análise ambiental da queima de lodo em caldeira a grelha

análise ambiental da queima de lodo em caldeira a grelha

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Análise Ambiental da Queima do Lodo Primário da Estação de Tratamento de Efluentes em Caldeira a Grelha.

HAROLDO MARINHO DOS REIS Escola SENAI “Theobaldo De Nigris” – Departamento de Celulose e Papel – São Paulo

JULIO CEZAR FERREIRA MACEDO UNINOVE – Universidade Nove de Julho – Departamento de Ciências Exatas - São Paulo

ROGÉRIO JOSÉ DA SILVA UNIFEI – Universidade Federal de Itajubá – Instituto de Engenharia Mecânica - Itajubá – MG

A falta de espaço físico para disposição dos resíduos gerados no tratamento de efluentes é um dos maiores problemas da indústria de papel e celulose. O resíduo primário representa cerca de 2% da produção total de celulose e papel, sendo sua composição formada por fibras celulósicas e materiais de natureza inorgânica. A queima deste resíduo se faz interessante devido à indústria papeleira necessitar de um grande consumo de energia para os seus processos, principalmente na geração de vapor, utilizando em sua matriz energética a queima de licor preto, resíduos de madeira, óleo combustível e gás natural. Devido ao seu alto teor de umidade de aproximadamente 60%, e de seu baixo poder calorífico, em torno de 4500KJ/kg, o resíduo primário poderia substituir parcialmente o consumo de óleo combustível utilizado para queima conjunta em uma caldeira de queima de biomassa, utilizando a tecnologia de grelha rotativa. Os benefícios ambientais desta possibilidade de queima seriam a diminuições da quantidade de resíduos enviada para a deposição e o consequentemente aumento da vida útil do aterro industrial e a diminuição do SOx emitido pelo óleo combustível. Haveria ainda a diminuição dos custos com o manuseio do aterro industrial e com a compra de combustível, bem como na preparação para queima (armazenamento, aquecimento e bombeamento). Este trabalho apresenta uma análise térmica realizada utilizando a Primeira Lei da Termodinâmica, no qual é feita a substituição da energia fornecida através da combustão do óleo combustível pela energia fornecida pela queima do lodo primário. A análise ambiental avaliou as emissões provenientes da combustão na caldeira com e sem a introdução deste resíduo, comparando-as com os padrões vigentes nas normas brasileiras, e avaliando a possibilidade de queima dentro dos padrões ambientais estabelecidos.

Palavras-chave: Papel e Celulose; Resíduos Industriais; Destruição Térmica; Análise Ambiental.

No atual momento de conscientização ambiental, a utilização de resíduos derivados dos processos produtivos torna-se um dos alvos para a indústria brasileira e mundial. Os processos de fabricação de papel e celulose produzem alguns resíduos que não são reaproveitados, de tal modo que estes resíduos são depositados em aterros industriais. Um destes resíduos é o lodo gerado no processo primário de separação de sólidos suspensos que faz parte do efluente industrial, sendo este o resíduo mais representativo em volume a ocupar o aterro. Este material é constituído basicamente de fibras degradadas durante a produção, juntamente com material inorgânico.

Do aterro industrial é emitido gás metano (CH4) produzido pela decomposição do resíduo enterrado na ausência de oxigênio, que possui um potencial vinte e cinco vezes maior que o dióxido de carbono (CO2) de causar danos ambientais por efeito estufa (Schnelle, 2001).

A indústria papeleira é uma das mais importantes no cenário mundial. E seus processos produtivos consomem grande quantidade de energia, se tornando em um dos maiores consumidores de energia do Brasil. A queima de subprodutos do processo, como licor preto e resíduos florestais contribuem para minimizar a dependência de combustíveis fósseis, como gás natural e óleo combustível. O uso de resíduos primários, além de diminuir a deposição em aterros, também auxilia na diminuição do consumo de combustíveis principais.

O panorama de produção do resíduo primário é exemplificado pelo consumo brasileiro e mundial de papel e celulose, pois de 1,5 a 3,0 % do total de papel e celulose produzidos são perdidos no processo, permanecendo em suspensão junto ao efluente da fábrica.

Segundo a BRACELPA (2009), em 2008 o Brasil subiu do sexto para o quarto lugar entre os produtores mundiais de celulose, com 12,7 milhões de toneladas produzidas, e passou do 12º para o 11º lugar entre os principais fabricantes de papel do mundo, com a marca de 9,4 milhões de toneladas. Além disso, registrou aumento de 5% no consumo per capita de papel, que passou de 4,0 kg/hab para 46 kg/hab.

Em 2008, os principais mercados para exportação de celulose brasileira foram a Europa (51,6%), China (17,6%) e América do Norte (20,2%). No segmento de papel, os principais mercados foram: América Latina (61%), Europa (14,7%) e América do Norte (12,3%).

Cada papel pode ser produzido através de vários processos diferentes, por exemplo, papel de imprimir pode ser feito através de vários tipos de polpação, como mecânica, semi-mecânica, termomecânica, quimiotermomecânica, sulfato e sulfito. Os processos de obtenção da polpa e do papel consistem de muitos estágios, além disso, os materiais fibrosos necessitam para a sua fabricação de diferentes produtos químicos, uma grande quantidade de água e energia na forma de vapor, consumo de vários combustíveis e grande quantidade de energia elétrica (IPPCEU, 2001).

A substituição do óleo combustível também oferece contribuições significativas na ordem ambiental, pois diminuem a emissão de SOx, derivados do enxofre contido na composição do combustível fóssil. No âmbito econômico a queima do lodo reduz os custos de produção, pois com a diminuição da deposição do resíduo, haveria a diminuição da quantidade de mão-de-obra e maquinário que trabalham diretamente nos aterros, bem como a redução do custo pela compra e operação com o óleo combustível.

Por ter alto teor de umidade (aproximadamente 60%) e baixo poder calorífico (4500kJ/kg), a queima não se mantém sem um combustível auxiliar, no caso, utiliza-se cavacos de madeira como combustível principal e pequena parcela de óleo combustível como piloto. A análise ambiental quantifica os poluentes emitidos contidos nos combustíveis, bem como confronta com os parâmetros legais oferecidos pelo órgão federal (CONAMA, 2002).

O estudo foi efetuado na caldeira de queima de biomassa da empresa Suzano Papel e Celulose, situada na cidade de Suzano.

O lodo de efluente é o material retirado do efluente líquido derivado do processo produtivo da fabricação de polpa celulósica e da formação da folha de papel. Existem em uma fábrica integrada de papel e celulose quatro principais fontes de formação deste resíduo.

O processo de branqueamento da polpa celulósica. O processo de refinação das fibras para formação da folha de papel.

O processo de formação da folha de papel.

O processo de produção das fibras derivadas de reciclagens.

Processo de Fabricação de Polpa No processo de cozimento há a separação dos constituintes formadores dos cavacos de madeira, que são a celulose, a hemicelulose e a lignina, através da oxidação utilizando soda caustica e oxigênio. Após esta separação esta polpa é bombeada para um tambor lavador ou mesa plana de lavagem, onde a polpa recebe água fresca que faz a solubilização da lignina oxidada, gerando o licor preto de concentração 15 %.

No processo de lavagem ocorrem perdas de fibras celulósicas que se deterioram ao longo da oxidação, estas fibras são separadas do licor preto através de filtragem em filtros com malha mais fina. Estas fibras não podem ser reutilizadas no processo devido a terem o comprimento menor que o adequado para fabricação da folha de papel, neste caso o papel irá ter uma resistência ao rasgo muito baixa. A oxidação da lignina remanescente nas fibras é feita na planta de branqueamento químico, utilizando vários estágios, através de agentes oxidantes como: dióxido de cloro (ClO2), peróxido de hidrogênio (H2O2), oxigênio (O2), ozônio (O3).

Há perda de fibras neste processo, pois os produtos utilizados para quebra da cadeia de lignina também afetam a celulose, as fibras degradadas saem na forma de suspensão junto com a lignina que foi oxidada e solubilizada pela água de lavagem. Esta água forma o efluente ácido e alcalino lançado, diretamente para a estação de tratamento de efluentes, infelizmente este descarte não pode ser reutilizado, devido a sua cor, excesso de fibras degradadas, DQO e DBO elevadas (Rezende et al., 2000).

Processo de Refinação das Fibras Devido ao processo de refinamento, que é a adequação da fibra para formação da folha de papel, ocorre uma degradação mecânica, onde acaba levando ao rompimento da celulose (diminuição do tamanho), afetando no processo. As fibras são estruturas compostas de fibrilas de celulose com orientação particular, estas fibrilas são compostas de cristalitos de celulose dispostos em posição paralela ao comprimento da fibrila. Quando imersas em água ou em uma atmosfera saturada de vapor d’água, uma quantidade de água é absorvida por todas as superfícies cristalinas expostas, acontecendo, assim, a hidratação. Isto diminui a atração de uma fibrila por outra e permite que uma quantidade adicional de água entre na estrutura pelos espaços existentes entre os cristalinos e as fibrilas, produzindo então o inchamento. Com o refino e o inchamento, superfícies que antes ficavam dentro da celulose ficam expostas. Quando a folha de papel é formada, sua resistência depende, em grande parte, das ligações formadas entre as fibras. Por causa do aumento da superfície externa, produzido pela refinação, há o aumento do número de contatos e de ligações, ao qual resultam em papel mais resistente.

Portanto no processo de refino as fibras são trituradas e cortadas, formando finos, que são produzidos pelo arranque e triturações das camadas externas das fibras, chegando à porcentagem de finos em torno de 5 % (Thompson et al., 2001).

Processo de Formação das Folhas Em uma máquina de papel, a quantidade de fibras que passa pela tela gira em torno de 5 %.

Apesar de a maioria das fábricas possuírem sistemas avançados de recuperação de fibras, uma pequena porcentagem destas fibras irá contaminar o efluente fabril. Esta contaminação se deve grandemente a impossibilidade de fechamento do circuito da água branca (água com fibras), havendo a necessidade de descartar uma pequena parte e completar o restante com água fresca. Este descarte é feito para evitar problemas de resinas e lodo, pois um sistema completamente fechado é propicio para proliferação de bactérias do lodo, este pode soltar-se e penetrar na massa, formando no papel furos e outros defeitos inaceitáveis (Thompson et al., 2001).

Processo de Reciclagem de Aparas O processo de reciclagem começa nos desagregadores que eliminam as impurezas e formam uma suspensão com as fibras usadas, porém os desagregadores funcionam com atrito entre as pás dos agitadores e a parede do tanque. Além das forças de cisalhamento e impacto, haverá uma força de fricção, com que gerará desgaste mecânico nas fibras rompendo em seu comprimento. Novamente todas estas fibras degradadas serão lançadas no efluente da fábrica, sendo removidas no tratamento primário.

Assim sendo, podemos afirmar que o resíduo presente no efluente de uma estação de tratamento de papel e celulose é constituído basicamente de celulose degradada, ou seja, fibras que sofreram uma redução do seu tamanho nos processos de oxidação química, remoção da lignina e da refinação e desagregação mecânica (Thompson et al., 2001).

Biomassa é o termo para material orgânico, ambos acima e abaixo da terra, e ambas estando viva ou morta, como árvores, plantações, gramas e raízes. Os tipos de biomassas usadas para geração de energia incluem árvores como pinus e eucalipto; resíduos de madeira como galhos, folhas, raízes; resíduos de colheitas como casca de arroz e casca de amendoim: resíduos agroindustriais como lignina e bagaço de cana-de-açúcar; resíduos de efluentes como lodo de estação de efluentes industriais e resíduos domésticos. Esta diversidade e a pronta produção fazem a biomassa um forte complemento para combustíveis e também como queima principal na maioria de fontes de geração de energia do futuro ao redor do mundo (Zevenhoven, 2001). Generalizando biomassa é toda matéria vegetal gerada através da fotossíntese e os seus derivados (Lora, 2003).

Nos dias atuais, grande parte dos países patrocina pesquisas com biomassa, o interesse em bioenergia varia de país para país, porém todos concordam que o combustível fóssil é finito, outras formas de energia se tornam caras ou de difícil acesso, cito o exemplo das hidrelétricas e de usinas nucleares, assim sendo, para o desenvolvimento continuo e sustentável, há necessidade de pesquisas em energias renováveis, principalmente com o uso e da biomassa. Ainda tem-se ganhos sensíveis na redução de emissões gasosas, especialmente CO2 (dióxido de carbono), principal causador do efeito estufa, produzido por combustão de combustíveis tradicionais e a redução da quantidade de resíduos, tanto domésticos e municipais como industriais, depositados em aterros.

O estoque estimado de biomassa atualmente no mundo é superior aos estoques de petróleo, gás natural e carvão, juntos. Porém, o ritmo de corte é superior ao de cultivo, não havendo em muitos lugares tempo suficiente de regeneração desse combustível. Por outro lado em países desenvolvidos, onde a demanda de florestas nativas se encontra em um ponto crítico, a alternativa para aumentar a produção de energia através de biomassa é o uso de resíduos particulares, leiam-se resíduos industriais.

Aos fluxos de energia derivados de biomassa são associados os biocombustíveis que podem ser apresentados em grupos diferentes (Lora, 2003).

Combustíveis diretos da madeira são madeiras produzidas para fins energéticos, usados diretamente ou indiretamente como combustíveis.

Combustíveis indiretos da madeira incluem biocombustíveis sólidos, líquidos, ou gasosos, subprodutos da exploração florestal e resultante do processamento industrial da madeira para fins não energéticos.

Combustíveis de madeira recuperada, madeira usada diretamente ou indiretamente como combustível, vinda de atividades sócio-econômicas que empregam produtos de origem florestal.

Combustíveis não florestais de plantações energéticas são combustíveis sólidos e líquidos produzidos a partir de plantações anuais, como exemplo o álcool da cana-deaçúcar.

Combustíveis não florestais de subprodutos agrícolas, principalmente resíduos de colheitas e outros tipos de subprodutos de culturas, como palhas e folhas.

Combustíveis não florestais subprodutos animais, sendo esterco de aves, bovinos e suínos.

Combustíveis não florestais de subprodutos agroindustriais, basicamente subprodutos de agroindustriais, como bagaço de cana, licor preto e casca de arroz.

Combustíveis de resíduos urbanos são resíduos sólidos, líquidos gerados em cidades.

A base energética utilizada na Suzano Papel e Celulose consistem de cerca de 52 % da queima do licor preto, 32 % da queima de gás natural e 12 % da queima de cavacos de eucalipto e 4 % da queima de óleo combustível, conforme gráfico 5.1.

452licor preto gás natural óleo combustível cavacos de eucalipto

Gráfico 1: Divisão por combustível na Suzano Papel e Celulose (%) Fonte Suzano Papel e Celulose, 2005.

Estas porcentagens variam de acordo com a disponibilidade destes combustíveis no parque fabril e a situação econômica de combustíveis fósseis no mercado. Na caldeira de biomassa são utilizados como combustíveis o óleo combustível e os cavacos de madeira.

Óleo Combustível Óleo combustível de baixo ponto de fulgor é outro combustível utilizado nas indústrias de celulose e papel, vem sendo substituído nos últimos anos por alternativas mais baratas e limpas no âmbito ecológico. O óleo combustível é uma fração da refinação do petróleo, um produto fóssil, não renovável, possui alto teor de enxofre, produzindo produtos poluentes em sua queima e também ácidos, aumentando o custo com manutenção e o custo com equipamentos de controle ambiental (Petrobras, 2006). Necessitam de grande logística de transporte, estocagem e manuseio. Se tornou a opção mais cara no processo fabril, apesar de possuir poder calorífico maior comparado ao gás natural, seu rendimento fica menor devido às perdas energéticas da queima (exergia do combustível).

Cavacos de Madeira O cavaco de madeira de eucalipto ou madeira de energia vem tomando espaço dos combustíveis fósseis, primeiramente ao seu custo ser bem menor do que ao do gás natural e do óleo combustível, e por outro lado como é um combustível renovável tem-se garantia de fornecimento. Na indústria de celulose e papel a madeira energética acaba sendo um subproduto, galhos e madeiras menos nobres, do corte da árvore de eucalipto, se não for utilizada na caldeira de biomassa, estaria ocupando espaço de plantio nas fazendas de cultivo.

A geração de energia por cavacos torna a queima mais limpa, pois não possuem compostos formadores de poluentes como enxofre e nitrogênio, e ainda as suas cinzas geradas são reaproveitadas como adubo nas próprias fazendas, então o maior equipamento de controle de poluentes é aquele que retém particulados. Não necessita de tratamento prévio e a logística necessária é somente a de transporte das fazendas para o pátio de estocagem da fábrica. Como desvantagens o cavaco de eucalipto possui um teor de umidade mediano, cerca de 50 %, possuindo um poder calorífico bem menor quando relacionado com os combustíveis fósseis.

Outro problema que vem se acentuando nos últimos tempos é a disponibilidade de cavacos de energia. Devido às melhorias genéticas efetuadas nas mudas de eucalipto, as árvores originadas destas apresentam pouca formação de galhos e nós, aumentando o rendimento da polpação, porém diminuindo o fornecimento de material para queima na caldeira. A saída encontrada pelas grandes e pequenas indústrias é comprar madeira energética (restos de pallets, madeira de construção, cavacos de pinus, briquetes, etc.), mesmo continuando a ser bem mais barato que o gás natural e o óleo combustível, acabam onerando o custo do produto final. Com o aumento da demanda e variações no clima (por exemplo, quando se tem período de chuva forte, há diminuição no fornecimento, devido à falta de condições de transporte) determina em alguns meses a falta do produto no mercado, afetando a disponibilidade do combustível.

A caldeira na qual foi desenvolvido o estudo possuí o modelo SF 60.0-20.1-23.4, construída sob licença da Mitsubishi Inc. pela Zanini S/A Equipamentos Pesados, é do tipo aquatubular, de convecção natural com dois tubulões interligados por um feixe de tubos, com fornalha formada por quatro paredes de tubos de água operando em depressão. O piso é formado por duas grelhas rotativas para queima de cavacos, possuindo três passes de superaquecedores, com superfície de troca térmica de 3375 m2 .

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