoio, companhia e principalmente pelas risadas, mesmo nos momentos mais desesperadores.
Sou grata a todos os professores que contribuíram com a minha trajetória acadêmica, compartilhando seus conhecimentos, especialmente ao meu orientador Willian Nadaleti.
Por fim, não poderia faltar um agradecimento especial a Universidade Federal de Santa Catarina. Do primeiro ano do ensino fundamental a graduação a UFSC foi minha casa, onde mais que uma profissão, cresci e me formei como pessoa. Estarei sempre em dívida e em defesa do ensino público, gratuito e de qualidade que a universidade oferece.
“Ninguém ignora tudo. Ninguém sabe tudo. Todos nós sabemos alguma coisa. Todos nós ignoramos alguma coisa. Por isso aprendemos sempre.” (FREIRE, 1989)
RESUMO
O arroz é um dos principais alimentos da culinária brasileira e além da importância cultural e nutritiva, apresenta grande relevância econômica, principalmente para o sul do Brasil onde estão os dois maiores produtores nacionais do grão. Santa Catarina fica em segundo lugar na produção, atrás somente do Rio Grande do Sul, com 1.091 mil toneladas de arroz na safra de 18/19. Além da produção do grão, o estado se destaca no setor de beneficiamento com cerca de 66 indústrias instaladas. Como toda atividade industrial, o processo de beneficiamento também está relacionado com o consumo de recursos naturais, com alta demanda energética e geração de subprodutos. Nestas indústrias há uma elevada geração de cascas de arroz, resíduo que em sua decomposição emite metano, gás relacionado com o efeito estufa. Outro passivo ambiental é a produção de efluentes pelo processo de parboilização que é a principal técnica de beneficiamento realizada no estado e gera, além dos grandes volumes, efluentes com altas cargas orgânicas. A necessidade de diminuir os impactos ambientais negativos das industrias se torna cada vez mais urgente devido a grande pressão exercida por suas atividades no meio ambiente sendo necessário, portanto, a proposição de soluções economicamente viáveis e ambientalmente adequadas. Desta forma, o objetivo deste estudo foi determinar o potencial de geração de energia proveniente do aproveitamento dos resíduos sólidos e efluentes líquidos das industrias de beneficiamento do estado de Santa Catarina. Para tal realizou-se uma análise do potencial de geração do metano produzido com o tratamento de efluentes com reatores de fluxo ascendente com manta de lodo, do inglês Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors (UASB). No caso da casca de arroz o seu aproveitamento energético foi realizado considerando a processo de gaseificação obtendo como produto o gás de síntese. Para a quantificação do potencial de geração de energia térmica e elétrica foi considerada a queima controlada de gás de síntese e do metano em motores de cogeração de energia e calor (CHP). Os resultados demonstraram que a energia produzida é de grande relevância podendo suprir as demandas energéticas dos principais processos das indústrias e ainda gerar remanescentes com capacidade calculada de1,7E+08 kWh.ano-1 para energia elétrica e 5,4E+08 kWh.ano-1 de energia térmica. Palavras-chave: industrias de arroz, potencial energético, energias renováveis, biomassa, casca de arroz, biogás.
ABSTRACT
It is considered that rice is one of the most relevant staple food of Brazilians diet and in addition to the cultural and nutritional importance, it has great economic relevance, especially for southern Brazil, where are located the two largest states producers of the grain. Santa Catarina is Brazil’s second-largest producer, only behind of Rio Grande do Sul, with 1,091 thousand tons of rice produced in the 18/19 harvest. Additionally, to grain production, the industrial sector has also great significance with approximately 66 industries installed. Like all industrial activity, the processing is also related to the consumption of natural resources, with high energy demand and by-products generation. In these industries, there is a large generation of rice husks, waste that in decomposition emits large volumes of methane, greenhouse gas. Another environmental liability is the production of effluents through the parboiling process, which is the main beneficiation process carried out in the state and has, besides the large volumes, effluents with high organic loads. The need to reduce the environmental impacts of industries is becoming increasingly urgent, due to the great pressure exerted by them on the environment, which therefore requires a proposal for economically viable and environmentally suitable solutions. Thus, the objective of this study is to determine the energy potential of power generation with solid and liquid waste from processing industries in the state of Santa Catarina. In order to achieve this goal, it was estimated the methane generation produced by the effluent treatment with UASB reactors with three different methods. With regard to the rice husks its energy use was performed considering the gasification process obtaining as product synthesis gas (syngas). To quantify the potential for thermal and electric energy generation, the use of CHP engines were considered for controlled burning of syngas and methane. The results demonstrated that the values of generated energy are of great relevance and can suppress the energy demand of the main processes of the industries and still generate remnants, with capacity estimated to generate 1,7E + 08 kWh.year-1 of electric energy and 5,4 + E08 kWh. year-1 of thermal energy.
Keywords: rice industries, energy potential, renewable energy, biomass, rice husk, biogas.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Mapa de produção de arroz por estado brasileiro ... 18
Figura 2 – Processo produtivo da parboilização do arroz ... 21
Figura 3 - Processo produtivo com entradas e saídas ... 22
Figura 4 - Representação esquemática do Reator UASB ... 27
Figura 5 - Potencial de geração de metano por metodologia para o estado de SC ... 39
Figura 6 – Estimativa da geração de energia química através do gás de síntese e do metano . 41 Figura 7 – Energia elétrica, térmica e total provenientes do metano ... 42
Figura 8 – Energia elétrica, térmica e total provenientes do gás de síntese ... 42
Figura 9 - Energia química, requerida e remanescente ... 43
Figura 10 – Energia elétrica, térmica e total produzida com o remanescente total (gás de síntese e metano) ... 43
Figura 11 – Energia elétrica, térmica e total produzida com o remanescente considerando apenas o gás de síntese ... 44
Figura 12 - Demanda de energia da região extremo sul catarinense e energia elétrica produzida com o remanescente das industrias de arroz ... 45
Figura 13 – Cenário atual da indústria nº 1 ... 46
Figura 14 - Cenário 1 com aproveitamento do biogás... 47
Figura 15 - - Potencial de geração de metano por metodologia para a indústria nº 1 ... 48
Figura 16 – Energia elétrica, térmica e total gerada com o cenário 1 para a indústria nº1 ... 48
Figura 17 - Cenário 2 com aproveitamento energético do efluente ... 49
Figura 18 – Energia elétrica, térmica e total gerada com o gás de síntese ... 50
Figura 19 - Potencial energético do cenário 2 para a indústria nº 1 ... 50
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Caracterização físico-química do efluente da parboilização do arroz ... 25 Tabela 2 - Tarifas Subgrupo A4 CELESC relativas a out/2019 ... 29 Tabela 3 - Parâmetros utilizados na modelagem de geração de gás de síntese ... 41
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica BEN Balanço Energético Nacional
CELESC Companhia de Energia Elétrica do Estado de Santa Catarina CHP Combined heat and power
CH4 Metano
CO Monóxido de Carbono CO2 Dióxido de Carbono
CONAB Companhia Nacional de Abastecimento DQO Demanda Química de Oxigênio
EPE Empresa de Pesquisa Energética
EPAGRI Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina H2 Hidrogênio
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística KWh Quilowatt-hora
MJ Megajoule
Mtep Milhões de toneladas equivalentes de petróleo N Nitrogênio
NTK Nitrogênio Total Kjeldahl Nm³ Normal metro cúbico PCI Poder Calorífico Inferior PG Semeadura Pré-Germinada Ph Potencial Hidrogeniônico PIB Produto Interno Bruto
PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica RS Rio Grande do Sul
SC Santa Catarina
SIN Sistema Interligado Nacional SST Sólidos Suspensos Totais SSV Sólidos Suspensos Voláteis
SOSBAI Sociedade Sul Brasileira de Arroz Irrigado ODS Objetivos do Desenvolvimento Sustentável
ONU Organização das Nações Unidas
UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 15 1.1 OBJETIVOS ... 16 1.1.1 Objetivo Geral ... 16 1.1.2 Objetivos Específicos ... 16 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 17
2.1 INDUSTRIAS DE PRODUÇÃO DE ARROZ ... 17
2.1.1 Industrias de arroz no Brasil e em Santa Catarina ... 17
2.1.2 Processo Produtivo da Industria de Parboilização ... 20
2.1.3 Geração de resíduos na indústria de arroz e aproveitamento energético ... 23
2.1.3.1 Resíduos das cascas de arroz e geração de energia ... 23
2.1.3.2 Efluente líquido e efluente gasoso: biogás ... 24
2.2 ENERGIA ... 28
2.2.1 Produção de energia e demanda energética das industrias de arroz ... 28
3 METODOLOGIA ... 31
3.1 POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DAS CASCAS DE ARROZ... ... 31
3.1.1 Quantidade de casca de arroz produzida ... 31
3.1.2 Potencial da produção de syngas via gaseificação das cascas de arroz: ... 31
3.1.3 Potencial de produção de energia química por gás de síntese: ... 32
3.1.4 Potencial de produção energia elétrica a partir do syngas usando CHP genset:... ... 32
3.1.5 Potencial de energia térmica a partir do syngas: ... 32
3.2 POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA PRODUÇÃO DE METANO EM REATORES ANAERÓBICOS ... 32
3.2.2 Geração potencial produção de metano em reatores anaeróbicos (METCALF
& EDDY, 1991) ... 33
3.2.3 Geração potencial de produção de metano em reatores anaeróbicos (Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças do Clima – UNFCC, 2012) .... 34
3.2.4 Geração potencial de metano (SPEECE, 2001) ... 35
3.2.5 Potencial de geração de energia química a partir do metano ... 36
3.2.6 Potencial de geração de energia elétrica a partir do metano usando o sistema CHP... ... 36
3.2.7 Potencial de energia térmica a partir do metano usando o sistema CHP ... 36
3.3 ENERGIA REMANESCENTE (NADALETI, 2017) ... 36
3.3.1 Energia requerida para a parboilização do arroz ... 36
3.3.2 Energia mecânica requerida para a secagem do arroz ... 36
3.3.3 Quantidade de energia requerida para o processo de parboilização e secagem ...37
3.3.4 Energia remanescente ... 37
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 37
4.1 PRODUÇÃO POTENCIAL ENERGÉTICA DAS INDUSTRIAS DE BENEFICIAMENTO DE ARROZ DE SANTA CATARINA ... 37
4.1.1 Estimativa da produção de metano e gás de síntese das industrias de beneficiamento de arroz de Santa Catarina ... 38
4.1.2 Potencial de produção de energia elétrica e térmica das industrias de arroz de Santa Catarina ... 41
4.1.3 Energia requerida e remanescente das indústrias de arroz de Santa Catarina ...42
4.2 ESTUDO DE CASO: BALANÇO ENERGÉTICO PARA INDUSTRIA DE BENEFICIAMENTO DE ARROZ ... 45
4.3 GESTÃO SUSTENTÁVEL DOS RESÍDUOS DAS INDUSTRIAS DE ARROZ... ... 51
5 CONCLUSÃO ... 53
15
1 INTRODUÇÃO
A necessidade de se introduzir a variável ambiental dentro da concepção dos processos industriais vem sendo cada vez mais reconhecida ao longo das últimas décadas, possuindo como marco a Conferência de Estocolmo em 1972 (ROCHA et al., 2010). Com a compreensão da inter-relação da indústria com o meio ambiente surgem novos conceitos como o da Ecologia Industrial, que possui como um dos objetivos a minimização da utilização dos recursos naturais e de geração de resíduos com a adoção de ciclos fechados de produção (GIANNETTI e ALMEIDA, 2006). Mais recentemente, em 2015, a Organização das Nações Unidas (ONU) estabeleceu a agenda para o desenvolvimento sustentável que estabeleceu 17 objetivos globais para serem adotados até 2030 por todos os países membros. Dentre os objetivos existem diversos que se relacionam com as atividades industriais de forma direta, como: a promoção da industrialização inclusiva e sustentável (ODS 9); padrões de produção e consumo sustentáveis (ODS 12); crescimento econômico sustentado, inclusivo e sustentável (ODS 8) (UN, 2015).
A indústria de arroz é muito relevante neste aspecto, por sua importância econômica e também devido a poluição associada a esta atividade produtiva. Dentre os processos da indústria de transformação do arroz, o de produção de arroz parboilizado é o que gera mais impacto ambiental. Sua produção pode ser dividida basicamente em 3 etapas: encharcamento, gelatinização e a secagem. No encharcamento o arroz é submerso em tanques em temperaturas de 60ºC a 80ºC gerando a solubilização dos nutrientes que são fixados no processo de gelatinização, etapa em que o grão é exposto a temperaturas ainda mais altas e colocado sob pressão na autoclave. Por fim, é necessário remover a umidade, processo este que é chamado de secagem. Essas etapas geram uma grande quantidade de efluente, podendo chegar a 4L por kg de arroz beneficiado (BASTOS et al., 2010; SANTOS, TURNES E CONCEIÇÃO 2012). Além de produzir uma grande quantidade de efluente este tem características muito prejudiciais aos corpos hídricos, como elevada carga orgânica, altas temperaturas e grande concentração de nutrientes. Outro passivo ambiental gerado por este tipo de indústria são os resíduos das cascas de arroz. A estimativa de produção de arroz beneficiado em 2019/2020 o Brasil é de 10,5 milhões de toneladas o que gera cerca de 2,31 milhões de toneladas de cascas, levando em conta que esta representa 22% do peso do arroz (CONAB, 2019).
Segundo estudo de Souza et al. (2015) ao analisar os impactos ambientais em uma indústria de beneficiamento o aspecto mais crítico do processo é o consumo energético demandado. Contudo, ao analisar as propriedades do efluente da parboilização e também das
16
cascas de arroz, verifica-se que elas possuem capacidade para serem utilizadas como fonte de energia. Assim os passivos acabam se tornando recursos para que a indústria seja sustentável energeticamente e de uma destinação adequada aos seus resíduos, se valendo do princípio da Ecologia Industrial e economia circular.
Deste modo, estudos vem sendo desenvolvidos a respeito da geração de energia através dos subprodutos das industrias de arroz. O potencial energético foi identificado por Nadaleti (2017) em estudo sobre a produção de energia das industrias de arroz no estado do Rio Grande do Sul, que é o maior produtor brasileiro, com capacidade de gerar 2,17E+04 MWh/ano e 7,3E+04MWh/ano de energia elétrica utilizando o biogás produzido pela digestão do efluente e o gás de síntese proveniente da gaseificação das cascas de arroz, respectivamente.
Como segundo maior produtor de arroz do Brasil, é interessante determinar o potencial do estado de Santa Catarina que também possui número significativo de industrias de beneficiamento, com 66 indústrias instaladas e capacidade de produção de 1.500 mil toneladas/ano (SOSBAI, 2018). O objetivo geral desta pesquisa é, portanto, estimar o potencial energético a partir dos resíduos sólidos e líquidos das indústrias de arroz instaladas no estado de Santa Catarina. Para isto será primeiramente estimado a produção de metano obtido por meio de digestão anaeróbia em reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor) através de três metodologias diferentes. Também será calculado a produção potencial de gás de síntese utilizando cascas de arroz como biomassa. Com estes dados finalmente será medido o potencial de geração de energia térmica e elétrica utilizando-se da cogeração de energia através de um motor com cogeração de energia elétrica e térmica (CHP).
1.1OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Estimar o potencial energético dos resíduos sólidos e efluentes líquidos das indústrias de arroz instaladas no estado de Santa Catarina.
1.1.2 Objetivos Específicos
Estimar a produção de metano obtida por meio de digestão anaeróbia em reatores UASB que tratam efluentes da indústria de arroz parboilizado através das metodologias de Metcalf e Eddy (1991), Speece (2001) e UNFCC (2012)
17
para o estado de Santa Catarina e realizar a verticalização em forma de estudo de caso para uma indústria no estado;
Calcular a produção potencial de gás de síntese utilizando cascas de arroz como biomassa para o estado de Santa Catarina;
Determinar o potencial de geração de energia elétrica das industrias utilizando o gás de síntese e o metano gerado a partir dos resíduos sólidos e efluentes líquidos.
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 INDUSTRIAS DE PRODUÇÃO DE ARROZ
2.1.1 Industrias de arroz no Brasil e em Santa Catarina
O arroz é um dos cereais mais consumidos do mundo, possuindo grande importância econômica e também nutritiva, uma vez que é responsável por 21% da energia humana mundial per capita e 15% das proteínas per capita (MACLEAN et al., 2002). Esta notoriedade ganha mais destaque para países em desenvolvimento como os da Ásia e da América Latina, sendo o primeiro responsável por mais de 90% da produção do cereal com um consumo de 78 kg/pessoa/ano. No continente americano o maior produtor é o Brasil, destacando-se também como um grande consumidor com cerca de 32 kg/pessoa/ano, acima da média da América do Sul (SOSBAI, 2018).
Segundo dados da Companhia Nacional do Abastecimento da safra 2018/19 (2019) no Brasil a produção nacional de arroz está centralizada na Região Sul, representando o total de 82,7% da oferta nacional (Figura 1). Um dos motivos para a concentração da produção no Sul é a forma do cultivo do arroz, que é do tipo irrigado, apresentando vantagens de produtividade em relação ao cultivo sequeiro. Além disso, a produção de arroz pelo sistema sequeiro concorre com a produção de soja e milho que apresentam melhor rentabilidade, tornando-se preferível em relação ao arroz:
18
Figura 1 – Mapa de produção de arroz por estado brasileiro
Fonte: Adaptado Conab (2019)
O estado de Santa Catarina fica somente atrás do Rio Grande do Sul em relação a produção de arroz com 1.091 mil toneladas e 7.389,1 mil toneladas na safra de 18/19, respectivamente. Contudo, em termos de produtividade Santa Catarina apresenta atualmente o melhor desempenho com 7,550 kg/ha contra 7,381 kg/ha do Rio Grande do Sul (CONAB, 2019). O aumento da produtividade de Santa Catarina está atrelado aos investimentos tecnológicos e a condição climática favorável dos últimos anos. No estado, o cultivo do arroz irrigado é realizado em 84 municípios e é o oitavo produto da agropecuária, o que demonstra sua importância econômica para a região (EPAGRI, 2018).
Uma característica do cultivo do arroz em SC é a utilização de semeadura pré-germinada (PG). Este tipo de semeadura é favorável a agricultura familiar que corresponde, segundo levantamento realizado pelo Epagri/Cepa na safra 2015/16 (2016), a cerca de 90% da produção do estado. Neste tipo de sistema, as sementes previamente germinadas são lançadas
19
em quadros nivelados e inundados. A PG é indicada para áreas que possuem espécies invasoras, como o arroz vermelho, oferecendo a possibilidade de um controle mais eficiente de ervas daninhas, menor dependência do clima e consumo de água para irrigação, por exemplo. A semeadura pré-germinada corresponde a 95% da área total de arroz irrigado em Santa Catarina.
Com relação ao beneficiamento do arroz o principal produto do estado é o arroz parboilizado que é em sua maior parte, cerca de 70%, é exportado para outros estados como Paraná, São Paulo e a região nordeste, além do Paraguai. A parboilização é o processo onde os grãos de arroz ainda com casca são submetidos a um tratamento hidrotérmico, melhorando o rendimento de grãos inteiros e o valor nutricional do arroz. Conforme o Boletim de Recomendações técnicas publicado pela Sociedade Sul Brasileira de Arroz Irrigado - SOSBAI (2018), em Santa Catarina existem 66 indústrias de beneficiamento de arroz com capacidade para beneficiar 1.500 mil t/ano de arroz em casca. O valor é superior a produção estadual, compelindo a importação de outras localidades, principalmente do Rio Grande do Sul e Paraguai. A maior parte das indústrias ficam nas regiões de Araranguá (30) e Criciúma (18).
A indústria de produção e beneficiamento de arroz, como em qualquer atividade agroindustrial, está atrelada à significativos impactos ambientais. Estes impactos vêm desde o início do cultivo, com a necessidade de remoção da vegetação para a limpeza da área e a utilização de agrotóxicos, mas também do processo de beneficiamento com a geração de subprodutos e consumo de recursos naturais. O método utilizado pela parboilização leva ao consumo de grandes quantidades de energia e água, sendo estimado o uso de cerca de 2 a 4L de água para cada quilo de arroz beneficiado (BASTOS et al., 2010; SANTOS, TURNES e CONCEIÇÃO, 2012). Além da utilização de um recurso natural, é gerado um grande volume de efluente, caracterizado por altas temperaturas, carga orgânica e nutrientes que podem causar danos graves aos corpos hídricos se não houver um tratamento adequado. Outro subproduto do processo são as cascas do arroz, que contribui para o arroz ser a cultura responsável por produzir a maior quantidade de resíduos (NAKHSHINIEV et al., 2014). A casca representa cerca de 22% da massa de arroz, o que na estimativa de produção de arroz beneficiado em 2019/20 no Brasil corresponde a uma estimativa de 2,31 milhões de toneladas de cascas (CONAB, 2019). Assim, é necessário pensar em soluções sustentáveis para este resíduo que geralmente acaba sendo queimado para utilização no processo de parboilização, gerando emissão de material particulado, monóxido de carbono e até mesmo compostos carcinogênicos/mutagênicos (YANG et al, 2006).
20
Apesar dos impactos associados à geração de efluentes e de resíduos de cascas de arroz eles apresentam potencial para geração de energia. Com a digestão anaeróbia dos efluentes é possível a geração de biogás e com a utilização da casca de arroz como biomassa para gaseificação pode ser gerado gás de síntese. De acordo com Nadaleti (2019) em estudo realizado no Rio Grande do Sul, o potencial de produção de energia destes resíduos é alto e ainda propício a tornar a indústria autossuficiente. Desta forma é interessante para indústrias pois além de mitigar seus danos ambientais podem adquirir benefício econômico.
2.1.2 Processo Produtivo da Industria de Parboilização
O processo de parboilização é basicamente composto pelas etapas de encharcamento, gelatinização e secagem (Figura 2). O arroz com casca é imerso em tanques com água quente, entre 60ºC a 80ºC durante o período de 04 a 06 horas. O tempo depende da umidade inicial do grão uma vez que é necessário para a gelatinização que o amido adquira umidade de aproximadamente 30%. Os nutrientes existentes no grão estão presentes na película e germe, sendo a principal fonte de vitaminas, sais minerais, carboidratos, lipídios, proteínas e fibras. O que ocorre neste processo é a solubilização das vitaminas e sais minerais que estão na película e germe à medida que a água é absorvida para o interior do grão. Assim, os nutrientes não são perdidos na etapa posterior de descascamento, como acontece no processo do arroz polido (OLI et al., 2014; KWOFIE e NGADI, 2017; AMATO et al., 2002; ARAULLO, PADUA e GRAHAM, 1976):
21
Figura 2 – Processo produtivo da parboilização do arroz
Fonte: Silva (2012)
O arroz já úmido vai para etapa de gelatinização e é levado a temperaturas mais elevadas na autoclave ficando em contato com vapor e sob pressão. Isto provoca a alteração estrutural do amido que passa de cristalino para amorfo. Como consequência os grãos que estariam quebrados são soldados e o arroz passa a ter um melhor rendimento de grãos inteiros. Também ocorre nessa etapa a fixação das vitaminas e sais minerais com o endurecimento do amido. Devido às altas temperaturas utilizadas os microrganismos são eliminados pelo processo de pasteurização (OLI et al., 2014; KWOFIE e NGADI, 2017; AMATO et al., 2002; ARAULLO, PADUA e GRAHAM, 1976).
Seguindo o processo produtivo acontece a secagem do grão. Como na gelatinização a umidade do arroz se encontra elevada, em torno de 30%, é necessário a redução da umidade para que o arroz permaneça em boas condições durante sua conservação. A respeito do tipo de secadores, podem ser o mesmo utilizado na secagem inicial, mas geralmente é empregado secadores rotatórios. Esta etapa é importante para a qualidade final do produto, a respeito da qualidade, cor e textura dos grãos (OLI et al., 2014; KWOFIE e NGADI, 2017; AMATO et al., 2002; ARAULLO, PADUA e GRAHAM, 1976).
22
Só depois de passar por estas etapas é que começa o processo de beneficiamento com a separação da casca do grão (descascamento). O arroz ainda passa pela a etapa de brunição no qual a parte mais escura, chamada de farelo, é removida por meio de contato dos grãos com superfícies ásperas em movimento. OLI et al., 2014; KWOFIE e NGADI, 2017; AMATO et al., 2002; ARAULLO, PADUA e GRAHAM, 1976):
A Figura 3 mostra o fluxograma do processo com suas entradas e saídas:
Fonte: Souza et al. (2015)
23
2.1.3 Geração de resíduos na indústria de arroz e aproveitamento energético
2.1.3.1 Resíduos das cascas de arroz e geração de energia
Um dos passivos ambientais mais relevantes gerados pela indústria de beneficiamento do arroz é a geração de cascas durante o descascamento. O volume das cascas pode chegar de 20% a 33% do peso bruto do arroz (LIM et al., 2012) porém, mais comumente adota-se como sendo 22% do peso. Além de ser gerado em grandes quantidades esse resíduo possui baixa densidade o que o leva a ocupar grandes espaços.
A decomposição da casca de arroz é lenta, levando cerca de 5 anos (MAYER, HOFFMANN e RUPPENTHAL, 2006), e quando descartada incorretamente pode gerar além de gases de feito estufa, a impermeabilização do solo, pois é constituída basicamente de sílica (ROCHA et al., 2010). Mesmo quando dispostas em aterros geram problemas ambientais relevantes pois resultam na produção de metano, gás de efeito estufa considerado 21 vezes pior que o dióxido de carbono.
Em estudo realizado por Olivo (2010) com 8 empresas no sul do estado de Santa Catarina foi identificado que a casca é reaproveitada internamente, com a queima para utilizar a energia térmica no processo de secagem do arroz, ou externamente, vendida como ração ou cama de aviários e suínos por exemplo.
Por demandar um consumo alto de energia o aproveitamento das cascas com o fim de geração energética torna-se uma opção bastante viável do ponto de vista econômico e ambiental. Contudo, apesar de ser a mais utilizada, a combustão direta das cascas não é a melhor forma de aproveitamento, pois as emissões de material particulado e de gases de efeito estufa são maiores do que em outras alternativas (BREAULT, 2010).
A gaseificação da biomassa torna-se então uma opção, apresentando melhor desempenho energético e ambiental que a combustão, além de apresentar diversas formas de aplicação como fonte de energia elétrica e térmica, produção de biocombustíveis e produtos químicos. Esse é um processo termoquímico onde a biomassa é oxidada parcialmente resultando na alteração de sua estrutura a altas temperaturas e na presença de um agente gaseificador. O principal produto gerado é o gás de síntese, constituído de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Contudo, existe a formação de alguns subprodutos em pequenas quantidades como o alcatrão, carvão e cinzas (COEHCE et al., 2011; RAJVANSHI, 1986). A composição resultante do processo depende
24
além do tipo de gaseificador, biomassa utilizada e fornecimento de energia e também de parâmetros operacionais como razão de equivalência, agente gaseificador, temperatura e presença de catalisador do processo como o tipo de gaseificador, a biomassa utilizada, fornecimento de energia ao processo, entre outros (KOOK et al, 2016).
Dentre os diversos tipos de gaseificadores existentes, o recomendado para a gaseificação da biomassa de casca de arroz é o gaseificador de leito fluidizado. As vantagens para sua utilização incluem conseguir operar com flexibilização da característica dos materiais e maior taxa de transferência de calor superior (KOOK et al, 2016) e ainda permitir que as cinzas possam ser removidas mais facilmente (NATARAJAN et al., 1998). As principais etapas de gaseificação são a secagem, pirólise, oxidação e redução (FIGUEIREDO et al., 2012).
2.1.3.2 Efluente líquido e efluente gasoso: biogás
A produção de grandes volumes de resíduos é algo comum aos diversos processos de beneficiamento do arroz devido a etapa de descascamento. Porém a geração de efluentes é mais significativa em um tipo especifico, o arroz parboilizado. Isto se deve ao uso de grandes volumes de água durante o encharcamento, o que leva a indústria a gerar a cada quilo de arroz parboilizado de 0,83 L (FARIA et al., 2006) a 4,0 L de efluente (QUEIROZ e KOETZ, 1997)
Nesta mesma etapa mencionada ocorre a lixiviação da matéria orgânica, principalmente do amido, fazendo com que a água fique concentrada com elevadas cargas orgânicas de DBO e DQO. Outras características importantes do efluente são os valores elevados de fósforo e nitrogênio e sua temperatura elevada, entre 55ºC e 65ºC. Estas propriedades, apresentadas na Tabela 1, são extremamente prejudiciais para a vida aquática uma vez que contribuem para a eutrofização de corpos hídricos e a depleção de oxigênio dissolvido na água:
25
Tabela 1 - Caracterização físico-química do efluente da parboilização do arroz Parâmetros Unidade Mínimo Média Máximo
Alcalinidade 4.30 mg/L 105 616 1.351 Alcalinidade 5.75 mg/L 408 573 690 Ácidos voláteis totais mg/L 120 672 1.375
Cloretos mg/L 16 162,7 307 DBO mg/L 1.600 3.200 4.580 DBO total mg/L 1.898 4.536 7.809 DQO solúvel mg/L 1.668 4.029 7.266 Fósforo mg/L 340 100 143.4 N amoniacal mg/L 9,6 35 74,4 NTK mg/L 48 91 141 pH 3,4 5,8 7,6 SST mg/L 118 294 492 SSV mg/L 94 249 428 Sulfetos mg/L 5,8 95 354.8 Sulfatos mg/L 51 141 202
Fonte: Modificado de Milanesi (2003).
Por essas razões é necessário que o efluente passe por um tratamento adequado antes de ser disposto na natureza. Existem diversas modalidades que podem ser empregadas, sendo no Brasil muito comum a utilização de lagoas de estabilização e digestores anaeróbicos.
As lagoas de estabilização são uma solução bastante utilizada no tratamento de efluentes de industrias de arroz de Santa Catarina. Isto se justifica pois é um tratamento simples, que necessita de pouco ou nenhum equipamento, recomendado em lugares com temperatura elevada e disponibilidade de sol e área – o que é o caso do estado. Há diferentes configurações do sistema de lagoas sendo frequente a utilização da combinação de lagoas anaeróbias e facultativas. Apesar de apresentar como vantagem a facilidade na sua construção e operação, estas ainda necessitam de manutenção e tem sua eficiência sujeita as condições climáticas. Ainda, não possibilitam o aproveitamento energético que seria viável com outras formas de tratamento como é o caso da digestão anaeróbia (VON SPERLING, 1996).
A digestão anaeróbia é entendida como o processo de degradação da matéria orgânica por microrganismos na ausência de oxigênio. Dentre as vantagens deste tipo de tratamento estão
26
a baixa necessidade de área, produção de lodo de 3 a 5 vezes menor do que em processos aeróbios, aceitação de grandes cargas orgânicas e geração de metano. Segundo Chernicharo (2007), em sistemas anaeróbicos cerca de 70% a 90% da matéria orgânica biodegradável é convertida em biogás. A rota de conversão da matéria orgânica em biogás pode ser dividida pelas etapas de hidrolise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. Na hidrolise ocorre a transformação da matéria orgânica complexa (polímeros) em moléculas menores por ação de exoenzimas excretadas por bactérias fermentativas. Estas moléculas são então metabolizadas na fase da acidogênese produzindo ácidos voláteis, álcoois, ácido lático, dióxido de carbono, hidrogênio, amônia, sulfeto de hidrogênio e novas células. Os produtos gerados são oxidados na acetogênese formando os substratos para a última etapa (ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono), a metanogênese. Nesta última etapa ocorre a produção de metano e dióxido de carbono pelos organismos metanogênicos acetoclásticos (utilizam-se do acetato) e hidrogenotróficos (utilizam-se do hidrogênio) (CHERNICHARO, 2007).
As tecnologias de digestão anaeróbia mais adotadas no Brasil são os tanques sépticos e os reatores UASB, sendo o primeiro utilizado majoritariamente em tratamento de efluente sanitário individual. Portanto, com o objetivo de realizar o aproveitamento energético do biogás os reatores UASB são uma tecnologia já bem consolidada e utilizada, tornando-se uma solução atrativa. Basicamente o funcionamento de um reator UASB ocorre da seguinte forma: o efluente é distribuído uniformemente em fluxo ascendente dentro do reator, entrando em contato com uma camada de lodo densa onde há grande atividade microbiológica. Esta é a zona de da digestão anaeróbia da matéria orgânica onde ocorre a geração dos gases. No reator existe um dispositivo separador trifásico que permite a deflexão dos gases e garantem condições ótimas de sedimentação, fazendo que as partículas de lodo remanescente voltem zona de digestão e permitem a saída da parcela líquida tratada com baixa quantidade de sólidos (Figura 4). Apesar de necessitar de pós tratamento, a eficiência deste tipo de reator é relativamente alta, com remoção de cerca de 60 a 70% da DQO do esgoto sanitário gerando entre outros produtos, biogás (CHERNICHARO, 2007):
27
Figura 4 - Representação esquemática do Reator UASB
Fonte: Adaptado Chong et al. (2012).
Com a perspectiva do esgotamento das fontes tradicionais de energia e a busca por fontes renováveis, o biogás se torna uma solução de destaque. Ele se torna mais relevante por, ao contrário da energia eólica e solar, ser uma fonte estável e ininterrupta, que pode inclusive atuar como regulador da intermitência destas fontes (BNDES SETORIAL, 2018).
O biogás é basicamente constituído por metano, gás incolor e inodoro que é responsável pelo seu potencial energético, apresentando poder calorifico inferior igual a 50 MJ/kg (MINISTÉRIO DAS CIDADES, 2015). Em um reator UASB a produção de metano em condições normais de operação é de 0,35 m³CH4/kgDQO removida, contudo a produção observada em escala real apresenta valores mais baixos.
A proporção de metano no biogás é de 50 a 70%, sendo o outro principal constituinte o gás carbônico. Dependendo da utilização do biogás é necessário elevar a percentagem de metano, o que pode ser feito por métodos variados como absorção, adsorção, filtração por membrana, separação criogênica ou até mesmo gaseificação.
As principais aplicações do biogás são para geração de eletricidade e calor, mas este também pode ser aproveitado em forma de biometano. Para ser considerado biometano o biogás deve conter 96,5% de CH4, equiparando-se ao gás natural e podendo, portanto, substitui-lo em suas aplicações. Aqui cabe destacar a utilização como biocombustível, principalmente em substituição ao diesel em regiões não atendidas pela rede de gás natural.
28
Por seus benefícios ambientais, econômicos e variedade de aplicação pode-se dizer que a utilização do biogás vai de encontro com a tendência atual de industrias mais sustentáveis e eficientes.
2.2 ENERGIA
2.2.1 Produção de energia e demanda energética das industrias de arroz
Segundo o último Balanço Energético Nacional (EPE, 2019) em 2018 a oferta de energia elétrica foi de 636,4 TWh onde 423,9 TWh foram provenientes de fonte hidráulica, correspondendo a 66,6% do total. O Brasil é conhecido por possuir uma matriz energética com grande participação de fontes renováveis, em especial a hidroeletricidade. Contudo, apesar das vantagens, ainda existe a necessidade de diversificar a matriz energética brasileira devido ao aumento do consumo previsto para os próximos anos. Isto porque a geração de energia pelas hidrelétricas depende de fatores climáticos e o potencial brasileiro já foi aproveitado em aproximadamente 61,3% (EPE, 2016). Do remanescente, há empecilhos técnicos, socioambientais e econômicos que dificultam a construção de novas hidrelétricas.
Outras opções de fontes renováveis que estão ganhando espaço, como a energia eólica e fotovoltaica, são, assim como as hidrelétricas, consideradas fontes não controláveis. Elas são assim definidas porque a geração da energia depende de fatores externos com complexidade para previsão de sua disponibilidade imediata. Uma alternativa com grande potencial e que não oferece este risco é a produção de energia com biomassa. No Brasil este tipo de energia já tem grande relevância principalmente devido a indústria sucroalcooleira do biodiesel. Existe, contudo, um potencial pouco explorado, mas já reconhecido, da biomassa residual, aquela proveniente dos resíduos sólidos e líquidos de atividades agroindustriais.
O aproveitamento energético da biomassa residual vai de encontro com a tendência de descentralização da energia uma vez que a produção pode ser realizada no próprio local de consumo ou em área próxima. A geração descentralizada apresenta diversas vantagens como a diminuição com custos de transmissão de energia, menores perdas nas redes e independência das grandes centrais hidrelétricas e termoelétricas.
Com a Resolução Normativa nº 482 da ANEEL de 2012 foram estabelecidos as condições de acesso de microgeradores e minigeradores de energias renováveis ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e a criação do sistema de compensação de energia elétrica. Esta normativa, portanto, contribui para aumentar a confiabilidade do SIN retirando parte da pressão
29
existente do sistema centralizado. Os benefícios da geração descentralizada passam a não ser somente para os locais que autoproduzem energia, mas também de todo o sistema. Isto porque o aumento do custo da energia está associado ao acionamento das usinas termelétricas, o que poderia ser menos expressivo com a injeção de energia da rede proveniente da geração descentralizada e independência do próprio local de geração. Atualmente o sistema de bandeiras tarifarias da ANEEL reflete esta condição, adicionando a conta de energia uma taxa de acordo com as condições de geração de energia, sendo as bandeiras: verde – condição favorável e sem acréscimo; amarela - menos favoráveis com acréscimo de R$ 0,01343 para cada quilowatt-hora (kWh) consumidos; vermelha patamar 1 - condições mais custosas de geração com acréscimo de R$ 0,04169 para cada quilowatt-hora kWh consumido; vermelha patamar 2 - condições ainda mais custosas de geração com acréscimo de R$ 0,06243 para cada quilowatt-hora kWh consumido (ANEEL, 2019).
Para a indústria a vantagem na geração de energia encontra-se na economia realizada em não pagar pelo consumo quando sua geração é equivalente e, quando existe energia sobressalente, esta vira um crédito para ser utilizado nos meses seguintes. É importante levar em conta nesse aspecto os horários tarifários, que são divididos em horário de ponta, das 18h às 21h exceto sábados domingo e feriados, caracterizado por ser um período de maior consumo, e horário fora de ponta que é relativo as outras 21h horas. Segundo relatório da PROCEL (ELETROBRAS, 2008) 94,4% das industrias estão no subgrupo tarifário A4 ou seja, tem tensão de fornecimento de 2,3 kV a 25 kV. Existem duas modalidades de tarifas cobradas para este subgrupo, a azul e a verde. A tarifa azul possui valores diferenciados em relação ao horário para o consumo e demanda enquanto a tarifa verde possui apenas esta diferenciação para o consumo. Os valores das tarifas de energia da Companhia de Energia Elétrica do Estado de Santa Catarina (CELESC,2019) para o subgrupo A4 estão apresentados na Tabela 2 a seguir:
Tabela 2 - Tarifas Subgrupo A4 CELESC relativas a out/2019
Tipo (sem tributos) Componente Demanda R$/kW Energia R$/kWh
Tarifa horária azul Ponta 30,2 0,47537
Fora da ponta 13,02 0,30644
Tarifa horária verde
Não se aplica 13,02 -
Ponta - 1,21087
Fora da ponta - 0,30644
30
Somado com a necessidade das adequações ambientais pelas indústrias, a geração de energia através da biomassa residual traz benefícios em a produtividade econômica através da economia circular fazendo com que a indústria gere sua própria energia. É, portanto, um ponto de interesse já que de acordo com o relatório de 2019 do Ministério de Minas e Energia, as indústrias foram o setor responsável pelo segundo maior consumo energético do país em 2018 com 31,7% ficando atrás apenas do setor de transporte com 32,7%. O mesmo relatório apresenta que em 2018 foram consumidos 80,1 Mtep somente pelas indústrias. Dos subsegmentos industriais em 2018 o setor de alimentos e bebidas apresentou o consumo relativo de 23,76%, o maior entre as categorias (EPE, 2019). A principal forma de energia utilizada pelas indústrias foi a eletricidade (21,3%) seguida pelo bagaço da cana (16,3%).
Neste sentido as indústrias de beneficiamento de arroz são bastante relevantes pois produzem grandes quantidades de resíduos sólidos e efluentes líquidos assim como possuem altas demandas energéticas. Segundo Roomi (2007) o consumo de energia térmica do processo de parboilização varia de 312,19 MJ/ton a 446,19 MJ/ton em moinhos de arroz semi-modernos e 258,01 MJ/ton a 332,92 MJ/ton em moinhos de arroz modernos. Já para o processo de secagem a faixa encontrada para moinhos semi-modernos foi de 694,12 MJ/ton a 750,60 MJ/ton e para moinhos modernos foi de 519,40 MJ/ton a 703,89 MJ/ton. Outros estudos apresentam o valor de energia necessário para o processo de parboilização como em torno de 450 MJ/ton (ARAULLO, DE PADUA e GRAHAM, 1976; KAPUR, KANDPAL e GARG, 1997). Assim a demanda total da atividade pode chegar a valores superiores a 1.200 MJ/ton.
A necessidade de energia térmica no processo produtivo é mais um ponto vantajoso para o aproveitamento energético dos resíduos de biomassa por indústrias de arroz já que é possível realizar cogeração de energia. A cogeração é definida, segundo a instrução normativa da ANEEL nº 235 de 2006, como um processo que utiliza uma fonte de energia primária para produção de calor e energia mecânica, sendo que esta é geralmente convertida em energia elétrica. A vantagem da utilização está no aumento da eficiência do sistema comparando com um que não realiza produção combinada de calor e energia, tendo um rendimento global de 70% a 90% (SILVEIRA, 1994). Com isso existe a necessidade de menos combustível primário para a produção da mesma quantidade de energia.
31
3 METODOLOGIA
3.1 POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DAS CASCAS DE ARROZ
Para estimar o potencial de geração de energia das cascas de arroz e verificar a quantidade de energia remanescente considerando o processo de parboilização e secagem essa modelagem e balanço energético baseou-se na metodologia desenvolvida por Nadaleti (2017). O estudo desenvolvido pelo autor levantou o potencial de energia de todas as indústrias de arroz do Rio Grande do Sul a partir de cascas de arroz e efluente líquido.
3.1.1 Quantidade de casca de arroz produzida
A quantidade de cascas de arroz gerada foi estimada considerando que do peso bruto total do arroz 22% correspondem ao peso das cascas (IRGA, 2014), conforme a equação:
𝑄𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎 = (𝑄𝑎𝑟𝑟𝑜𝑧 × 1000
365 ) × 0,22
(1)
Onde:
Qcasca: Quantidade de casca de arroz produzida, em kg/dia; Qarroz: Quantidade de arroz beneficiado, em t/ano.
3.1.2 Potencial de produção de syngas via gaseificação das cascas de arroz:
𝜂
𝑔𝑎𝑠𝑒𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟= 𝑄 𝑄𝑠𝑦×𝑃𝐶𝐼𝑠𝑦
𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎×𝑃𝐶𝐼𝑐𝑎𝑠𝑐𝑎
(2) Onde:
ηgaseificador: Eficiência do gaseificador; Qsy: Vazão de syngas produzido, em m³/dia;
PCIsy: Poder calorífico inferior do syngas, em MJ/m³;
32
3.1.3 Potencial de produção de energia química por gás de síntese:
𝐶 𝐸𝑞𝑠𝑦 = 𝑄𝑠𝑦 × 𝑃𝐶𝐼𝑠𝑦 (3)
Onde:
Eqsy: Produção de energia química a partir do syngas, em MJ/dia; Qsy: Vazão de syngas produzido, em m³/dia;
PCIsy: Poder calorífico inferior do syngas, em MJ/m³.
3.1.4 Potencial de produção energia elétrica a partir do syngas usando CHP genset:
𝐸𝑒𝑠𝑦 = 𝐸𝑞𝑠𝑦 × 𝐸𝜂𝐼𝐶𝐸 × 0,277 (4)
Onde:
Eqsy: Produção de energia química a partir do syngas, em MJ/dia; Eesy: Produção de energia elétrica a partir do syngas, em kWh/dia; EηICE: Eficiência elétrica do CHP genset.
3.1.5 Potencial de energia térmica a partir do syngas:
𝐸𝑡𝑠𝑦 = 𝐸𝑞𝑠𝑦× 𝑇𝜂𝐼𝐶𝐸 × 0,277 (5)
Onde:
Etsy: Produção de energia térmica a partir do syngas, em kWh/dia; Eqsy: Produção de energia química a partir do syngas, em MJ/dia; TηICE: Eficiência térmica do CHP genset.
3.2 POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DA PRODUÇÃO DE METANO EM REATORES ANAERÓBICOS
3.2.1 Produção de Efluente (SILVEIRA, 2018)
𝑄𝑒𝑓 =
𝐵𝑝𝑎𝑟𝑏 × 2,415 365
(6)
Onde:
33
Bparb: Produção de arroz parboilizado em ton/ano;
3.2.2 Geração potencial de produção de metano em reatores anaeróbicos (METCALF & EDDY, 1991)
Através da relação estequiométrica apresentada abaixo a equivalência de DQO do metano pode ser determinada.
𝐶𝐻4+ 202 → 𝐶𝑂2+ 2𝐻2𝑂
Da equação é obtido que são necessários 64g de oxigênio para oxidar um mol de metano. Nas condições padrão de temperatura e pressão (CNTP) de 0º C e 1 atm o volume ocupado por um mol de gás é de 22,L. Com isto temos a relação, do equivalente de DQO convertido em metano: 22,4 𝐿/𝑚𝑜𝑙 64𝑔 𝐷𝑄𝑂/𝑚𝑜𝑙= 0,35 𝐿𝐶𝐻4 𝑔𝐷𝑄𝑂= 0,35 𝑚³𝐶𝐻4 𝑘𝑔𝐷𝑄𝑂
Esta equação fornece o volume de metano produzido por quilo de DQO em CNTP. Para realizar a estimativa em condições de temperatura e pressão diferentes utiliza-se da lei de gás ideal, realizando o balando de massa para DQO no reator.
Balanço de massa de DQO no reator
𝑋𝑚 = 𝐷𝑄𝑂𝑖 − 𝐷𝑄𝑂𝑠 − 𝐷𝑄𝑂𝑆𝑆𝑉− 𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4 (7)
Onde:
Xm: acumulação de DQO;
DQOi: DQO afluente no reator (kgDQO/m³) DQOs: DQO efluente no reator (kgDQO/m³)
DQOssv: DQO associada a matéria orgânica volátil em suspensão no reator (kgDQO/m³)
DQOch4: Quantidade de oxigênio necessário para oxidar completamente o metano para dióxido de carbono e água (m³ch4/kgDQO)
Volume ocupado por 1 mol de gás metano
𝑉𝐶𝐻4 = 𝑛𝑅𝑇 𝑃
34
Onde:
VCH4: Volume ocupado por 1 mol de gás metano, em L; N: Número de mols;
R: 0,082057 atm . L/mole . K; T: Temperatura, em K; P: Pressão, em atm.
Calcular o equivalente DQO convertido em metano
𝐶𝐻4𝑒𝑞 = 𝑉𝐶𝐻4 𝑂𝐶𝐻4
(9)
Onde:
CH4eq: Metano equivalente a DQO convertida em m³ CH4/kgDQO;
OCH4: Quantidade de oxigênio requerido para oxidar 1 mol de metano (64g DQO/mol).
Cálculo da produção de gás metano
𝐶𝐻4𝑝𝑟𝑜𝑑 = 𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4× 𝐶𝐻4𝑒𝑞 (10)
Onde:
CH4prod: Produção de gás metano, em m³/dia.
3.2.3 Geração potencial de produção de metano em reatores anaeróbicos (Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças do Clima – UNFCCC, 2012)
𝐶𝐻4𝑝𝑟𝑜𝑑 = 𝑄𝑒𝑓 × 𝐷𝑄𝑂𝑒𝑓× 𝐵𝐶𝐻4× 𝑀𝐶𝐹 × 𝐶𝐹𝑈 × 𝜂𝐷𝑄𝑂 (11) Onde:
CH4prod: Quantidade de metano em kgCH4/h; Qef: Vazão efluente em m³/h;
DQOef: DQO efluente em kgDQO/m³
BCH4: Capacidade máxima de produção de metano em massa em kgCH4/kgDQO (0,25);
MCF: Fator de correção de metano, referentes a reatores UASB (0,8); CFU: Fator de correção devido à incerteza (0,9);
35
3.2.4 Geração potencial de metano (SPEECE, 2001)
1) Demanda Química de oxigênio
𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4= 𝑄𝑒𝑓× [(𝑆0− 𝑆) − ((𝑌𝑜𝑏𝑠× 𝐾𝑠) × (𝑆0− 𝑆))] (12) Onde:
DQOCH4: Demanda química de oxigênio convertida em metano em kgCH4/dia; Qef:: Vazão efluente em m³/dia;
S0: Concentração de DQO total no afluente em kgDQO/m³; S: Concentração de DQO filtrada no efluente em kgDQO/m³;
Yobs: Coeficiente de produção de sólidos no sistema em kgDQOlodo/kgDQOaplicada (0,11);
Ks: Fator de conversão de sólidos voláteis totais (SVT) em DQO em kgDQO/kgSVT (1,42). 2) Conversão de unidades 𝑄𝐶𝐻4= 𝐷𝑄𝑂𝐶𝐻4 𝐾(𝑡) (13) Onde:
QCH4: Volume de metano produzido em m³/dia;
K(t): Fator de correção da temperatura de operação do reator em kgDQO/m³.
3) Fator de correção de temperatura:
𝐾(𝑡) = 𝑃 × 𝐾 𝑅 × (273 + 𝑇)
(14)
Onde:
P: Pressão atmosférica em atm;
K: DQO correspondente a 1 mol de CH4 em gDQO/mol (64); R: Constante universal dos gases em atm.L/mol.K (0,08206); T: Temperatura de operação do reator em ºC.
36
3.2.5 Potencial de geração de energia química a partir do metano
𝐸𝑑𝐶𝐻4= 𝐶𝐻4𝑝𝑟𝑜𝑑 × 𝑃𝐶𝐼𝐶𝐻4 (15)
Onde:
EdCH4: Produção de energia química a partir do metano em MJ/dia; CH4prod: Vazão média de metano, em m³/dia;
PCICH4: Poder calorífico inferior do metano, em MJ/m³.
3.2.6 Potencial de geração de energia elétrica a partir do metano usando o sistema CHP
𝐸𝑒𝐶𝐻4 = 𝐸𝑑𝐶𝐻4× 𝐸𝜂𝐼𝐶𝐸× 0,2778 (16) Onde:
EeCH4: Produção de energia elétrica a partir do metano, em KW/dia; EηICE: Eficiência elétrica do CHP genset;
3.2.7 Potencial de energia térmica a partir do metano usando o sistema CHP
𝑇𝐸𝐶𝐻4= 𝐸𝑑𝐶𝐻4× 𝑇𝜂𝐼𝐶𝐸× 0,2778 (17) Onde:
TECH4: Produção de energia térmica a partir do metano, em KWh/dia; TηICE: Eficiência térmica do CHP genset.
3.3 ENERGIA REMANESCENTE (NADALETI, 2017)
3.3.1Energia requerida para a parboilização do arroz
𝐸𝑝𝑎𝑟𝑏 = 𝑃𝑎𝑟𝑏 × 𝑄𝑎𝑟𝑟𝑜𝑧 (18)
Onde:
Eparb: Energia média requerida para o processo de parboilização do arroz, em MJ/ano; Parb: Energia média requerida para o processo de parboilização, em MJ/ton;
Qarroz: Quantidade de arroz beneficiado, em t/ano.
37
𝐸𝑠𝑒𝑐 = 𝑆𝑒𝑐 × 𝑄𝑎𝑟𝑟𝑜𝑧 (19)
Onde:
Esec: Energia média requerida para a secagem mecânica, em MJ/ano; Sec: Energia média requerida para o processo de secagem, em MJ/ton; Qarroz: Quantidade de arroz beneficiado, em t/ano;
3.3.3Quantidade de energia requerida para o processo de parboilização e secagem
𝐸𝑟𝑒𝑞 = 𝐸𝑝𝑎𝑟𝑏 + 𝐸𝑠𝑒𝑐 (20)
Onde:
Ereq: Energia requerida para a parboilização e secagem do arroz, em MJ/ano;
Eparb: Energia média requerida para o processo de parboilização do arroz, em MJ/ano; Esec: Energia média requerida para a secagem mecânica, em MJ/ano.
3.3.4 Energia remanescente
𝐸𝑟𝑒𝑚 = 𝐸𝑞 − 𝐸𝑟𝑒𝑞 (21)
Onde:
Erem: Energia remanescente das cascas de arroz, em MJ/ano; Eq: Energia química, em MJ/ano;
Ereq: Energia requerida para a parboilização e secagem do arroz, em MJ/ano.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 PRODUÇÃO POTENCIAL ENERGÉTICA DAS INDUSTRIAS DE BENEFICIAMENTO DE ARROZ DE SANTA CATARINA
Neste tópico serão apresentados os resultados referente a modelagem do potencial das industrias de arroz do estado de Santa Catarina de produzir energia utilizando dos resíduos sólidos e do efluente líquido.
38
4.1.1 Estimativa da produção de metano e gás de síntese das industrias de beneficiamento de arroz de Santa Catarina
Segundo o Boletim de Recomendações técnicas publicado pela SOSBAI (2018) a indústria de beneficiamento de arroz do estado de Santa Catarina possui capacidade de produção de 1.500 mil t/ano. O estado é o segundo maior em produção de arroz do Brasil, porém ainda necessita importar arroz, principalmente do RS, para atender a alta demanda da indústria de beneficiamento.
Assim, como é uma atividade industrial de grande relevância no estado e apresenta alta demanda energética, tornar as indústrias autossuficientes energeticamente é um ponto de interesse pois, além do benefício econômico, retira pressão da matriz energética do estado além de trazer benefícios do ponto de vista ambiental.
As indústrias de beneficiamento de arroz podem produzir energia através de dois subprodutos, dependendo do processo produtivo adotado. Em todos os tipos de beneficiamento existe a geração elevada de cascas de arroz que pode ser utilizada para a produção de gás de síntese. No estado, segundo Olivo (2010), 90% da produção de arroz beneficiado tem como produto final o arroz parboilizado. Neste caso, quando há a parboilização, existe outro passivo ambiental, a geração de grandes volumes de efluente caracterizados por sua alta DQO.
O tratamento de efluentes é necessário pois caso lançado in natura ou, não seja eficiente o bastante, possui grande potencial de causar degradação ambiental. Existem diversos métodos de tratamento que podem ser adotados, sendo bastante comum em Santa Catarina a adoção de sistemas de lagoas de estabilização. Contudo, por ser um sistema natural, muito variável as condições climáticas e sua concepção não favorecer a captura e geração de biogás como em processos de digestão anaeróbia, a modelagem para geração de energia neste estudo foi realizada levando em conta a adoção de um reator UASB. O UASB é uma tecnologia bem difundida no Brasil por seu baixo custo de implantação, facilidade operacional, baixa produção de lodo e potencial de aproveitamento energético. A eficiência de remoção reportada em literatura varia de 60 a 70%, sendo para os cálculos realizados utilizado o valor de 70% (CHERNICHARO, 2007). Assim, considerando a DQO média resultante do processo de parboilização como 4.536 mg/L, a DQO de saída do sistema é de 1.360,8 mg/L.
Levando em conta a vazão do efluente quantificada através da Equação (10) foi estimado os seguintes potenciais de geração de metano, conforme a Figura 5, para três metodologias distintas:
39
Figura 5 - Potencial de geração de metano por metodologia para o estado de SC
Os valores encontrados para a geração de metano para as diferentes metodologias apresentam a mesma ordem de grandeza, podendo ser considerados relativamente similares. A maior diferença está entre os métodos do UNFCCC e Metcalf & Eddy. Isto porque, enquanto o primeiro método considera a produção máxima de metano 0,25 kgCH4/kgDQO removida e também considera incertezas como fatores de redução, o método de Metcalf & Eddy parte do princípio que são gerados 0,35m³CH4/kgDQO removida.
Os métodos empregados não levam em consideração a quantidade de metano dissolvido no efluente, que segundo Souza (2010) podem chegar a valores de 16-18%. Ainda existem uma diversidade de fatores que influenciam no ótimo funcionamento do reator UASB, como a temperatura, pH, taxa de carregamento, tempo de detenção hidráulica, carga orgânica, entre outros (LI et al, 2018). A temperatura é o mais relevante fator (INTANOO et al., 2014), sendo considerando-se uma faixa ótima para operação em regime mesofilico entre 30 a 35ºC de temperatura (CHERNICHARO,2007). Como o efluente sai em temperaturas muito elevadas (70º a 100ºC) é importante uma concepção de sistema que consiga manter a temperatura mais próxima do valor ideal, em diferentes condições climáticas.
Considerando que o biogás contem 70% de metano chega-se a uma média de produção de 1,2E+4 m³.dia-1 de biogás. O biogás gerado pode ser utilizado de diferentes formas podendo, além de gerar energia elétrica e térmica para a indústria, ser fonte de biocombustível para veículos e injetado na rede de gás natural. Contudo, para as duas últimas aplicações é necessário a purificação até que o biogás atinja 96,5% de metano, quando passa então a ser chamado de
9,6E+03 Nm³/d 8,5E+03 Nm³/d 7,8E+03 Nm³/d 0,0E+00 2,0E+03 4,0E+03 6,0E+03 8,0E+03 1,0E+04 1,2E+04
40
biometano. Tal purificação onera os custos de produção de energia o que pode ser economicamente inviável dependendo do tamanho da empresa.
Por este motivo, a aplicação energética modelada neste estudo é a conversão em calor e energia elétrica através da cogeração em um CHP genset. Nesta via de utilização é somente necessária uma purificação mais simplificada e, apesar de uma menor concentração de metano que resulta em um potencial menor de energia, o projeto não envolve custos tão elevados.
Outro subproduto da indústria de beneficiamento de arroz que tem potencial para produção energética é a casca de arroz. A casca é um resíduo gerado em altas quantidades e por isso, sua destinação correta pode se tornar um problema para a indústria. Considerando que 22% do peso do arroz é proveniente da casca, a geração anual de produção de cascas de arroz no Estado de Santa Catarina pode ser aferida em 3,3E+05 toneladas por ano. Mesmo quando as cascas são dispostas em técnicas como a incorporação no solo, não podem ser consideradas como uma solução sustentável pois ainda há a geração de metano para a atmosfera durante a sua decomposição. Muitas industrias acabam utilizando parte da casca para queima em caldeiras, aproveitando-se da energia em forma de calor para os processos de parboilização e doando o excedente da casca para reutilização em outras indústrias. Além do potencial de energia desperdiçado uma vez que parte do material é destinado a doação neste método há a geração de monóxido de carbono devido a combustão incompleta o que implica em impactos para o meio ambiente e saúde humana.
Desta forma, o aproveitamento energético das cascas de arroz foi estimado considerando a produção de energia através de um gaseificador acoplado a um CHP genset. O processo de gaseificação tem como resultado o gás de síntese, constituído por monóxido de carbono, hidrogênio e em menores quantidades metano e outros produtos indesejados como alcatrão e poeiras (RAJVANSHI, 1986). Outro parâmetro importante do ponto de vista energético é o poder calorífico inferior (PCI) da casca de arroz e do gás de síntese. Os valores de PCI podem variar de 13,82 MJ.kg-1 a 16,20 MJ.kg-1 dependendo da umidade presente na casca. Já os valores de PCI para o gás de síntese são reportados em literatura como sendo cerca de seis vezes menor que o gás natural, ficando entre a faixa de 4,0 MJ.Nm-3 a 7,7 MJ.Nm-3 dependendo da composição do gás (CHAVES, 2012; PAKRAVAN, JAMSHIDI E JEDDI, 2018; SILVEIRA, 2018; WORLEY e YALE, 2012; ).
Considerando os valores contemplados na Tabela 3 a modelagem do gás de síntese resulta em um valor de 7,2E+8 Nm³.ano-1:
41
Tabela 3 - Parâmetros utilizados na modelagem de geração de gás de síntese
Parâmetro Valor
Eficiência do gaseificador 72,5% PCIcascas de arroz 15 MJ.kg-1
PCIgás de síntese 5 MJ. Nm-3
4.1.2 Potencial de produção de energia elétrica e térmica das industrias de arroz de Santa Catarina
Com a estimativa de produção de metano e gás de síntese foi possível calcular a energia química potencial destes gases, levando em consideração o PCI de cada um deles. O PCI adotado para o gás de síntese foi apresentado no item 4.1.1. Já o PCI utilizado do metano foi de 51,55 MJ.Nm-3, calculado por Silveira (2018) em estudo do potencial de geração de energia a partir de resíduos e efluentes da região de Pelotas/RS. A comparação entre a quantidade de energia química produzida está representada na Figura 6:
Figura 6 – Estimativa da geração de energia química através do gás de síntese e do metano
A energia química gerada, modelada para a combustão controladas em motores CHP, é convertida em energia térmica e mecânica e a última transformada em energia elétrica. A eficiência de conversão do CHP foi considerada segundo o apresentado por Nadaleti (2017). Para o biogás foi considerado a eficiência do motor de 35% e 50% para conversão em energia
3,6E+09 1,6E+08 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 1,0E+09
Energia química - gás de síntese (MJ/ano) Energia química - metano (MJ/ano)
42
elétrica e térmica, respectivamente. No caso do gás de síntese, a eficiência de conversão foi 15,95% para energia elétrica e 36,25% para energia térmica. A Figura 7 mostra os resultados obtidos de energia elétrica, térmica e total obtidos para metano enquanto na Figura 8 são apresentados os mesmos dados modelados a partir do gás de síntese:
Figura 7 – Energia elétrica, térmica e total provenientes do metano
Figura 8 – Energia elétrica, térmica e total provenientes do gás de síntese
4.1.3 Energia requerida e remanescente das indústrias de arroz de Santa Catarina
Segundo Nadaleti (2017) a quantidade de energia média requerida nas indústrias de arroz é de 402,8 MJ.ton-1 para a parboilização e de 652,2 MJ.ton-1 no processo de secagem, totalizando a necessidade energética de 1.055 MJ.ton-1 por arroz parboilizado produzido. Assim a energia total requerida do estado é calculada como 1,5E+09 MJ.ano-1. Isso quer dizer que a energia química proveniente das cascas de forma isolada já é suficiente para estes processos
1,6E+07
2,3E+07
3,8E+07
Geração de energia elétrica (kWh/ano)
Geração de energia térmica (kWh/ano)
Geração de energia total (kWh/ano)
1,6E+08
3,6E+08
5,2E+08
Geração de energia elétrica (kWh/ano)
Geração de energia térmica (kWh/ano)
Geração de energia total (kWh/ano)
43
apresentando ainda um remanescente, enquanto a energia química obtida através do efluente, não. Na Figura 9 são apresentados um comparativo entre os valores da energia química total produzida (obtida através do gás de síntese e metano), a energia requerida, energia remanescente total e também a energia remanescente apenas considerando o gás de síntese:
Figura 9 - Energia química, requerida e remanescente
Através da Figura 9 fica evidente como existe um desperdício energético quando não se aproveita esta forma energia pois esta é suficiente não apenas para os principais processos da indústria como também pode ser utilizada para outras atividades internas ou até mesmo voltar para a rede de distribuição de energia. Para ressaltar o potencial energético foi estimado qual seria a produção de energia elétrica e térmica com o a energia química remanescente do processo, ou seja, aquela que resta dos processos industriais. Esse potencial foi calculado considerando o remanescente total, que é referente ao aproveitamento do gás de síntese e metano (Figura 10) e ao aproveitamento somente do gás de síntese (Figura 11):
Figura 10 – Energia elétrica, térmica e total produzida com o remanescente total (gás de síntese e metano) 0,0E+00 5,0E+08 1,0E+09 1,5E+09 2,0E+09 2,5E+09 3,0E+09 3,5E+09 4,0E+09 3,8E+09 1,5E+09 2,23E+09 2,07E+09 MJ /an o
Energia química proveniente do gás de síntese e metano
Energia requerida para parboilização e secagem
Energia remanescente total
Energia remanescente do gás de síntese
1,1E+08
2,3E+08
3,4E+08
Energia elétrica (kWh/ano) Energia térmica (kWh/ano) Energia total (kWh/ano)
