Estimativa dos índices de formação de escórias das frações
combustíveis dos Resíduos Sólidos Urbanos do município de
Santo André, SP.
Estimates of slag formation indices of municipal solid waste
fuel fractions in the municipality of Santo André, SP.
Renata de Almeida, r.almeida@aluno.ufabc.edu.br Andrea Carolina Gutierrez Gomez, Ana Maria Pereira Neto
Juliana Tófano de Campos Leite Toneli
Universidade Federal do ABC, Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas, Santo André, SP, Brasil
Submetido em 01/03/2017
Revisado em 01/03/2017 Aprovado em 02/05/2017
Resumo: Nos equipamentos de conversão energética, os processos de formação de escória (slagging) são associados com a sinterização e fusão das partículas das cinzas nas superfícies internas da fornalha a temperaturas elevadas, o que degrada o seu desempenho e danifica severamente os equipamentos que constituem o sistema de combustão. O objetivo deste trabalho foi estimar os índices de formação de escória das frações combustíveis presentes no fluxo de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) úmidos a partir da análise de 20 veículos de coleta, do município de Santo André S.P., avaliados entre as estações primavera de 2015 e início do verão de 2016. Cada veículo foi oriundo de um subsetor diferente do município. Foram determinados o poder calorífico superior (PCS) e os teores de cinzas, para cada uma das frações
combustíveis (matéria orgânica, resíduos sanitários, plásticos,
papel/papelão/tetra pak® e têxteis). A partir da análise dos resultados observou-se que a categoria de matéria orgânica apreobservou-sentou o menor valor médio de PCS (16,36 ± 2,98 MJ/kg), maior valor do teor de cinzas (22,48±11,56%) e maior valor de índice de formação de escória (IA) (2,80± 7,27 kg de álcalis/GJ) dentro das categorias combustíveis avaliadas. A categoria de plásticos, por sua vez, apresentou o maior valor de PCS (33,41± 2,40 MJ/kg), um dos menores teores de cinzas (6,67± 3,16%) e o menor valor de IA (0,41± 2,78 27 kg de álcalis/GJ). As demais categorias apresentaram valores de IA superiores a 0,34 kg de álcalis/GJ, o que denota o risco de formação de escórias. Desta forma é possível inferir que as categorias combustíveis avaliadas neste trabalho apresentam riscos de formação de escórias ressaltando-se a categoria de matéria orgânica, já que devido a suas características combustíveis apresenta certezas de formação de escórias em processos de conversão termoquímicos (incineração). Palavras chave: RSU, escória, incineração, cinzas.
Abstract: In energy conversion equipment, slagging processes are associated with the sintering and melting of the ash particles on the internal surfaces of the furnace at elevated temperatures, which degrades its performance and severely damages the equipment constituting the system of combustion. The objective of this work was to estimate the indices of slag formation of the fuel fractions present in the stream of Municipal Solid Waste (MSW) from the analysis of 20 collection vehicles, from the city of Santo André SP, evaluated between the seasons of spring 2015 and the beginning of summer 2016. Each vehicle came from a different subsector of the municipality. The values of the Higher Heating Value (HHV) and the ash content for each of the combustible fractions (organic matter, sanitary waste, plastics, paper/paperboard/tetra pak® and textiles) were determined. From the results, it was observed that the organic matter category presented the lowest mean HHV value (16.36 ± 2.98 MJ/kg), the highest ash content (22.48 ± 11.56%) and the highest slag formation index (2.80 ± 7.27 kg of alkali/GJ) within the combustibles categories evaluated.The plastics category had the highest HHV value (33.41 ± 2.40 MJ/kg), one of the lowest ash content (6.67 ± 3.16%) and the lowest slag formation index value (0.41 ± 2.78 27 kg of alkali/GJ). The other categories presented values of slag formation index higher than 0.34 kg of alkali/GJ, which indicates the risk of slag formation. In this way, it is possible to infer that the fuel categories evaluated in this work present slag formation risks highlighting the category of organic matter, since due to its combustible characteristics presents certainties of formation of slag in thermo-chemical conversion processes (incineration).
Introdução
A cada ano, milhões de toneladas de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) são produzidas sendo cada vez mais necessário formular estratégias de gerenciamento e aproveitamento destes resíduos. O aumento da geração mundial de resíduos atribui-se principalmente aos países em desenvolvimento, nos quais os índices per capita variam na faixa de 0,4-1,1 kg.hab.-1.dia-1 (PROPARCO, 2015). Há previsões que indicam que, para o ano de 2025, as taxas de geração de resíduos dupliquem (HOORNWEG & BHADA-TATA, 2012). No caso do Brasil, são gerados aproximadamente 218.874 t.dia-1 de RSU, apresentando um índice per capita de 1,071 kg.hab.-1.dia-1 (204 milhões de habitantes) (ABRELPE, 2015; IBGE, 2015). Se por um lado a crescente produção de RSU torna-se um problema de saúde pública enfrentado por muitos países, por outro, sua utilização como fonte energética é uma alternativa que ameniza a lotação dos aterros sanitários, uma vez que estes constituem sua destinação principal (ALBREPE, 2014).
Dos processos de conversão termoquímicos, a técnica de incineração, comum para o tratamento de resíduos, consiste em reduzir sua massa em 70% e o volume em até 90%, além de proporcionar a recuperação energética, visto que um de seus produtos finais é a energia em forma de eletricidade e/ou calor (LAM et al., 2010). Como o maior subproduto tem-se as cinzas ou material inerte, cuja quantidade varia na faixa de 25-35% em peso dos resíduos incinerados e é dependente da quantidade de material não combustível presente no fluxo dos mesmos (RAND et al., 2000). Para atender a demanda energética do país, as fontes renováveis de energia tornam-se uma alternativa aos combustíveis fósseis, dentre elas, destaca-se o uso dos RSU (REN21, 2015). O processo de conversão energética, por sua vez, é influenciado por diversos fatores, sendo primordial conhecer as propriedades intrínsecas dos resíduos e como tais propriedades podem intervir nos equipamentos. Uma das adversidades operacionais que ocorrem nos sistemas de combustão a partir de qualquer tipo de combustível, em especial dos RSU, é a formação de escória (slagging), advinda da fusão das partículas das cinzas que são transferidas para superfícies internas das fornalhas a temperaturas elevadas (1000 ºC), formando depósitos ao longo do tempo. (KLASS, 1998; VAN LOO & KOPPEJAN, 2008). Os detalhes
dos mecanismos de formação de escórias dependem significativamente do tipo de combustor e do projeto das fornalhas, embora o projeto básico seja semelhante (VAN LOO & KOPPEJAN, 2008).
Desta forma, foi desenvolvido pela indústria do carvão o índice de formação de escória, o qual se tem utilizado para classificar os combustíveis sólidos quando tendem a formar escórias. Este índice corresponde à massa de metal alcalino, como óxidos (K2O+ Na2O) por unidade de energia no combustível, sendo útil também para a classificação de matérias primas e biomassa (KLASS, 1998). Segundo Miles et al. (1996), a somatória de compostos de potássio e sódio, expressados genericamente como K2O e Na2O, é chamada álcalis e correspondem às cinzas calcinadas. O teor de potássio em particular é importante para indicar a possível fusão de cinzas mediante vaporização e condensação. O potássio, durante a combustão, reage com outros elementos tais como cloro, enxofre e sílica (MILES et al., 1996; KLASS, 1998; VAN LOO & KOPPEJAN, 2008), formando-se depósitos que aderem às superfícies metálicas e refratárias (MILES et al., 1996).
Segundo Reinaldo et al. (2006) os depósitos formados aderem à parede e, devido à sua baixa condutividade térmica, acarretam na redução da transferência de calor dentro do equipamento, reduzindo a eficiência do processo. Desta forma, identificar os valores que ameaçam o desempenho das fornalhas é importante para evitar sua degradação (VAN LOO & KOPPEJAN, 2008).
Nesse sentido, esse trabalho teve o objetivo de estimar os índices de formação de escória das frações combustíveis presentes no fluxo de RSU úmidos avaliados no município Santo André, SP., partindo-se da determinação dos valores de poder calorífico superior e os teores de cinzas para as frações combustíveis definidas (matéria orgânica, resíduos sanitários, plásticos, papel/papelão/tetra pak® e têxteis) e de dados conhecidos na literatura que fornecem o parâmetro que expressa a tendência à formação de escórias em combustíveis sólidos.
Esta iniciativa de estudo faz parte do projeto de Pesquisa e Desenvolvimento no contexto da chamada nº014/2012 da ANEEL – Projeto
Estratégico (Termo de Cooperação 0050,0084633) “Adequação e
elétrica a partir de biogás oriundos de resíduos e seu processamento, localizadas em território nacional”, em conjunto com a Petrobras, a Fundação Escola de Sociologia e Política de São Paulo (FESPSP), O Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis (CTGAS-ER) e a Universidade Federal do ABC (UFABC).
Metodologia
Coleta e preparo de amostras
Os resíduos que foram objeto desse estudo são provenientes da coleta indiferenciada do município (resíduos úmidos). O fluxo de resíduos úmidos está composto por 33 tipos de produtos: 20 combustíveis e 13 não combustíveis (SEMASA, 2016). Para facilitar a análise dos resíduos no laboratório os produtos combustíveis foram agrupados em 5 categorias (matéria orgânica, plásticos, papel/papelão/tetra pak, resíduos sanitários e têxteis), as quais são apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Composição gravimétrica das frações combustíveis dos RSU do município de Santo André/ SP.
Fonte: Adaptado de SEMASA, 2016.
As amostras de resíduos foram coletadas a partir de 20 veículos coletores, cada um representado uma região diferente do município (subsetor). Os resíduos passaram por uma série de processos in loco como quarteio e triagem e, acondicionamento das amostras (compor as categorias, trituração e embalagem), além disso, cada categoria combustível, uma vez no laboratório,
Categorias combustíveis Produtos agrupados
Matéria Orgânica Resíduos de alimentos.
Material orgânico inseparável Plásticos
Todos os tipos de plásticos.
Embalagens aluminizadas.
Borracha.
Isopor.
Papel/papelão/tetra pak®
Todos os tipos de papéis.
Papelão.
Embalagens tetra pak ®.
Resíduos sanitários Resíduos sanitários.
Fraldas.
passaram por secagem, trituração, moagem e peneiração (GUTIERREZ, 2016). Esse procedimento foi realizado para cada veículo coletor e para cada categoria combustível.
Análises das categorias combustíveis Determinação do teor de cinzas
Foi usada como referência a norma ASTM E 830-87 Standard Test Method for Ash in the Analysis Sample of Refuse-Derived Fuel. A análise foi feita em triplicata a partir de 2 gramas de amostra de cada categoria combustível por veículo coletor com auxílio de um forno-mufla (GUTIERREZ, 2016).
Determinação do Poder Calorífico Superior (PCS)
As amostras foram compactadas em pastilhas com auxílio de uma prensa manual (IKA C21). A determinação do PCS foi realizada em triplicata para cada categoria, e veículo coletor, a partir de uma pastilha de aproximadamente, um grama de amostra. A norma usada como guia para esta análise foi a ASTM E711 – (Standard Test Method for Gross Calorific Value of Refuse-Derived Fuel by the Bomb Calorimeter). Previamente à análise em bomba calorimétrica (IKA C2000), foi determinado o teor de umidade na balança determinadora de umidade (SHIMADZU Moisture analyzer MOC63) para estimar o poder calorífico superior em base seca (GUTIERREZ, 2016).
Índices de formação de escória para cada categoria combustível
Os índices de formação de escórias foram estimados a partir da Eq. 1, estabelecida por Klass (1998).
=
, ( % ) (% á ) Eq. 1Sendo:
% de Cinzas: Teor de cinzas na biomassa (% b.s.); % de álcali nas cinzas: Teor de (K2O+ Na2O) (% b.s.); PCS: Poder Calorífico Superior (MJ/kg) (b.s.);
Os valores de concentração de álcalis nas cinzas foram tomados da literatura, sendo 17, 91 % K2O e 2,48 % Na2O (SONG et al., 2013). Esses valores foram usados para todas as categorias de material combustível assumindo-as um tipo de biomassa.
Análise estatística
Os resultados obtidos foram expressos como médias com os respectivos desvios-padrão. Os resultados foram comparados por análise de variância (ANOVA), seguida pelo teste de Tukey, considerando p<0,05 como diferença estatisticamente significativa.
Resultados e Discussão
Nas Tabelas 2 e 3 são apresentados os dados referentes à determinação do teor cinzas e o PCS para cada categoria combustível avaliada, bem como o índice de formação de escória.
Tabela 2. Médias do PCS, teor de cinzas e teor dos metais alcalinos das
amostras das frações combustíveis dos RSU úmidos do município de Santo André/ SP.
Letras distintas indicam variação significativa (p ≤ 0,05) pelo teste de Tukey. * A, teor de cinzas (%) base seca. PCS, poder calorífico superior (MJ/kg), base seca.
Tabela 3. Índices de formação de escórias para as amostras das frações combustíveis dos RSU úmidos do município de Santo André/ SP.
Letras distintas indicam variação significativa (p ≤ 0,05) pelo teste de Tukey. * IA, índice de álcalis (kg álcalis/ GJ).
De acordo com a Tabela 2, a categoria de plásticos apresentou maior valor de PCS, aproximadamente o dobro do valor apresentado pela categoria de matéria orgânica e nesta se encontrou o menor valor dentro das frações analisadas. A categoria de matéria orgânica apresentou valores energéticos baixos devido aos altos teores de umidade (68,21±4,35%) (GUTIERREZ, 2016). Os dados do PCS das categorias de resíduos sanitários, papel/papelão/tetra pak e têxteis, não apresentaram diferenças significativas.
No caso dos teores de cinzas, as categorias resíduos sanitários, plásticos, papel/papelão/tetra pak e têxteis apresentaram valores similares (~ 6,54 MJ/kg), considerando-se os desvios padrão. Já a fração orgânica, por sua vez, apresentou valores elevados de cinzas dentre as frações avaliadas, pouco mais do que o dobro das demais. Isto pode ser atribuído ao fato de que a maioria de sua composição era material herbáceo (resíduos de poda e árvores) para alguns veículos de coleta. Nesse contexto, destaca-se que na maioria dos combustíveis de biomassa, especialmente nos herbáceos, o teor de potássio é prevalente. Sua vaporização e posteriormente suas reações químicas podem ser responsáveis pela formação de escórias, sulfatação e corrosão, assim como da formação de silicatos em caldeiras de biomassa (MILES et al. 1996).
Para o índice de formação de escória, existem faixas que avaliam a probabilidade de formação de escória do combustível sólido quando submetido a processos termoquímicos, sendo assim existe baixo risco de formação de escória quando o IA varia na faixa de 0 - 0,17 kg/GJ. Com probabilidade de risco de escória na faixa de 0,17 - 0,34 kg/GJ e certeza de formação de escória se o IA é maior de 0,34 kg/GJ (MILES et al., 1993 APUD KLASS, 1998).
A partir dos valores apresentados na Tabela 3, observa-se que as categorias matéria orgânica e papel/papelão/tetra pak apresentaram os maiores valores de IA dentro das frações avaliadas sendo, 2,807,27 kg de álcalis/GJ e 1,141,93 kg de álcalis/GJ, respetivamente. Ainda, os plásticos e resíduos sanitários apresentaram valores de IA próximos (~ 0,55 kg de álcalis/GJ).
Analisando conjuntamente os valores reportados nas tabelas 2 e 3, é possível inferir que existe uma forte influência do teor de cinzas, já que a categoria de matéria orgânica apresentou maior teor de cinzas e o maior valor de IA. A categoria de plásticos apresentou um dos menores valores de teor de cinzas e menor valor de IA, ambos os casos dentro das categorias combustíveis avaliadas. Além disso, o teor de cinzas alto atrelado ao teor de álcalis moderado no combustível apresenta um problema muito grave de depósitos e aglomeração (MILES et al. 1996).
No contexto anterior, segundo a Tabela 3 todas as categorias combustíveis de RSU avaliadas neste trabalho apresentaram valores superiores a 0,34 kg/GJ, concluindo-se desta forma que todas as categorias combustíveis analisadas tendem a formar escórias quando sejam submetidas ao processo de combustão, destaca-se que neste trabalho não se tiveram em conta as categorias não combustíveis, desta forma, no caso de usar como tecnologia de incineração “mass burning” na qual os resíduos são incinerados sem nenhum tipo de triagem prévia, estes valores estimados anteriormente poderiam ser significativamente maiores, e existiriam problemas sérios associados aos equipamentos involucrados no processo.
Conclusões
A partir da obtenção dos valores de PCS e seus respectivos teores de cinzas de cada categoria combustível de RSU do município de Santo André foi possível determinar o índice de escória de cada categoria utilizando modelos disponíveis na literatura. Pelos resultados exibidos, existem certezas de formação de escórias durante a combustão de resíduos. A categoria de matéria orgânica devido a suas características combustíveis apresentadas neste trabalho, deve ter uma maior precaução e atenção no seu comportamento quando submetida a processos termoquímicos como a incineração, já que pode danificar seriamente os equipamentos que constituem o sistema de combustão.
Agradecimentos
Esta pesquisa foi apoiada Pela Agência Nacional de Energia Elétrica-ANEEL (processo PD-0553-002/2012), Petróleo Brasileiro S.A.- PETROBRAS, Universidade Federal do ABC-UFABC, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo- FAPESP (processo nº 2011/51902-9) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior-CAPES. Os autores agradecem à empresa Serviço de Saneamento Ambiental de Santo André – SEMASA por permitir que esta pesquisa ocorresse em suas instalações.
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