NÉLIA ALVES DE PAULA

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UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO – UNAERP CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, NATURAIS E TECNOLOGIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL

NÉLIA ALVES DE PAULA

AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE VINHAÇA COMO LÍQUIDO EM LAVADORES DE GASES

RIBEIRÃO PRETO 2010

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UNIVERSIDADE DE RIBEIRÃO PRETO – UNAERP CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, NATURAIS E TECNOLOGIAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL

NÉLIA ALVES DE PAULA

AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE VINHAÇA COMO LÍQUIDO EM LAVADORES DE GASES

Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação para obtenção do Título de Mestre em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto.

Orientador: Prof. Dr. Murilo D. de Mello Innocentini

RIBEIRÃO PRETO 2010

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Ficha catalográfica preparada pelo Centro de Processamento Técnico da Biblioteca Central da UNAERP - Universidade de Ribeirão Preto -

P324a

Paula, Nélia Alves de, 1985 Avaliação da utilização de vinhaça como líquido e lavadores de gases / Nélia Alves de Paula. - - Ribeirão Preto, 2011. 126 f.: il. color. Orientador: Prof. Dr. Murilo Daniel de Mello Innocentini. Dissertação (mestrado) - Universidade de Ribeirão Preto, UNAERP, Tecnologia ambiental. Ribeirão Preto, 2011.

1. Tecnologia ambiental. 2. Etanol. 3. Vinhaça. 4.

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NÉLIA ALVES DE PAULA

AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE VINHAÇA COMO LÍQUIDO EM LAVADORES DE GASES

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação para obtenção do Título de Mestre em Tecnologia Ambiental da Universidade de Ribeirão Preto.

Área de concentração: Tecnologia Ambiental Data da defesa: 27/09/2010 Resultado:

Banca Examinadora

___________________________________________________ Prof. Dr. José Antonio Silveira Gonçalves Universidade Federal de São Carlos

___________________________________________________ Prof. Dr. Murilo Daniel de Mello Innocentini Universidade de Ribeirão Preto

___________________________________________________ Profa. Dra. Maristela Silva Martinez Universidade de Ribeirão Preto

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos que colaboraram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho. Em especial aos amigos da Usina São Martinho, que abriram as portas para que eu pudesse coletar o material necessário para os experimentos e sempre estiveram dispostos a me ajudar. Aos meus colegas de trabalho da Empral e Sucrana, por acreditarem na minha capacidade e por me ajudarem a cumprir esta meta. Em destaque gostaria de agradecer aos meus pais pelo suporte financeiro e emocional, ao meu irmão pelo companheirismo e paciência e aos demais familiares que sempre torceram pela minha vitória. Aos professores, estagiários e funcionários da UNAERP. O meu muito obrigado ao meu orientador Murilo, pela paciência e por todo o conhecimento compartilhado ao longo do trabalho. Às professoras Luciana, Maristela e Márcia que sempre acreditaram no meu potencial. À Norma e a Dona Ivone, que me acompanham desde os tempos de graduação e compartilharam comigo bons e maus momentos no Bloco D. Ao José Guilherme, que me auxiliou em alguns ensaios e sempre esteve disposto a me ajudar. À professora Cristina e aos seus estagiários que disponibilizaram os recursos do Laboratório de Recursos Hídricos para a realização das análises e pacientemente me auxiliaram. Aos meus amigos que sempre estiveram ao meu lado dando força para que eu seguisse em frente e enfrentasse cada desafio com perseverança e motivação. A todas as pessoas que passaram por minha vida neste momento e que colaboraram para que pudesse conseguir buscar os meus sonhos.

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RESUMO A crescente demanda por biocombustíveis acelerou a produção de etanol no Brasil, que resulta em um aumento na produção de vinhaça, resíduo altamente poluente e corrosivo proveniente da destilação. A proposta deste trabalho é utilizar a vinhaça como líquido em lavadores de gases, pois este equipamento de controle de poluição atmosférica requer uma grande quantidade de água que pode ser suprida pela vinhaça. O efluente gerado pode ser utilizado diretamente como fertilizante ou tratado para remoção da fuligem coletada, sendo a água reutilizada no processo para usos menos nobres e a fuligem destinada a lavoura de cana. Foi feito um balanço de massa para uma destilaria utilizando a vinhaça como líquido no lavador de gases, projetou-se um lavador de gases após várias simulações dos principais parâmetros de projeto, realizou-se ensaios de evaporação de vinhaça in natura e tratada físicoquimicamente com Ca(OH)2 para verificar a possível emissão de material volátel e realizou-se ensaios de sedimentação utilizando o hidróxido de cálcio para projetar sedimentadores para o tratamento da vinhaça. Concluiu-se que para o volume de gases calculado a vazão de vinhaça gerada não foi suficiente, sendo necessária a recirculação de parte dela. Houve um arraste de DQO com a evaporação de vinhaça, que gerou a necessidade de um tratamento prévio antes da entrada deste líquido no lavador de gases ou a utilização de um condensador para coleta dos vapores emitidos. Somente o projeto de lavador de gases para uma altura de 7 m e razão líquido-gás de 0,001 m³/m³ excedeu os limites de emissões de material particulado exigido pela legislação brasileira. O projeto de lavador de gases recomendado foi de altura de 15 m e razão líquido-gás de 0,001 m³/m³ devido à menor utilização recirculação de vinhaça. Os sedimentadores projetados através do Método de Roberts apresentaram diâmetros grandes se comparados aos usualmentes encontrados no setor, exceto para concentração de 0,5% de Ca(OH)2. Foi considerada a taxa de evaporação de 4% da vazão de circulação do lavador que representou uma evaporação de vinhaça na faixa de 38 m³/h a 115 m³/h de acordo com a razão líquido-gás utilizada, significando uma redução nos gastos de água de R$ 45.250,00 até R$ 138.700,00 por ano.

Palavras-chave: etanol, vinhaça, lavador de gases, sedimentação, economia de água

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ABSTRACT Growing demand for biofuels has accelerated the production of ethanol in Brazil, which results in an increased production of vinasse, a corrosive and highly polluting waste from the distillation. The purpose of this work is to use vinasse as liquid in wet scrubbers because this equipment to control air pollution requires a large amount of water that can be supplied by vinasse. The effluent can be used directly as fertilizer or treated to remove the soot collected, the water can be reused in the process for uses less noble and soot can be applied in sugarcane fields. It was made a mass balance for a distillery using vinasse as liquid in the wet scrubber, designed a wet scrubber after several simulations of the main design parameters, it was made tests of evaporation of vinasse in natura and physico-chemically treated with Ca(OH)2 to check possible emission of volatile organic compounds and it was made sedimentation using calcium hydroxide to project clarifier for vinasse treatment. It was concluded that for the calculated volume of gases, vinasse flow was not enough, it was necessary to recirculate part of it. There was a carying of COD with the evaporation of vinasse, creating the need of a pretreatment before the entry of the liquid in the wet scrubber or the utilization of a condenser for collecting emited vapours. Only the wet scrubber project for 7 m hight and liquid-gas ration of 0,001 m³/m³ exceeded the limits of particulated material emission required by Brazilian regulamentation. The recommended wet scrubber desing was diameter of 11,92 m, 15 m hight and liquid-gas ration of 0,001 m³/m³ due to lower requeriment of vinasse recirculation. Clarifiers projected by Roberts Methods presented high diameters if they were compared with usual ones instailled, except for the one projected for a concentration of 0,5% de Ca(OH)2. It was considered an evaporation rate of 4% of circulation liquid in wet scrubber that represented vinasse evaporation flow of 38 m³/h up to 115 m³/h, accoding to used liquidgas ration, it meant a water costs reduction of R$ 45.250,00 up to R$ 138.700,00 per year.

Key-words: ethanol, vinasse, wet scrubber, clarification, water economy

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Figura 15 Figura 16 Figura 17 Figura 18 Figura 19 Figura 20 Figura 21 Figura 22 Figura 23 Figura 24 Figura 25 Figura 26 Figura 27 Figura 28 Figura 29 Figura 30 Figura 31 -

Produção brasileira de etanol segundo dados publicados pela ÚNICA em 2009...................................................................................................... Produção brasileira de etanol por região brasileira segundo dados publicados pela ÚNICA em 2009............................................................... Matriz de combustíveis veiculares no ano base 2006................................. Matriz energética brasileira no ano base 2006........................................... Fluxograma simplificado da produção de álcool a partir da cana-deaçúcar.......................................................................................................... Esquema de utilização de água (circuitos abertos) em uma usina sucroalcooleira............................................................................................ Distribuição média dos usos pontuais de água na indústria sucroenergética, situação atual................................................................... Custo da água por região do Brasil no ano de 1999................................... Representação simplificada da geração de resíduos provenientes da produção de etanol..................................................................................... Esquema simplificado de um aparelho de destilação destacando a vinhaça........................................................................................................ Classificação dos diversos tipos de materiais em suspensão e seu diâmetro...................................................................................................... Esquema representativo do potencial zeta.................................................. Potencial zeta da vinhaça............................................................................ Representação do gráfico do potencial zeta com as zonas estáveis e instáveis...................................................................................................... Processo de coagulação e floculação.......................................................... Caldeira de biomassa e lavador de gases.................................................... Distribuição granulométrica discreta da fuligem originada da queima do bagaço......................................................................................................... Distribuição granulométrica do material particulado proveniente da queima do bagaço de cana-de-açúcar......................................................... Mecanismo de coleta de partículas em um lavador de gases..................... Principais tipos de lavadores de gases........................................................ Caldeiras analisadas pela CETESB e comparadas à resolução do CONAMA nº 382....................................................................................... Emissão de material particulado de 34 caldeiras com potência superior a 75 MW........................................................................................................ Curva de sedimentação............................................................................... Representação do balanço de massa no sedimentador............................... Curva de decantação típica do método de Kynch....................................... Gráficos típicos do método de Roberts....................................................... Esquema simplificado da alternativa de uso de vinhaça in natura no lavador de gases.......................................................................................... Sistema de rotaevaporação utilizado nos ensaios....................................... Fluxograma do processo com resultados do balanço de massa.................. Variação da eficiência fracionária em relação à variação da altura do lavador de gases para uma razão líquido-gás fixa em 0,001 m³/m³............ Variação da eficiência fracionária em relação à variação da altura do lavador de gases para uma razão líquido-gás fixa em 0,002 m³/m³............

18 18 19 20 21 23 26 29 30 31 35 36 37 37 46 50 53 55 57 58 62 63 65 66 66 67 68 89 102 104 104

8

Figura 32 - Variação da eficiência fracionária em relação à variação da altura do lavador de gases para uma razão líquido-gás fixa em 0,003 m³/m³............ Figura 33 - Concentração de saída de fuligem de cada simulação realizada no estudo.......................................................................................................... Figura 34 - Variação do diâmetro em função da velocidade do gás de combustão...... Figura 35 - Variação de DQO na água condensada evaporada da vinhaça bruta e tratada físico-quimicamente para cada alíquota retirada............................ Figura 36 - Variação de pH da água condensada da vinhaça evaporada...................... Figura 37 - Sedimentação com concentração de 0,5% de Ca(OH)2.............................. Figura 38 - Sedimentação com concentração de 1,0% de Ca(OH)2.............................. Figura 39 - Sedimentação com concentração de 1,5% de Ca(OH)2.............................. Figura 40 - Sedimentação com concentração de 2,0% de Ca(OH)2.............................. Figura 41 - Vista em corta de uma caixa de sedimentação de água de lavagem de fuligem........................................................................................................ Figura 42 - Foto de uma caixa de sedimentação de água de lavagem de fuligem........ Figura 43 - Foto de um sistema de tratamento de água de fuligem composto por peneira rotativa, sedimentador e filtro prensa............................................ Figura 44 - Esquema simplificado de um cush-cush para tratamento de água de fuligem........................................................................................................

105 106 107 109 110 111 111 112 112 115 116 116 117

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LISTA DE TABELAS Tabela 1 Tabela 2 Tabela 3 Tabela 4 Tabela 5 Tabela 6 Tabela 7 Tabela 8 Tabela 9 Tabela 10 Tabela 11 Tabela 12 Tabela 13 Tabela 14 Tabela 15 Tabela 16 Tabela 17 Tabela 18 Tabela 19 Tabela 20 Tabela 21 Tabela 22 Tabela 23 Tabela 24 Tabela 25 Tabela 26 Tabela 27 Tabela 28 Tabela 29 Tabela 30 Tabela 31 Tabela 32 Tabela 33 -

Fatores de conversão de ART em etanol.................................................... Usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de açúcar e álcool no ano de 1995 e atual....................................................... Caracterização físico-química da vinhaça.................................................. Propriedades da vinhaça em base seca....................................................... Taxa de produção de vinhaça pura (sem flegmaça)................................... Formas de utilização da vinhaça concentrada............................................ Coagulantes e floculantes usuais................................................................ Reduções alcançadas com 2,5% de Ca(OH)2............................................. Ar e gases de combustão para queima estequiométrica do bagaço de cana............................................................................................................. Distribuição granulométrica acumulada da fuligem proveniente da queima do bagaço....................................................................................... Distribuição granulométrica do material particulado proveniente da queima do bagaço de cana-de-açúcar......................................................... Composição elementar do bagaço em base seca........................................ Mecanismos de coleta de partículas em um lavador.................................. Modelo de lavador de gases e parâmetros de operação............................. Recomendações para projeto de lavadores do tipo torre de aspersão........ Limites de emissão para poluentes atmosféricos....................................... Resultados do balanço de massa realizado para produção de vinhaça e etanol.......................................................................................................... Resultados do balanço de massa realizado para geração de vapor............. Resultado do balanço de massa realizado para o lavador de gases............ Fração mássica e vazão mássica de cada componente presente no ar de combustão................................................................................................... Composição mássica do bagaço em base úmida........................................ Vazão mássica de cada componente do bagaço......................................... Vazões mássicas dos componentes dos gases de combustão..................... Frações mássicas dos componentes dos gases de combustão.................... Resultados do balanço de massa para a corrente gasosa no lavador de gases........................................................................................................... Vazão de vinhaça evaporada e economia de água de reposição................ Parâmetros utilizados para os cálculos do projeto do lavador de gases tipo torre de aspersão.................................................................................. Descrição das simulações efetuadas........................................................... Descrição das amostras de água evaporada para análises de DQO e pH............................................................................................................... Descrição das amostras de água evaporada de vinhaça tratada com hidróxido de cálcio..................................................................................... Resultado do dimensionamento dos sedimentadores................................. Operação das caixas de sedimentação para água de lavagem de fuligem....................................................................................................... Parâmetros e resultados para o dimensionamento das caixas de sedimentação..............................................................................................

22 26 33 34 35 41 45 47 51 53 54 56 57 59 60 61 95 96 97 98 98 99 99 100 100 101 102 103 108 109 113 114 115

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ALCOPAR ART CETESB CTC DBO DQO EMBRAPA ETE IBGE INPM IPT MME MP PAC PASP PCTS PEAD SBR UASB UDOP UNICA CONAMA

- Associação de Produtores de Álcool e Açúcar do Estado do Paraná - Açúcares Redutores Totais - Companhia Ambiental do Estado de São Paulo - Centro de Tecnologia Canavieira - Demanda Bioquímica de Oxigênio - Demanda Química de Oxigênio - Empresa Brasileira de Agricultura e Pecuária - Estação de Tratamento de Efluentes - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - Instituto Nacional de Pesos e Medidas - Instituto de Pesquisas Tecnológicas - Ministério de Minas e Energia - Material Particulado - Policloreto de alumínio - Ácido poliaspártico - Pagamento de Cana por Tonelada de Sacarose - Polietileno de Alta Densidade - Reator batelada de lodo ativado - Reator anaeróbico de fluxo descendente - União dos produtores de bioenergia - União da Indústria de Cana-de-açúcar - Conselho Nacional do Meio Ambiente

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LISTA DE SÍMBOLOS AR Ca Cc Ce Ce Ceb Cev Cfv Co Dgota DL dp dpi Evap Fc g Gai Gao Ggi Ggo Gi Go H HAi HAo Kpi MMC MMCO2 MMg MMH2 MMH2O MMN2 MMO2 MMS MMSO2 P P1 P2 PCI Po Pol Polb Q1 Q2 Qa Qar Qe Qet

Açúcares redutores Concentração de partículas na suspensão Concentração da suspensão na zona limite Concentração de fuligem na CNTP Concentração de partículas na suspensão espessada Consumo específico de bagaço na caldeira Consumo específico de vapor Concentração de fuligem na vinhaça Concentração da suspensão no instante inicial Diâmetro da gota gerada no bico atomizador Diâmetro do lavador cilíndrico Diâmetro médio da partícula Diâmetro da partícula i Vazão mássica de água evaporada no lavador de gases Teor de fibra na cana Aceleração da gravidade Vazão mássica de umidade na entrada do lavador de gases Vazão mássica de umidade na saída do lavador de gases Vazão mássica de gás seco na entrada do lavador de gases Vazão mássica de gás seco na saída do lavador de gases Vazão mássica de gás úmido na entrada do lavador de gases Vazão mássica de gás úmido na saída do lavador de gases Altura do lavador Umidade absoluta do ar na entrada do lavador de gases Umidade absoluta do ar na saída do lavador de gases Parâmetro de impactação Massa molar de carbono Massa molar de gás carbônico Massa molar do componete i do bagaço presente no gás de combustão Massa molar de hidrogênio Massa molar água Massa molar de nitrogênio Massa molar de oxigênio Massa molar de enxofre Massa molar dióxido de enxofre Pressão atmosférica Pressão do ar/gás na CNTP Pressão do ar/gás na condição real Poder calorífico inferior do bagaço Potência da caldeira instalada Polarização (sacarose aparente) Quantidade de pol presente no bagaço Vazão do ar/gás na CNTP Vazão do ar/gás na condição real Vazão volumétrica da suspensão na alimentação Vazão volumétrica de ar de combustão Vazão volumétrica de suspensão espessada Vazão volumétrica de etanol

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Qg Qv R Rep RLG RVA Smin T1 Tg Tv u Ub uc vg vt Wai War War WART Wb Wbc Wbi Wc WC WCO2 We Wei Wf Wg Wgi WH2 WH2O WH2O B WH2O T wi WN2 WO2 WO2CC WO2e WO2s WS Ws Wsi WSO2 WT Wvp xai Xai

Vazão volumétrica de gases de combustão Vazão volumétrica de vinhaça Constante universal dos gases Número de Reynolds da partícula Razão líquido-gás Razão vinhaça-álcool Área mínima do sedimentador Temperatura do ar/gás na CNTP Temperatura dos gases de combustão Temperatura da vinhaça na entrada do lavador de gases Velocidade de decantação na zona limite Umidade do bagaço gerado Velocidade no instante crítico Velocidade de ascensão do gás no lavador Velocidade terminal da gota Vazão mássica do componente i presente no ar Vazão mássica de ar de combustão Vazão mássica de ar para combustão Vazão mássica de ART Vazão mássica de bagaço gerada na extração de caldo Vazão mássica de bagaço para alimentar a caldeira Vazão mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão Vazão de cana na entrada da moenda Vazão mássica de carbono Vazão mássica de gás carbônico Vazão mássica de partículas na entrada do lavador de gases Vazão mássica de partículas na entrada com diâmetro dpi Vazão mássica de fuligem gerada na combustão Vazão mássica de gases de combustão Vazão mássica do componente i presente nos gases de combustão Vazão mássica de hidrogênio Vazão mássica de água gerada pela reação de combustão Vazão mássica de água presente no bagaço Vazão mássica total de água nos gases de combustão Distribuição granulométrica em massa Vazão mássica de nitrogênio Vazão mássica de oxigênio presente no bagaço Vazão mássica de oxigênio consumido na combustão completa Vazão mássica de oxigênio estequeométrica Vazão mássica de oxigênio na saída dos gases de combustão Vazão mássica de enxofre Vazão mássica total de partículas na saída do lavador Vazão mássica de partículas na saída com diâmetro dpi Vazão mássica de dióxido de enxofre Vazão mássica total de gases de combustão Vazão mássica de vapor necessário para processo Fração mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão Fração mássica de água presente no gás na entrada do lavador de gases

13

xgi Xi Zc Zic Zo ηi ηi η i* θc ρg ρp ρp ρv ηglobal µg

Fração mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão Fração mássica do componente i presente nos gases de combustão Distância no instante em que a concentração da suspensão está na zona Distância no instante crítico Distância no instante inicial Eficiência fracionária de coleta no lavador Eficiência fracionária de coleta do lavador de gases Eficiência individual de cada gota no lavador Tempo no instante crítico Densidade do gás de combustão Densidade da partícula Densidade da partícula Densidade da vinhaça Eficiência global do lavador de gases Viscosidade do gás

14

SUMÁRIO 1

INTRODUÇÃO.............................................................................................................

15

2

OBJETIVO....................................................................................................................

16

2.1

OBJETIVOS ESPECÍFICOS.........................................................................................

16

3

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................

17

3.1

DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL.................................

20

3.2

NECESSIDADE DE ÁGUA NA INDÚSTRIA DA CANA-DE-AÇÚCAR.................

22

3.3

RESÍDUOS DA PRODUÇÃO DE ETANOL................................................................

30

3.4

CARACTERÍSTICAS DA VINHAÇA..........................................................................

31

3.5

TRATAMENTOS DE VINHAÇA.................................................................................

38

3.6

CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL PARTICULADO PROVENIENTE DA QUEIMA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR....................................................

3.7

TRATAMENTO

DO

MATERIAL

PARTICULADO

PROVENIENTE

49

DA

QUEIMA DE BAGAÇO................................................................................................

55

3.8

SEDIMENTAÇÃO.........................................................................................................

65

3.9

CONSIDERAÇÕES FINAIS.........................................................................................

67

4

MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................

68

4.1

EQUAÇÕES REFERENTES AO BALANÇO DE MASSA.........................................

69

4.2

EQUAÇÕES PARA O DIMENSIONAMENTO DO LAVADOR DE GASES............

81

4.3

ENSAIO DE ROTAEVAPORAÇÃO............................................................................

88

4.3.1

Materiais.........................................................................................................................

89

4.3.2

Procedimento..................................................................................................................

89

4.4

ENSAIO DE SEDIMENTAÇÃO.......................................................................

91

4.4.1

Materiais.........................................................................................................................

91

4.4.2

Procedimento..................................................................................................................

92

4.5

EQUAÇÕES

REFERENTES

AO

DIMENSIONAMENTO

DOS

SEDIMENTADORES....................................................................................................

92

5

RESULTADOS.............................................................................................................

95

5.1

BALANÇO DE MASSA................................................................................................

95

5.2

PROJETO DE LAVADOR DE GASES........................................................................

102

5.3

ENSAIOS DE ROTAEVAPORAÇÃO..........................................................................

107

5.4

PROJETO DOS SEDIMENTADORES.........................................................................

110

6

CONCLUSÕES.............................................................................................................

118

7

RECOMENDAÇÕES...................................................................................................

119

7

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................

121

15

1 INTRODUÇÃO

Os biocombustíveis estão presentes no cotidiano brasileiro há mais de 80 anos. Atualmente, o consumo de etanol supera o de gasolina e a tendência é só aumentar. Isto porque o etanol de cana-de-açúcar apresenta muitas vantagens econômicas, sociais e ambientais em relação ao petróleo e mesmo a outros biocombustíveis. O processo de fabricação de álcool a partir da cana-de-açúcar, como qualquer outro processo industrial, gera resíduos e subprodutos. Dentre os resíduos industriais provenientes da fabricação do álcool, destaca-se a vinhaça, que sempre foi encarada como problema de importância, não só pelo seu potencial poluidor como também pelo volume produzido (10 a 15 litros para cada litro de álcool produzido), que acarreta dificuldades e altos custos no seu manuseio. A vinhaça é utilizada como fertilizante na lavoura sendo disposta no solo. Outra fonte impactante do meio ambiente em um complexo sucroalcooleiro é a queima do bagaço de cana nas caldeiras que gera como principais poluentes: material particulado (MP), monóxido e dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio. Para o controle desta poluição são atualmente utilizados lavadores de gases que removem o material particulado presente nos gases de combustão através do contato direto com um líquido atomizado, geralmente água. Estes equipamentos apresentam alta eficiência para controle da poluição do ar e utilizam em média uma vazão de água correspondente a 1,0 a 1,5 m³água/tvapor, além de contar com uma taxa de reposição devido à evaporação, perdas e arraste de 7,5% do total da água de entrada no lavador de gases. A produção de vapor requerida pelo processo industrial varia de acordo com as operações unitárias existentes no processo produtivo e dos tipos de produtos obtidos (álcool e/açúcar), normalmente em média uma destilaria utiliza 400 kgvapor/tcana. Após a coleta do material particulado, é feito o tratamento da água de lavagem através de sedimentação e a água é recirculada nos equipamentos. Os sólidos sedimentados são dispostos na lavoura. A proposta deste trabalho é a utilização da vinhaça como líquido no lavador de gases objetivando outra alternativa para utilização deste resíduo, para a redução da captação de água e a possível reutilização do líquido após um tratamento físico-químico do efluente gerado (vinhaça + fuligem). Os sólidos removidos podem ser dispostos na lavoura como adubo e o líquido reutilizado no processo industrial ou na irrigação do campo.

16

2 OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo geral analisar a viabilidade técnico-econômica do uso de vinhaça in natura em substituição à água em lavadores de gases.

2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Os objetivos específicos deste trabalho foram:

- Calcular o balanço de massa para o processo proposto; - Projetar um lavador de gases do tipo torre de aspersão; - Avaliar a possível emissão de compostos voláteis a partir da evaporação da vinhaça; - Dimensionar e comparar o tamanho dos sedimentadores para o tratamento físicoquímico da vinhaça com hidróxido de cálcio nas concentrações de 0,5%, 1,0%, 1,5% e 2,0% - Avaliar a viabilidade técnica e a economia do processo.

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3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Nas últimas três décadas, a indústria da cana-de-açúcar recebeu fortes investimentos em ciência e tecnologia, tanto do setor público quanto do privado. Hoje, a cana-de-açúcar é o insumo básico não apenas para o açúcar, mas para uma variedade incrível de produtos com valor agregado, particularmente o etanol que abastece nossos automóveis e ajuda a romper o domínio dos combustíveis fósseis sobre nossa sociedade (JANK, 2008). Segundo o mais recente levantamento do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística – IBGE (2007) há 363 usinas cadastradas no país. O Estado de São Paulo aparece com o maior número, 170, seguido do Paraná, 29, de Pernambuco e Alagoas com 26 usinas cada. Existem projetos para implantação de 90 novas unidades produtoras de álcool no Centro-Sul até o ano de 2010. De acordo com levantamento da União da Indústria de Cana-de-açúcar - UNICA, até o dia 16 de novembro de 2009, as unidades produtoras da principal região canavieira do país, o Centro-Sul, atingiram 471,5 milhões de toneladas de cana processada, 7,5% acima do total no mesmo período da safra anterior. No acumulado desde o início da safra 08/09, as vendas de etanol para o mercado interno atingiram 14,7 bilhões de litros e para o mercado externo chegaram a 2,4 bilhões (UNICA, 2009). Normalmente, no Brasil, a safra da cana-de-açúcar se estende de abril a novembro. A produção de etanol foi crescente em todos os estados produtores de etanol, destacando-se o Estado de São Paulo que além de ser o maior produtor ainda contou com o maior crescimento de produção. O centro-oeste, região em desenvolvimento na produção de etanol, apresenta os mesmos níveis de produções para os Estados de Mato Grosso e Mato Grosso do Sul e um crescente aumento para Goiás, que pode ser justificado pela implantação de indústrias neste estado. Os Estados do Paraná e Minas Gerais apresentam valores de produções próximas, porém houve um maior crescimento de produção no estado mineiro. Baseado nos dados estatísticos publicados pela ÚNICA no ano de 2009, a Figura 1 foi elaborada para ilustrar o crescimento da produção de álcool no Brasil. Os valores apresentados refem-se aos dados coletados até 16/05/2009.

18

1,80E+07

Safra 05/06 Safra 06/07

1,60E+07

Safra 07/08 Safra 08/09 *

Produção de álcool (mil (Millitros) Litros)

1,40E+07

1,20E+07

1,00E+07

8,00E+06

6,00E+06

4,00E+06

2,00E+06

R O

AC R E N D AM ON AZ IA O N AS TO P A R C AN Á T M AR IN AN S H ÃO PI AU Í C E R . G AR .N Á O R T PE PAR E R A IB N AM A BU AL CO AG O SE AS R G IP E M BA IN H ES AS G IA PI ER R IT AI R O S IO SA D N E T JA O N SÃ EI R O O PA U SA LO P N TA AR A C AT N Á AR IN M R .G A A T MA TO .S O G U G R L R O SS OS SO O D O SU L G O IÁ S

0,00E+00

Figura 1. Produção brasileira de etanol por estado. Fonte: ÚNICA, 2009.

A fim de facilitar a visualização da produção brasileira por regiões, estão apresentadas na Figura 2 as duas maiores regiões produtoras de etanol, centro-sul e norte-nordeste, além do total brasileiro de produção de etanol. 30.000.000

Produção etanol (Mil Litros)

25.000.000

20.000.000

15.000.000

10.000.000

5.000.000

0 REGIÃO CENTRO-SUL Safra 04/05

REGIÃO NORTE-NORDESTE Safra 05/06

Safra 06/07

Sasfra 07/08

BRASIL

Safra 08/09

Figura 2. Produção brasileira de etanol por região do Brasil. Fonte: ÚNICA, 2009.

19

Os derivados da cana-de-açúcar, principalmente o etanol, registraram uma grande expansão, destacando o expressivo aumento da participação da cana como fonte de energia. A Figura 3 ilustra a forte participação do etanol como uma das matrizes energéticas brasileiras de combustíveis veiculares de acordo com informações divulgadas pelo Ministério de Minas e Energia (MME) no ano base de 2006. Os derivados do petróleo, no entanto, continuavam a liderar o volume de participação dos combustíveis veículares, fornecendo cerca de três quartos da energia consumida. A demanda por enquanto só cresce, porém com o futuro esgotamento das fontes naturais do chamado “ouro negro”, o planeta não tem mais capacidade de absorver os gases provenientes de sua combustão. O problema ambiental aliado à escassez confere urgência à mudança da matriz energética global, resultando na importância cada vez maior de fontes limpas e renováveis como o etanol. Gasolina 23,3%

Álcool Anidro 8,2%

Álcool Hidratado 13,7%

Diesel 50,9% GNV 3,4%

Biodiesel 0,5%

Figura 3. Matriz de combustíveis veiculares no ano base de 2006. Fonte: MME, 2007.

A "mudança de consciência energética" por que passa o planeta pode ser garantia de futuros mercados ao biocombustível brasileiro, mas ainda não é uma realidade. Atualmente, o Brasil é o único país a utilizar o etanol em larga escala – 20% da frota nacional roda com álcool (Veja on-line, 2009). O Brasil dispõe de recursos naturais abundantes para ampliar as suas potencialidades energéticas a partir das mais distintas fontes, incluindo não-renováveis como petróleo, gás natural e urânio, por exemplo. A combinação equilibrada entre renováveis e não-renováveis é fundamental para a segurança energética. Como é apresentado na Figura 4, o Brasil possui grande potencial hidrelétrico, dispõe também de áreas agricultáveis para expansão sustentável da bioenergia e, simultaneamente, a oferta de alimentos.

20

IMPORTAÇÃO 8,0% GÁS INDUSTRIAL 0,9% BIOMASSA 3,7% HIDRO 77,4%

DERIVADOS DE PETRÓLEO 2,8% CARVÃO MINERAL 1,4% GÁS NATURAL 3,6%

NUCLEAR 2,6%

Figura 4. Matriz energética brasileira no ano base de 2006. Fonte: MME, 2007. A indústria da cana-de-açúcar também pode prover biomassa a partir das folhas de cana, conhecidas como palhiço, e do bagaço gerado durante o processo de produção de açúcar e etanol. A cana pode gerar em média 250 kg de bagaço por tonelada de cana moída e a planta possui 14% de sua massa composta de folhas e pontas que são removidas no momento da colheita. Com o incentivo para a produção de energia a partir da biomassa, o Brasil tem condições concretas de ser líder mundial na produção de energia limpa, mas para isso precisa produzir excedentes significativos para exportar – quase toda a produção de etanol, por exemplo, é para consumo interno.

3.1 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ETANOL

A matéria-prima fundamental da indústria alcooleira no Brasil é a cana-de-açúcar, embora o etanol possa ser produzido a partir de diferentes matérias-primas, tais como amiláceas (mandioca, batata-doce, milho e outros grãos), e celulósicas (madeira e resíduos agrícolas, dentre os quais se destaca o bagaço de cana-de-açúcar). As matérias-primas amiláceas e celulósicas diferem das sacararinas por não possuírem açúcares diretamente fermentescíveis, requerendo uma etapa de conversão dos polímeros de glicose que as constituem em moléculas simples de glicose.

21

Do ponto de vista industrial da fabricação de álcool, a cana-de-açúcar é constituída de fibra e caldo, sendo este último a matéria-prima propriamente dita. A fibra é todo material insolúvel em água e o caldo é composto por todos os componentes solúveis, tais como açúcares, cinzas, materiais nitrogenados e outros. O teor de fibras é um parâmetro importante uma vez que indica a quantidade de bagaço disponível e a dificuldade de extração do caldo (CAMARGO et al., 1990). O processo de produção de álcool é constituído pela colheita, manuseio da matériaprima, extração do caldo, tratamento do caldo, fermentação e destilação apresentado simplificadamente na Figura 5.

Figura 5. Fluxograma simplificado da produção de álcool a partir da cana-de-açúcar.

O manuseio da matéria-prima é composto pela recepção e limpeza de cana-de-açúcar e nesta etapa ocorre a retirada das impurezas minerais e vegetais carregadas do campo. Em seguida há o preparo de cana, feito através de nivelador, picador e desfibrador, que fornece uma cana desfibrada pronta para a extração de caldo nas moendas. O caldo extraído segue para o tratamento que constitui em retirada de impurezas grosseiras através de peneira, regulagem do pH com adição de cal, aquecimento e sedimentação para remoção de impurezas solúveis. O lodo gerado na sedimentação é filtrado para recuperação dos açúcares presentes, sendo o caldo filtrado retornado para o processo e a torta produzida direcionada para lavoura e usada como fertilizante juntamente com outros resíduos. O caldo clarificado segue para a evaporação, constituída somente por um efeito, com o objetivo de aumentar a concentração de açúcar presente no caldo (ºBrix). Este caldo segue para fermentação e pode ser preparado com a adição de mel, proveniente da fabricação de

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açúcar. A partir deste momento é conhecido como mosto, independente de ser somente caldo pré-evaporado ou a mistura de caldo-mel. A fermentação alcoólica é um processo complexo que envolve diversas etapas de transformação dos açúcares do caldo de cana pela ação das leveduras para produzir o vinho que será destilado e formará o álcool. Algumas relações podem ser estabelecidas para o cálculo do etanol a ser produzido através do valor correspondente de açúcares redutores totais (ART) conforme Tabela 1.

Tabela 1 Fatores de conversão de ART em etanol Álcool

Absoluto

Anidro

Hidratado

100,00

99,30

93,00

789,30

791,50

809,80

ART em álcool (L/kg ART)

0,65

0,65

0,68

Sacarose em álcool (L/kg)

0,68

0,68

0,71

Álcool em ART (kg ART)

1,55

1,54

1,47

Álcool em sacarose (kg)

1,47

1,46

1,40

Graus INPM 3

Massa Específica (kg/m )

Fonte: Fernandes, 2003

O bagaço gerado na moenda possui umidade média de 50%, com poder calorífico em torno de 1.800 kcal/kg e é utilizado com o combustível para a geração de vapor. O vapor necessário para atender o processo (aquecimento, força motriz, etc.), normalmente entre 400430 kgvapor/tcana, é obtido através de caldeiras aquatubulares, atualmente de alta pressão (67 bar e 510ºC), com consumo específico de bagaço em torno de 2,2 tvapor/tbagaço (VIOTTI, 2009).

3.2 NECESSIDADE DE ÁGUA NA INDÚSTRIA DA CANA-DE-AÇÚCAR

Há uma visão histórica por parte das entidades ambientais que a agroindústria sucroalcooleira é uma grande consumidora de água, o que realmente era procedente devido aos elevados volumes de captação de água que o setor utilizava no processo industrial. Entretanto, atualmente o setor adotou uma postura focada na conservação e no uso racional da água estabelecendo programas rigorosos de gestão ambiental e de recursos hídricos (ANA, 2009).

23

Há cerca de dez anos eram utilizados sistemas abertos, apresentados na Figura 6, por várias plantas instaladas nas proximidades de grandes cursos d’água sendo a água captada, utilizada no processo e lançada no rio após tratamento em lagoas (decantação, anaeróbia, facultativa e polimento) ou ainda lançada diretamente quando a legislação permitia (águas de resfriamento). Elia Neto (1995) em seu estudo indica que a necessidade de água de uma usina seria de 21m³água/tcana, se os circuitos fossem totalmente abertos. Lavagem de açúcar Preparo de leite de cal Uso geral Embebição Caldeiras Lavagem cana/esteira

Tratamento/Rio

Processo industrial Rio

Resfriamento Colunas barométricas Diluição de méis Preparo de fermento Lavagem de gases

Figura 6. Esquema de utilização de água (circuitos abertos) em uma usina sucroalcooleira.

No processo industrial, o primeiro uso da água é na lavagem de cana e esteira transportadora. Em um primeiro momento, a lavagem de cana operava em circuito fechado através de caixas de sedimentação ou decantadores circulares, em circuito semifechado onde se recicla 2/3 do total, havendo, portanto captação e devolução constantes. O lodo das lagoas é utilizado na fertilização das lavouras, assim como a fração mais suja desta água. Atualmente, as novas unidades estão implantando o sistema de limpeza de cana a seco para evitar as perdas de sacarose e o consumo de água conseqüentes dessa lavagem. O sistema de limpeza de esteiras de cana continua utilizando água, porém em quantidade menor. No setor de extração do caldo e geração de energia utiliza-se água para o resfriamento dos mancais da moenda e dos turbogeradores. Antigamente, este circuito era aberto, porém hoje se utiliza torres de resfriamento que necessitam apenas de água de reposição das perdas do sistema por evaporação e arraste.

24

No setor de concentração do caldo são utilizadas colunas barométricas em substituição aos multijatos para a produção de vácuo, levando à redução de 30% da necessidade de água nesta operação. O fechamento do circuito é realizado há muito tempo através de sistemas de resfriamento por aspersão (spray) ou torres de resfriamento. Algumas unidades optam pela instalação de condensadores evaporativos, nos quais o vácuo nas caixas de evaporação é produzido a partir de uma bomba de vácuo, sendo o vapor condensado em um trocador de calor tubular montando no interior de uma torre de resfriamento. Na destilaria utiliza-se água para o resfriamento dos condensadores das colunas de destilação. Na fermentação, a água é indispensável para manter o mosto no interior da dorna de fermentação resfriado a uma temperatura máxima de 34ºC devido às condições da fermentação alcoólica. O circuito de águas de resfriamento de condensadores da destilaria e das dornas de fermentação passou a ser utilizado em conjunto através do efeito cascata, ou seja, utilizando a água primeiramente nas dornas e posteriormente nos condensadores. Além disso, tornou-se fechado através da utilização de sistemas evaporativos (torres de resfriamento), com a necessidade de água apenas para a reposição das perdas por evaporação e arraste (cerca de 2 a 3% da água em circulação). Para a geração de vapor, é necessário água de alimentação de caldeira com rígidos padrões de qualidade exigidos pelo fornecedor da caldeira. Quanto maior for a pressão de operação do vapor, mais rigoroso será o tratamento da água. Normalmente, a água captada do rio ou poço artesiano passa por um processo de clarificação e floculação com polímeros (policloreto de alumínio – PAC), filtração, desmineralização (por resinas catiônicas, aniônicas e mistas ou por membranas através de osmose reversa) e é finalmente desaerada para remoção dos gases dissolvidos. Este circuito é fechado, pois há a recuperação de todo o condensado de vapor, havendo a necessidade somente de reposição das descargas da caldeira e perdas de vapor/condensado no processo. Para o controle da poluição do ar gerado pela caldeira durante a produção de vapor, é requerido aproximadamente 1,0 a 1,5 m³água/tvapor nos lavadores de gases instalados. De acordo com Carvalho Jr e Lacava (2003) normalmente são utilizados de 1 a 5 litros de água para limpar 4 m³ de gás. O circuito é fechado e conta com um equipamento de separação de fuligem, normalmente sedimentadores, peneiras rotativas ou cush-cush. A água necessária para reposição deste sistema é em torno de 7,5% do total de entrada no lavador de gases (VIOTTI, 2009) (Engeboiler, 2009).

25

Nas caldeiras mais antigas, a limpeza dos cinzeiros é feita com água, sendo esta incorporada no sistema de tratamento da água de fuligem. Embora as caldeiras mais modernas possuam retiradas de cinzas via mecânica com grelhas basculantes e transportadores tipo rosca sem fim, ainda se encontram unidades em que a limpeza da caldeira é feita com a utilização de água continuamente. Pode-se estimar o uso em 0,5m³água/tvapor para o circuito de tratamento do efluente de lavagem de gases na caldeira, uma vez que as águas dos cinzeiros são tratadas conjuntamente (OLIVEIRA, 2009). Os demais usos se referem a águas de limpeza de equipamentos, águas para preparo de produtos, embebição da moenda ou difusor, etc., que podem ser supridos utilizando águas condensadas – a água da cana. A recirculação de água em todos os principais usos e a recuperação de condensado de processo permite levar a necessidade de captação de água para valores em torno de 1m³água/tcana. A redução deste valor exige tratamentos adicionais ou operação com água condensada que pode implicar em risco para os equipamentos como a corrosão. De acordo com o levantamento realizado pela ÚNICA em 2005 nas usinas localizadas no Estado de São Paulo o valor médio para a taxa de captação de água era de 1,83m³água/tcana (OLIVEIRA, 2009). Segundo Oliveira (2009), de 1990 a 2007 mesmo com o crescimento da produção canavieira no período de 124% houve uma redução na demanda de água de 25%, indicando que a indústria sucroalcooleira vem reduzindo efetivamente o uso de água, tanto através da racionalização como pela implementação de novas tecnologias que implicam em menor consumo de água. A CETESB institui como limite de captação de água o valor máximo de 1 m³ de água por tonelada de cana moída por meio da Resolução SMA 88 de 19/12/2008 para novos empreendimentos e ampliações de empreendimentos existentes do setor sucroalcooleiro para áreas consideradas adequadas. Entretanto, este valor reduz para 0,7 m³ de água por tonelada de cana moída para áreas classificadas como adequadas com restrições ambientais. Os usos de água se alteram ao longo do tempo, como pode ser observado em relação à lavagem de cana, que vem diminuindo significativamente com tendência a zerar devido à tecnologia de limpeza a seco (ANA, 2009). De acordo com a Figura 7, os usos pontuais de água para a produção de açúcar e etanol que mais requerem água são os condensadores/ multijatos dos cozedores (setor de fabricação de açúcar) e resfriamento de dornas e caldo (setor de fermentação).

26

Demais 10%

14%

10%

Lavador de gases 5%

Resfriamento dos condensadores Resfriamento de dornas e caldo

16% Condensadores/ Multijato dos cozedores

26%

Condensadores/ Multijato da evaporação

19%

Lavagem de cana

Figura 7. Distribuição média dos usos pontuais de água na indústria sucroenergética, situação atual. Fonte: ANA, 2009.

Na Tabela 2 estão apresentados os valores médios de consumo de água nos diversos setores do processo produtivo de açúcar e álcool para cada etapa do processo em 1995. Enquanto que a Tabela 3 apresenta usos de água atualizados que incluem o uso de vapor como uso de água, o que antes era apenas considerado na produção do vapor na caldeira e não em seus usos intermediários e finais.

Tabela 2 Comparativo entre os usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de açúcar e álcool no ano de 1995 e atual (modificado) Setor

Finalidade

Uso em 1.995

Uso atual

(m³/tc)

(m³/tc)

Alimentação, preparo

Lavagem de cana

5,33

2,200

e extração (moendas

Embebição

0,25

0,250

e difusores)

Resfriamento de mancais

0,15

0,035

-

0,130

Resfriamento de óleo

27

Tabela 2 Comparativo entre os usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de açúcar e álcool no ano de 1995 e atual (modificado) (continuação)

Setor

Finalidade Preparo de leite de cal Resfriamento coluna de sulfitação

Uso em 1.995

Uso atual

(m³/tc)

(m³/tc)

0,03

0,030

0,05

0,050

-

0,008

Embebição dos filtros

0,04

0,03

Condensadores dos filtros

0,3

Preparo de polímero Tratamento de caldo

Aquecimento do caldo – açúcar Aquecimento do caldo - álcool Condensadores/Multijatos evaporação Condensadores/Multijatos cozedores Concentração do

Diluição de méis

caldo

Resfriamento dos cristalizadores Lavagem de açúcar Retentor de pó de açúcar

2,0

4 0,3 0,05 0,005 -

0,3 0,080

0,025 2,25

5,75

0,03 -

0,015 0,20

28

Tabela 2 Comparativo entre os usos médios de água nos diversos setores do processo de produção de açúcar e álcool no ano de 1995 e atual (modificado) (continuação) Setor

Finalidade

Uso médio

Uso atual

(m³/tc)

(m³/tc)

0,5

0,5

Dessuperaquecimento

-

0,015

Geração de vapor e

Lavagem de gases da caldeira

-

1,0

energia

Limpeza dos cinzeiros

-

0,25

Produção de vapor

Fermentação

0,2

Resfriamento do caldo

1,0

1,25

Preparo de mosto

0,001

0,10

Preparo pé-de-cuba

0,001

0,001

Resfriamento de dornas

3,00

3,00

Lavagem de gases da fermentação Destilaria

Resfriamento dos condensadores Limpeza de pisos e

Outros

0,5

Resfriamento turbogeradores

equipamentos Uso potável

-

4,00

0,05 0,03

0,015

3,5

0,05

0,03

Fonte: ELIA NETO, 1995. Fonte: Ana, 2009.

Além do fator ambiental há também o econômico que implica na preocupação com a redução da capitação de água e emissão de efluentes devido à cobrança pelo uso e descarte da água. Os custos visando o reuso de água devem ser comparados com os custos de tratamento de água e de efluentes adicionados das taxas de consumo de água e de lançamento de efluentes. A Figura 8 apresenta os valores médios do custo da água industrial para as diversas regiões do Brasil para o ano de 1999.

29

Figura 8. Custo da água por região do Brasil no ano de 1999. Fonte: Martins & Almeida, 1999.

O custo da água, segundo a Copasa varia de R$ 0,91 a R$1,41/m³ dependendo da faixa da vazão utilizada. Enquanto que a Sabesp apresenta um valor fixo para a faixa de 0 a 10 m³ de R$11,34 e varia de R$ 2,20 a R$4,54 por m³ de acordo com a faixa de vazão. A busca por reuso de efluentes, condensados e outros líquidos geradors no processo industrial é essencial para desenvolver o bom gerenciamento de recursos hídricos e minimizar a capitação, contaminação e gastos relacionados com a água. Por isso a proposta apresentada neste estudo pode contribuir para um melhor aproveitamento dos efluentes gerados no processo.

30

3.3 RESÍDUOS E EFLUENTES DA PRODUÇÃO DE ETANOL

Como qualquer outro processo industrial, a destilaria também gera resíduos que necessitam de controle ambiental. Na Figura 9 está representado o esquema simplificado do processo de produção de etanol destacando os principais resíduos e efluentes gerados.

Figura 9. Representação simplificada da geração de resíduos provenientes da produção de etanol.

Dos resíduos de fabricação de álcool, a vinhaça é sem dúvida um dos mais relevantes, não só em termos do enorme volume gerado, mas pelo elevado poder poluidor agregado. Outros resíduos como a torta de filtro, as cinzas da caldeira e a terra proveniente da limpeza de cana por via seca ou úmida são aplicados diretamente na lavoura como fertilizantes. Os efluentes líquidos gerados no processo são basicamente de limpeza de equipamentos e pisos, purga de água do sistema de lavagem de gases da caldeira, descarga das torres de resfriamento e esgoto humano. A água residuária pode ser enviada para a lavoura ou é tratada para ser lançada em um rio. O esgoto gerado é tratado separadamente em uma Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) geralmente composta por fossa séptica e filtro biológico. Os principais efluentes gasosos são os gases da chaminé da caldeira. Comumente são usados de lavador de gases com circuito fechado de recirculação de água de lavagem. O efluente líquido gerado a partir da lavagem dos gases é sedimentado e o lodo gerado passa por um filtro prensa para retirar a umidade presente e recuperar a água. Geralmente é estabelecido

31

um controle diário, através da análise da cor dos gases da chaminé e um controle mensal através de análise de emissão de dióxido de carbono (CO2) e monóxido de carbono (CO) para monitoramento das emissões.

3.4 CARACTERÍSTICAS DA VINHAÇA

A etapa final da produção de álcool consiste na destilação do vinho em colunas, que podem ser de bandejas (pratos) tipo calotadas, perfuradas ou valvuladas. O aquecimento da coluna pode ser feito com vapor de forma direta (borbotagem) ou indireta para realizar a separação dos compostos voláteis. A Figura 10 apresenta um fluxograma simplificado de uma coluna de destilação de álcool, em destaque, a vinhaça originada da coluna A.

Figura 10. Esquema simplificado de um aparelho de destilação destacando a vinhaça.

Diversos autores como Camargo et. al. (1990), Lyra et. al. (2003), Granato (2003), Rafaldini et. al. (2006) e Rocha (2007) definem a vinhaça como principal resíduo líquido altamente poluidor resultante do processamento do álcool, produzido em grande quantidade cujos principais componentes são nutrientes provenientes da cana-de-açúcar da qual se

32

originou (potássio, nitrogênio, etc.) e grande quantidade de matéria orgânica, variando de 30.000 a 40.000 mg/L. Segundo Rocha (2007) a vinhaça é um resíduo sólido classe II obtido na destilação alcoólica à 105ºC com coloração marrom escura, natureza ácida e com cheiro bastante peculiar. Ela representa, em média, 52% em peso de todos os resíduos sólidos produzidos na destilaria. A degradação térmica de açúcares redutores e compostos amino é a principal responsável pela coloração marrom escura da vinhaça, de acordo com Kannana et al. (2006). Este fato se deve a formação de melanoidinas e compostos polifenólicos. A presença destas substâncias, análogas às ácidas húmicas do solo, também foi relatada no estudo realizado nas destilarias da Índia por Mohana et al. (2007), confirmando a sua relação com a cor. Por se tratar de uma suspensão com teor de sólidos em torno de 7%, dos quais 75% são orgânicos e biodegradáveis, a vinhaça apresenta elevada Demanda Química de Oxigênio (DQO) e Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO), origem de seu potencial altamente poluidor. É uma solução tamponada com pH em torno de 4,3; fato que, aliado à alta temperatura na qual é obtida, lhe oferece caráter corrosivo (CAMARGO et al., 1990). Segundo Lyra et al. (2003) a DBO é da ordem de 12.000 a 20.000 mg/L, cujo impacto ambiental de um litro de vinhaça se compara ao esgoto doméstico não tratado gerado por 1,43 pessoas. Portanto para se produzir dez litros de álcool, a poluição gerada pela vinhaça é equivalente àquela produzida por aproximadamente 172 pessoas em um dia. A composição da vinhaça é dependente de inúmeros fatores, dentre os quais se destacam a natureza e a composição da matéria-prima, o tipo de preparo do mosto, o método e a condução da fermentação, a levedura, os equipamentos utilizados e a condução da destilação. Segundo Solomon et al. (2007) a vinhaça possui graduação alcoólica não superior a 0,03 ºGL. De acordo com Hidalgo (2009) a vinhaça possui altas concentrações de potássio, cálcio, magnésio, enxofre e nitrogênio. As características físico-químicas estudadas pelo Centro de Tecnologia Canavieira CTC (2008) estão apresentadas na Tabela 3.

33

Tabela 3 Caracterização físico-química da vinhaça (modificado) Caracterização da vinhaça

Mínimo

Médio

Máximo

3,50

4,15

4,90

65

89

111

DBO (mg/L)

6680

16950

75330

DQO (mg/L)

9200

28450

97400

Sólidos Totais (mg/L)

10780

25155

38680

Sólidos Suspensos Totais (mg/L)

260

3967

9500

Sólidos Suspensos Fixos (mg/L)

40

294

1500

Sólidos Suspensos Voláteis (mg/L)

40

3632

9070

Sólidos Dissolvidos Totais (mg/L)

1509

18420

33680

Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/L)

588

6580

15000

Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/L)

921

11872

24020

Resíduos Sedimentáveis (mg/L)

0,20

2,29

20,00

Nitrogênio (mg/L)

90

357

885

Nitrogênio amoniacal (mg/L)

1

11

65

Fósforo Total (mg/L)

18

60

188

Potássio Total (mg/L)

814

2035

3852

Cálcio (mg/L)

71

515

1096

Magnésio (mg/L)

1

5

12

Ferro (mg/L)

2

25

200

Sódio (mg/L)

8

52

220

Cloreto (mg/L)

480

1210

2300

Sulfato (mg/L)

790

1538

2800

Sulfito (mg/L)

5

36

153

Etanol (% v/v)

0,09

0,1

1,19

Levedura (% v/v)

0,38

1,35

5,00

Glicerol (% v/v)

0,26

0,59

2,5

pH (-) Temperatura (ºC)

Fonte: CTC, 2008.

34

Na Tabela 4 estão apresentadas as características da vinhaça em base seca.

Tabela 4 Propriedades da vinhaça em base seca (modificado) Parâmetros

Média

Intervalo

Proteína crua (%)

12,10

9,7 – 15,6

Proteína verdadeira (%)

10,3

8,7 – 13,2

Cinzas (%)

6,60

5,0 – 8,5

Fibra detergente neutra (%)

3,55

3,1 – 3,9

Fibra detergente ácida (%)

0,05

0,02 – 0,13

pH (-)

4,5

4,2 – 5,1

Sólidos solúveis (º Brix)

30,7

24 – 40

Açúcares redutores (mg/mL)

4,43

1,4 – 6,2

Cálcio (%)

0,50

0,39 – 1,00

Fósforo (%)

0,24

0,10 – 0,31

Potássio (%)

1,60

1,28 – 2,17

Sódio (%)

0,08

0,05 – 0,22

Enxofre (%)

1,19

0,84 – 2,13

Ferro (ppm)

6,90

2,31 – 11,67

Fonte: HIDALGO, 2009.

Piveli et. al. (2006) e Granato (2003) estimam que a vazão de vinhaça produzida seja de 10 a 15 litros para cada litro de álcool produzido. Uma proporção média de 13 litros para cada litro de álcool é adotada em uma publicação da ELETROBRÁS (1981), por Rafaldini et. al. (2006); Solomon et al. (2007) e também por Rocha (2009). Segundo CTC, a flegmaça, resíduo da coluna B de destilação, pode ser incorporada na vinhaça, aumentando-a em cerca de 2 Lvinhaça/Lálcool. Além disso, a quantidade de produção de vinhaça varia de acordo com o grau alcoólico do vinho obtido durante a fermentação apresentada na Tabela 6 (CTC, 2008).

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Tabela 5 Taxa de produção de vinhaça pura (sem flegmaça) Teor alcoólico do Vinho

Vinhaça

Vinhaça

(ºGL)

(L/Letanol)

(L/L álcool hidratado)

10

8

7,68

9

9,11

8,75

8

10,5

10,06

7

12,29

11,79

Fonte: CTC, 2008.

A vinhaça apresenta alguns sólidos suspensos, que são partículas insolúveis na água, com velocidades de sedimentação tão reduzidas que inviabilizam sua separação natural ao longo do tempo. Aliado a isso, a maioria destas partículas apresenta sua superfície carregada eletricamente, partículas coloidais, as quais apresentam carga negativa, impedindo que as mesmas aproximem-se uma das outras. Os colóides apresentam diâmetro médio de 100 nm, conforme apresentado na Figura 11.

Figura 11. Classificação dos diversos tipos de materiais em suspensão e seu diâmetro.

A presença de cargas elétricas aumenta a repulsão entre as partículas, dificultando a aglomeração e formação de agregados maiores e de mais fácil sedimentação. O fenômeno de neutralização consiste exatamente na eliminação dessas cargas eletrostáticas superficiais ou, em outras palavras, na diminuição do chamado potencial zeta, Figura 12. O potencial zeta é responsável pelo comportamento eletrostático da partícula coloidal e tem como finalidade controlar a estabilidade dos colóides. A estabilidade do colóide é o resultado da adsorção de íons, e o potencial zeta é a medida dessa adsorção.

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Figura 12. Esquema representativo do potencial zeta.

O potencial zeta é utilizado para avaliar a estabilidade e a tendência à floculação de sistemas coloidais, uma vez que pode ser considerado um parâmetro razoável para medir a magnitude das interações repulsivas entre as partículas coloidais. A medida do potencial zeta, ou potencial eletrocinético, corresponde à determinação da carga eletrostática superficial de pequenas partículas sólidas dispersas em água. A maioria dos colóides na natureza tem carga negativa, e a magnitude dessa carga determina a estabilidade do colóide. O potencial zeta da vinhaça foi analisado pela Empresa Brasileira de Agricultura e Pecuária (EMBRAPA) e está apresentado na Figura 13.

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Potencial Zeta - vinhaça 1 0

Potencial Zeta (mV)

-1 -2 -3 -4 -5 -6 2

3

4

5

6

7

pH

Figura 13. Potencial zeta da vinhaça. Fonte: EMBRAPA, 2009.

Comparando-se a Figura 13 com a Figura 14, que representa o gráfico do potencial zeta, nota-se que a vinhaça encontra-se na zona de instabilidade, entre 20 mV e -20 mV, o que

Potencial zeta (mV)

lhe confere um alto potencial para coagulação.

Estável Ponto isoelétrico

Instável

Estável

pH (-) Figura 14. Representação do gráfico do potencial zeta com as zonas estáveis e instáveis.

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3.5 TRATAMENTOS DE VINHAÇA

Segundo Lyra et. al. (2003) houve um rápido crescimento da produção de álcool no Brasil com a criação do programa governamental Proálcool em 1975 e consequentemente o volume de vinhaça produzida passou a ser muito grande, resultando em uma série de pesquisas para o uso alternativo da vinhaça. Zhang et al. (2009) relatam que vários métodos têm sido propostos para o tratamento de vinhaça, tais como fermentação anaeróbica incluindo reator anaeróbico de fluxo ascendente (UASB) e processo de reator batelada de lodo ativado (SBR), processo de filtração por membrana, processo de adsorção, eletrólise, processo de evaporação, coagulação, tratamento aeróbico, tratamento enzimático, entre outros. De acordo com IPT (1980), a principal utilização da vinhaça é disposição no solo na forma de fertirrigação, substituindo em grande parte o uso de fertilizantes. Segundo Solomon et al. (2007), a fertirrigação é uma tecnologia que visa à utilização de forma racional dos recursos naturais, e conta com benefícios tanto do ponto de vista agronômico e econômico. O aumento da produtividade, que ocorre com mais intensidade em solos mais pobres e em regiões mais secas, além da economia de fertilizantes. A aplicação em doses compatíveis com as características físicas e químicas do solo aumenta a produção de açúcar por hectare, porém com uso de volumes elevados pode aumentar o nível de potássio no caldo da cana. Segundo Rafaldini et. al. (2006) quando a vinhaça é aplicada no solo, seja “in natura” ou diluída, seu alto potencial poluidor é diminuído, graças ao elevado poder de autodepuração deste recurso natural. Rocha (2007) apresenta como formas de processar a fertirrigação através de inundação, por sulcos de infiltração, por aspersão com equipamento semifixo e por aspersão através de canhão hidráulico. Mesmo diante das vantagens ainda há duvidas quanto à adequação da prática do ponto de vista de proteção dos recursos naturais, principalmente em relação aos efeitos em longo prazo, a salinização do solo e contaminação de aqüíferos subterrâneos como foi abordado por Lyra et. al. (2003) e Solomon, Lora e Monroy (2007). Estudos para avaliar o aspecto da possibilidade de alguns componentes da vinhaça originar poluição nas águas subterrâneas só iniciaram no final da década de setenta, embora tenham sido estudados desde 1950.

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Rafaldini et. al. (2006) relataram que a aplicação de doses elevadas de vinhaça, acima das indicadas para o tipo de solo, pode ocasionar problemas de produtividade, mostrando um efeito negativo da vinhaça sobre a maturação da cana. Relatos de Rafaldini et. al. (2006) sobre a biodegradação da vinhaça depositada nos canais e tanques após a fertirrigação abordam a liberação de odores desagradáveis devido aos gases liberados durante a decomposição que é prejudicial à saúde, principalmente amônia, sulfeto e mercaptanas que também são formadas a partir da presença do enxofre no meio. Além desses fatores que impactam negativamente sobre a fertirrigação há o volume que é muito maior que a demanda de aplicação no solo, tornando o excedente um problema para o tratamento e a sua disposição final (RAFALDINI et. al., 2006). Piveli et. al. (2006) apresentam como alternativa à fertirrigação, no caso da impossibilidade de aplicação no campo, a adoção de um sistema pós-tratamento utilizando lagoa anaeróbia em série com lagoa facultativa ou uma anaeróbia com uma aerada como polimento do biodigestor. De forma mais eficiente, um sistema de três lagoas em série – anaeróbia, facultativa e aerada. Segundo Rocha (2007), a biodigestão da vinhaça, processo de degradação da matéria orgânica por organismos, é um recurso que pode ser considerado porque além da remoção do poder poluidor há a produção de biogás cuja composição é de 55 a 70% de metano e 25 a 45% de gás carbônico, além de outros gases, que podem ser usado para produção de energia elétrica. Os tipos de biodigestores mais comuns são o chinês, indiano, fluxo pistão ou horizontal, filtro anaeróbico de fluxo descendente (UASB), filtro anaeróbico de fluxo ascendente e bifásico. O reator UASB possui altos índices de remoção e velocidades volumétricas, além de baixos conteúdos de sólidos em suspensão e tempo de retenção hidráulico. Rocha (2007) apresenta como vantagens da biodigestão a energia produzida pelo biogás, que é maior que a requerida pelo sistema, a aceitação de grandes taxas de substâncias orgânicas e o efluente resultante que pode ser utilizado como fertilizante. Por outro lado, as desvantagens abrangem um processo lento, a necessidade de um longo período para início da operação e o elevado custo de implantação. Piveli et. al. (2000) acredita que a biodigestão anaeróbia aproveita a energia disponível da vinhaça e é uma boa alternativa devido a sua carga orgânica elevada, possibilitando a cogeração de energia através do biogás produzido e o líquido efluente do biodigestor é um fertilizante agrícola.

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De acordo com Rafaldini et. al. (2006) apud Antunes e Mano (s.d.), os gases da biodegradação da vinhaça exalam odores desagradáveis proveniente do amoníaco, sulfeto de hidrogênio e o mercaptano de metilo. No estudo de Mohana et. al. (2007), o tratamento de biodigestão acarreta em baixa degradação de melanoidinas, sendo necessário explorar tratamentos adicionais para remover a cor do efluente e prevenir sérios problemas ambientais como a redução da atividade fotossintética e da concentração de oxigênio dissolvido. As melanoidinas podem ser removidas por tratamentos físico-químicos, entretanto esses métodos requerem altas dosagens de reagentes e geram grande quantidade de lodo. A descoloração e degradação microbiológica é uma alternativa competitiva com baixo custo para o processo de decomposição química. Há um sucesso limitado nas pesquisas por bactérias e fungos que podem degradar melanoidinas eficientemente com objetivo de reduzir cor e DQO. Outro tratamento utilizado em algumas unidades é a concentração de vinhaça para a reutilização da água evaporada, que pode estar associada ou não à biodigestão. As primeiras unidades de concentração de vinhaça foram instaladas na Áustria m 1943 pela Volgelbusch. Rocha (2007) define a concentração de vinhaça como a redução de volume da vinhaça através da retirada de água da vinhaça sem perda de sólidos. Para a evaporação da água a tecnologia mais utilizada é evaporadores de múltiplo efeito, tipo Roberts ou Falling Film, semelhante à utilizada para concentração de açúcar. Este método é uma uma forma de reduzir os custos de transporte em caminhões-tanque aumentando o raio econômico de aplicação. Segundo Rocha (2007) apud Katz (1979), o consumo de vapor é 0,27 kgvapor/Lvinhaça, de eletricidade é 0,0134 kW/L e o de água de refrigeração é 0,013 m³/Lágua_evaporada. Para Rocha (2007) a vinhaça concentrada deve ser usada quando for a solução mais econômica ou quando for obrigatório, por exemplo, novas usinas onde as áreas agrícolas têm lençol freático de pequena profundidade ou onde há restrições ambientais para aplicação da vinhaça na lavoura, na expansão das usinas atuais, quando ocorre a saturação do solo com potássio ou com aumento de área que acarrete aumento das distancias, encarecendo, dificultando ou impossibilitando o retorno da vinhaça “in natura” (diluída) à lavoura. As formas de utilização da vinhaça concentrada, os itens necessários e o custo operacional estão apresentados na Tabela 6.

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Tabela 6 Formas de utilização da vinhaça concentrada Formas de utilização Bombeamento

Itens necessários Tubulação Motobombas Tanques de armazenamento Canais de distribuição Compra do caminhão ou aluguel

Custo operacional Energia elétrica Manutenção Operador Diesel (aspersor) Motorista Combustível

Tanques de Armazenamento Compostagem

Tanques de armazenamento

Energia elétrica

Máquina para compostagem

Manutenção

Trator Caminhão Queima em Caldeiras

Manutenção

Tanques de armazenamento Motobombas Tubulação Caldeira de Vinhaça

Operador Combustível Energia elétrica Operador Manutenção

Fonte: Rocha, 2007.

Segundo IPT (1990), quando a vinhaça é concentrada até cerca de 60% de sólidos totais, ela pode ser utilizada como fertilizante e ração. Após a concentração, pode ser seca por atomização, sendo o pó obtido usado como complemento de ração ou incinerada para geração de vapor e obtenção de cinzas potássicas para uso como fertilizante. Hidalgo (2009) descreve em seu trabalho que a vinhaça é utilizada em diversos países tropicais e na Europa como um aditivo ou suplemento alimentar na nutrição de ruminantes e não-ruminantes. Um aspecto que limita o seu uso em alimentação animal é a baixa concentração de matéria seca, além dos valores de pH que podem causar corrosão nos tanque de armazenamento e distribuição. Entretanto, o valor do pH favorece o balanço da flora intestinal e previne a propagação de organismos patogênicos. Devido à presença de ácidos orgânicos, há um aumento de peso e crescimento. A vinhaça tem sido usada como um líquido na alimentação animal, alternativamente pode ser usada seca o que facilita a distribuição e melhora a ingestão.

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Rocha (2007) apresenta a combustão da vinhaça como alternativa de tratamento. Esta idéia está relacionada com a queima do licor negro na indústria de papel e celulose. Esta alternativa é a única que permite eliminar o potencial poluidor da vinhaça, com a recuperação econômica do potássio e aproveitamento do potencial energético. Entretanto, há como desvantagem o impacto da combustão sobre as tubulações e refratários e os altos índices de emissões de poluentes atmosféricos como material particulado, NOx, SOx e CO. Cortez e Perez (1997) estudaram a combustão da vinhaça como método de disposição para resolver o problema da vinhaça. Ele levantou um breve histórico da combustão de vinhaça, onde cita Kujala et al. (1976) que relata o conceito de evaporação seguido de combustão desde antes da primeira guerra mundial, quando a Porion Furnace desenvolvida por Whitaker e U.S Industrial Chemicals Inc. Além disso, cita Reich (1945) que propôs uma concentração de vinhaça em um evaporador de quatro efeitos até 70-80% de sólidos seguido de uma combustão (343ºC) resultando carbono. Este mesmo princípio foi usado em Lucknow, Índia por Chakrabarty et. al. (1964) na destilaria de Dyer Mdeaking Breweries Ltd., quando uma planta piloto foi construída para recuperar sais de potássio da vinhaça produzida a partir de melaço. Duas plantas de incineração foram instaladas no Brasil em Pernambuco há 60 anos, mas ambas fecharam devido a problemas econômicos. Gupta et. al. (1968) foram os primeiros a conduzirem experimentos usando uma unidade de combustão de leito fluidizado. A vinhaça era preparada a 30-40º Brix e então era pulverizada em um secador tipo “spray drier” e queimada a 700ºC. Um esquema similar foi descrito por Dubey (1974) que usou uma fornalha bicombustível (vinhaça a 60º Brix de sólidos e bagaço). De acordo com Sheehan e Greenfield (1980), Yamauchi e colaboradores em 1977 também conduziram experimentos com vinhaça a 21% de sólidos e óleo pesado. Mais recente, uma companhia holandesa, Hollandse Constructive Group B. V. relataram a combustão completa da vinhaça com concentração de até 60% de sólidos em seu gerador de vapor especialmente projetado. A sueca Alfa-Laval também reporta a tecnologia da queima de vinhaça. Ambos os relatos mencionam o uso da tecnologia de combustão “swirl” para queimar vinhaça com 60% de sólidos, porém sem informar detalhes da combustão em si. Polack et. al. (1981) mostraram que a vinhaça da Lousiania – Estados Unidos da América é um difícil efluente para ser disposto por incineração. Foi utilizada uma fornalha de bagaço modificada, previamente desenvolvida por Harper (1980), que foi adaptada e equipada com queimador de ar que utiliza atomizador (Eclipse Convecto-Flame oil burner Model 168 HCF-CGO) e alimentada a uma pressão de 51 cm.c.a. para 1,4 MPa. A fornalha foi mantida

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de 760 a 927ºC por fogo com gás natural e a vinhaça pré-aquecida (50ºC) foi atomizada em concentrações variando de 63,0 a 73 ºBrix. Chaudhari, Mishra e Chandb (2008) apresentam em seu estudo que na China, um grande número de destilarias usa evaporadores de múltiplo efeito para concentrar os efluentes seguidos de incineração para recuperar a maior parte do conteúdo energético. A termólise é um processo efetivo para tratamento de vinhaça. O tratamento a 140ºC com concentração de óxido de cobre igual a 3 kg/m³ e pH de 2,0 resultando em uma redução máxima de 60% de remoção de DQO, principalmente devido a formação de resíduo sólido insolúvel e estável. A termólise catalítica usando óxido de cobre com catalisador é bastante efetiva e a redução da DQO existente a temperaturas moderadas (130-140ºC) e pressão (7-8 bar) são comparadas ao reportado por outros trabalhos através de termólise não catalítica em temperaturas (200250ºC) e pressões (70-80 bar) consideravelmente mais altas. A cinética da termólise da vinhaça apresentou uma reação de primeira ordem relacionada a DQO. O sólido obtido a 140ºC e pH de 2,0 tem uma proporção atômica de C:H de 1:1,08 e uma capacidade calorífica de 21,77 MJ/kg. O lodo obtido após a termólise tem boas características de filtração. O resíduo pode ser usado como um combustível em fornalhas para recuperar a sua energia e as cinzas contendo cobre pode ser misturadas com material orgânico e usadas como fertilizante rico em nutriente na agricultura. De acordo com Zhang, Xiong e Wei (2009), o tratamento físico-químico é empregado após o tratamento anaeróbico primário objetivando reduzir a DQO e cor. Estes autores apresentam os biofloculantes como menos nocivos ao meio ambiente e ao ser humano, indicando o potencial deles para substituir os floculantes químicos. O objetivo do estudo deles foi aplicar a tecnologia de floculação biológica para eliminar o problema de poluição causado pelo efluente da produção de etanol de várias matérias-primas. O biofloculante ácido poliaspártico (PASP) (C4H6NO3(C4H5NO3)mC4H6NO4), primeiramente encontrado no corpo de organismos marinhos é reconhecido com um tipo de “agente verde” de tratamento de efluente no mundo. A vinhaça, inicialmente, passou por uma peneira de 50 mesh para remover os sólidos, que são usados como alimento após secagem, e então foi tratada por floculação biológica. Foi adicionado à vinhaça 1,0 g/L ácido poliaspártico e a amostra foi agitada durante 2 minutos a 150 rpm e finalmente mantida em repouso por 20 min. O floculante foi adicionado a certa quantidade de amostra (agitação de 150 rpm) até ter gerado muita precipitação e a cor do líquido ter se alterado (de marrom para marrom avermelhado). Então esta quantidade foi registrada para determinar a concentração do floculante. Finalmente a solução foi filtrada em

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papel de filtro (tamanho do poro de 0,12 mm). O filtrado foi misturado com a matéria-prima para a próxima fermentação. A vinhaça foi reutilizada e reciclada. A floculação química usou 1,0 g/L cloreto de polialumínio (PAC-PAM), a amostra foi agitada durante 2 minutos a 150 rpm e finalmente mantida em repouso por 20 min. Após floculação, o efluente foi filtrado em papel de filtro para reutilização. O efluente da destilaria contém proteínas e açúcares que fornecem nitrogênio e carbono para o crescimento de microorganismos, logo o reuso da vinhaça no processo de fermentação alcoólica é uma boa alternativa. No estudo de Zhang, Xiong e Wei (2009), a recirculação de vinhaça foi avaliada. O número de ciclos foi determinado pela taxa de produção de etanol, com alta produtividade de etanol o número de ciclos foi aumentado. A concentração de etanol em 90 horas usando vinhaça filtrada foi 8,16% (v/v). Sem a floculação, as concentrações finais de etanol foram 6% no primeiro reciclo e 4,8% no segundo reciclo. O reciclo direto sem floculação gera um efeito negativo severo na fermentação e no crescimento das células de levedura, que foram observadas em microscópio. O efeito negativo se tornaria maior se o número de reciclos aumentasse, e para atingir a mesma produtividade de etanol seria requerido muito mais tempo de fermentação. A causa pode ser relativa à alta concentração de sólidos solúveis e algumas substâncias tóxicas específicas. Com o tratamento de floculação química para o reuso de vinhaça, as concentrações finais de álcool foram 6,41% (v/v) no primeiro reciclo e 7,2% no segundo reciclo. A produtividade foi menor do que com vinhaça filtrada (8,16%). O conteúdo de sólidos foi bem reduzido, mas as substâncias tóxicas não foram removidas usando a floculação química. O resíduo do filtro pode ser tóxico de componentes inorgânicos e não podem ser usado com alimento, resultando em uma poluição secundária. Este pós-tratamento do resíduo do filtro pode ser problemático para indústria de etanol. Com o tratamento de floculação biológica para o reuso de vinhaça, as concentrações finais de etanol de repetidas fermentações teve uma média de 9,12%, um pouco maior do que utilizando somente vinhaça filtrada. Através da floculação, os sólidos solúveis foram bastante reduzidos para evitar a influência na fermentação. O ácido poliaspártico foi efetivo em separar impurezas perigosas (íons metálicos, aldeídos, ácidos voláteis entre outros) que inibem a fermentação alcoólica. Com a biofloculação, o lodo é inofensivo e pode ser utilizado com um bom alimento ou fertilizante agrícola. Este processo é atóxico, não poluente e totalmente “verde”.

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Britto e Barbosa (1982) estudaram o tratamento físico-químico de vinhaça utilizando hidróxido de cálcio depois de um criteriosa seleção de agentes coagulantes em várias combinações ou separadamente como cloreto férrico, sulfato de alumínio, alginato de sódio, polieletrólitos aniônicos e catiônicos em diversos pH e várias concentrações de dosagem. Os coagulantes químicos mais utilizados estão apresentados na Tabela 7.

Tabelas 7 Coagulantes e floculantes usuais Coagulante ou floculante

Função

Al2(SO4)2 – Sulfato de alumínio

Cátions polivalentes (Al+3, Fe+3, Fe+3, etc.)

PAC – Policloreto de Alumínio

neutralizam as cargas elétricas das partículas

FeCl2 – Cloreto Férrico

suspensas e os hidróxidos metálicos (Ex:

FeSO4 – Sulfato Ferroso

Al2(OH)2), ao adsorverem os particulados, geram uma floculação parcial Usualmente utilizado como agente controlador do pH. Porém, os íons cálcio atuam também

Ca(OH)2 – Hidróxido de Cálcio

como agentes de neutralização das cargas elétricas superficiais, funcionando como um coagulante inorgânico.

Polímeros Aniônicos e Nãoiônicos

Geração de “pontes” entre as partículas já coaguladas e a cadeia do polímero, gerando flocos de maior diâmetro. Neutralização das cargas elétricas, superficiais que envolvem os sólidos suspensos e

Polímeros catiônicos

incremento do tamanho dos flocos formados (via formação de pontes). Usualmente utilizado no tratamento de lamas orgânicas.

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Tabelas 7 Coagulantes e floculantes usuais (continuação) Coagulante ou floculante

Função São polieletrólitos catiônicos de baixo peso molecular, os quais possuem como função

Policátions

principal a neutralização das cargas elétricas superficiais e aumento do tamanho dos flocos. Utilizados em substituição aos floculantes inorgânicos convencionais.

Fonte: Pastor, Carvalho & Zibordi (s.d.).

Segundo Pastor, Carvalho & Zibordi (s.d.), o processo de coagulação está intimamente relacionado ao fenômeno de neutralização, uma vez que consiste na aglutinação das partículas, para que as mesmas se tornem maiores e possam sedimentar rapidamente. Na Figura 15 está apresentado um modelo esquemático dos processos de coagulação e floculação.

Figura 15. Processo de coagulação e floculação.

Britto & Barbosa (1982) elegeram a cal para seu estudo, cuja concentração variou-se de 1,0 a 3,0% em escala crescente de 0,2%, escolhendo a concentração de 2,5% como a mais eficiente. A concentração mínima para se obter a torta e o efluente líquido límpido, com ausência total de sólidos sedimentáveis foi de 1,8%. O teor de pureza de cal utilizada variou de 67,2 a 83%. O processo utilizado foi colocar a vinhaça in natura e o coagulante em um homogeneizador a ar comprimido e após 30 segundos iniciar a prensagem em um filtro-prensa por 1 hora. As maiores reduções dos principais parâmetros dosados foram alcançadas nas

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diluições de 2,5 e 1,8%, sendo que na primeira obtiveram-se os valores mais significativos em termos de redução de carga orgânica. Este processo é altamente vantajoso na remoção de sólidos sedimentáveis e sólidos suspensos. Em relação a turbidez as diluições de 1,8 e 2,5% alcançaram elevadas reduções, devendo ser acrescentado que, todos os efluentes de qualquer concentração de cal considerados clarificados, apresentavam sempre 100% de remoção de sólidos sedimentáveis em 60 minutos, ficando os sólidos dissolvidos como os responsáveis pelas valores de turbidez encontrados no efluente. Qualquer que seja a concentração de coagulante usado, existe sempre o aumento da dureza, em relação ao CaCO3, o que é vantajoso no caso do uso do efluente na irrigação do solo. As remoções de carga orgânica (DBO, DQO e proteínas) apesar de apresentarem valores médios equivalentes a um tratamento primário, alcançaram algumas vezes valores equivalentes a um tratamento secundário. O aumento de cal não é diretamente proporcional ao aumento da redução. Na concentração de 2,5% a redução de proteínas foi de 46%, o que permitiu afirmar que a proteína distribuiu-se equitativamente entre o efluente sólido e líquido. Os resultados deste estudo estão apresentados na Tabela 8.

Tabela 8 Reduções alcançadas com 2,5% de Ca(OH)2 Parâmetros

Máxima (%)

Média (%)

Mínima (%)

DQO (mg O2/L)

77

31

6

DBO (mg O2/L)

63

37

7

Proteína (mg/L)

91

47

8

Turbidez (JTU)

99

97

71

Sólidos em suspensão totais (mg/L)

96

86

1

Sólidos em suspensão fixos (mg/L)

-

-

-

Sólidos em suspensão voláteis (mg/L)

99

61

10

Dureza CaCO3 (mg/L)

81

31

15

Nitrogênio Kjeldhal (mg N/L)

66

47

7

Fósforo total (mg/L)

82

68

37

Potássio (mg/L)

75

58

22

Fonte: Britto & Barbosa, 1982.

Devido ao residual de carga orgânica, os autores buscaram como alternativa o uso de gás carbônico, subproduto da fermentação, com o objetivo de reduzir o pH através da

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precipitação de carbonato de cálcio, o que acarretaria o arraste de matéria orgânica para o sedimentado. Nos testes realizados a eficiência de remoção aumentou e foi estudada a injeção durante 10 minutos de CO2 no efluente do filtro e no tanque de homogeneização. Gonçalves e Silva (2000) citam um estudo feito pela CETESB (1978) em que o tratamento físico-químico é o que apresenta maior potencialidade no tratamento da vinhaça. Estes autores consideram que quando se adota os processos de coagulação e floculação, procura-se com estas operações reduzir a DQO do sobrenadante, arrastando para o lodo as partículas coloidais presentes na vinhaça, onde se concentra parte da matéria orgânica deste meio, para aproveitá-la como fertilizante. Santiago et. al. (2009) realizaram um trabalho de pesquisa com objetivo de obter um lodo de vinhaça através do uso dos coagulantes naturais, como quitosana, tanino e moringa, reduzindo assim o seu o caráter poluente e permitindo recuperar a água da vinhaça para reuso. Os coagulantes naturais foram escolhidos devido a sua biodegrabilidade, gerando assim um menor impacto ambiental, além de seu baixo custo. Foram realizados experimentos em Jar-test à temperatura ambiente com 200 mL de vinhaça, variando o volume de solução coagulante adicionado a vinhaça. Durante 1 minuto, as amostras foram submetidas a uma rotação de 100 rpm (mistura rápida) e, em seguida, a rotação foi reduzida para 50 rpm por um período de 30 minutos. Após a realização do Jar-test, as amostras permaneceram em repouso para sedimentação. Foram feitos os testes de cor, turbidez, pH e DQO com o sobrenadante das amostras e com a vinhaça in natura. Os resultados mostram que o coagulante quitosana numa concentração de 2,5% (m/v) de quitosana em 1% (v/v) de HCl removeu 30% da DQO, 78% da cor e 95% da turbidez. Utilizando o tanino (Tanfloc® SG) com uma concentração de 10% (v/v) em água destilada, houve remoção de 40% de DQO, 88% de cor e 98% de turbidez. Já o coagulante moringa em uma solução de 5% (m/v), removeu somente 22% de DQO, 54% da cor e 65% da turbidez. Eleotério et. al. (2008) propuseram em seu trabalho um tratamento através da geração eletroquímica de Fe (VI) in situ. Após ajuste do pH para coagulação do hidróxido de ferro (III) e filtração, o efluente foi tratado secundariamente utilizando fotocatálise com dióxido de titânio suportado em estilhaços de vidro. Concluiu-se que o tratamento da vinhaça utilizando um tratamento primário pela geração eletroquímica in situ de Fe(VI) seguida de um tratamento fotocatalítico secundário utilizando dióxido de titânio proporcionou uma diminuição significativa da DQO (cerca de 80,0%) no efluente num período de 5 horas de tratamento total.

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O nitrogênio presente em grande quantidade, provavelmente oriundo do fermento utilizado no processo de fermentação do caldo, foi totalmente oxidado a nitrato pelo Fe(VI) gerado eletroquimicamente, não podendo ser detectado pelo método de Kjeldahl após 60 minutos de tratamento. Constituintes inorgânicos tais como fósforo e potássio foram apenas parcialmente removidos. Do total de fósforo removido (cerca de 32%) a maior parte foi pela ação do processo de floculação/coagulação/filtração e apenas uma pequena parte pela ação direta dos processos oxidativos empregados. A técnica de eletrocoagulação utilizada por Kannana et. al. (2006) removeu 99% da turbidez utilizando ou não carvão ativado (Areca catechu). A remoção de DQO esteve em torno de 75 a 80 % para a não utilização e utilização de carvão ativado, respectivamente. Baseado nos resultados do estudo, conclui-se que a utilização de carvão ativado é mais efetiva para remoção dos poluentes. O período de uma hora de eletrocoagulação é mais efetivo do que apenas 30 minutos. A cor da vinhaça que normalmente é difícil de ser removida em tratamentos convencionais quase foi eliminada completamente na presença de carvão ativado. O pH aumentou após os 60 minutos de tratamento na presença de carvão ativado. Observa-se que muitos estudos vêm sendo realizados para buscar tratamentos alternativos para vinhaça a fim de minimizar o seu caráter poluidor e propor usos alternativos para o efluente. Este fato reforça a importância da alternativa que este trabalho propõe.

3.6 CARACTERÍSTICAS DO MATERIAL PARTICULADO PROVENIENTE DA QUEIMA DO BAGAÇO DE CANA-DE-AÇÚCAR

A utilização do bagaço como combustível nas usinas e destilarias já é tradicional em todo o setor, sendo responsável por sua auto-suficiência nas demandas de energia térmica e eletromecânica. A palha retirada da cana no momento da colheita também vem sendo utilizada como combustível juntamente com o bagaço. Ela pode ser recolhida diretamente no campo ou separa na indústria através de sistema de limpeza a seco. O bagaço e a palha são queimados diretamente na caldeira, sem qualquer tratamento prévio (Figura 16).

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Figura 16. Caldeira de biomassa e lavador de gases. Fonte: Arquivo pessoal

O bom rendimento da combustão está ligado com o melhor aproveitamento possível do potencial energético do combustível através de alguns fatores operacionais, como a regulagem e mistura perfeita da relação ar-combustível. O ar necessário para queima do combustível é calculado conhecendo-se a composição do combustível e baseado na estequiometria da reação. A quantidade de ar que fornece o oxigênio teoricamente suficiente para a combustão completa do combustível é chamada de "ar teórico" ou "ar estequiométrico". Na prática, sabe-se que é muito difícil obter uma boa combustão apenas com o ar estequiométrico podendo ocorrer queima incompleta formando CO ao invés de CO2, resultando em uma quantidade menor de calor liberada. A fim de garantir a combustão completa é necessário haver uma quantidade adicional de ar além do estequiométrico, excesso de ar, garantindo desse modo que as moléculas de combustível encontrem o número apropriado de moléculas de oxigênio para completar a combustão.

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Na Tabela 9 são apresentados os valores de referência de ar estequiométrico e gases de combustão para o bagaço de cana seco.

Tabela 9 Ar e gases de combustão para queima estequiométrica do bagaço de cana Ar de combustãoa

Gases de combustão b

kg/kgcombustível

Nm3/kgcombustível

kg/kgcombustível

Nm3/kgcombustível

5,7

4,4

6,7

5,1

(a) Ar atmosférico úmido com umidade ω=0,010 kgvapor/kgar seco (b) Gases de combustão úmidos

Fonte: IPT, 1990

Juntamente com os gases de combustão há a emissão de material particulado resultante da combustão do bagaço, que segundo ANA (2009) apud COPERSUCAR (1983) o valor estimado é de 2,2 a 3,6 kg/tcana, cerca de 80% lançados na atmosfera e os 20% restantes depositados nas fornalhas, cinzeiros e salões das caldeiras que são retirados por via seca ou por corrente contínua de água. De acordo com Arbex (2001), o material particulado é o termo usado para descrever uma complexa mistura de partículas sólidas e líquidas, de origem natural ou antropogênica. O tamanho, a composição química, e outras propriedades físicas e biológicas dependem da origem (fonte) e das transformações atmosféricas sofridas pelas partículas. De forma geral, os sólidos residuais compreendem, além de fuligem de bagaço, grande quantidade de materiais não queimados e resíduos minerais oriundos do solo (areia e argila). O total de fuligem esperado pode ser relacionado diretamente à capacidade de geração de vapor da caldeira. A quantidade de bagaço mal queimado depende da eficiência de queima da caldeira, a qual depende do tipo e das condições operacionais do equipamento. As caldeiras mais modernas tendem a gerar menos bagaço mal queimado. Os sólidos minerais dependem dos processos de colheita e transporte da cana, bem como, da existência e dos tipos de sistemas de lavagem da cana na indústria. Com o aumento da colheita mecanizada, e conseqüente redução da utilização de água de lavagem na cana, maior quantidade desses sólidos vem sendo admitida nas caldeiras. Importante ainda salientar que cada um dos sólidos mencionados acima apresenta características diferentes de densidade e granulometria, que afetam em muito o comportamento frente aos processos usuais de separação.

52

As partículas finas e ultrafinas são preferencialmente emitidas por processos de combustão, compostas por material carbonáceo, metais, compostos orgânicos e íons sulfatos, nitratos e amoníacos. As partículas ultrafinas tendem a se agrupar por aglomeração ou por condensação, aumentando o seu diâmetro e transformando-se em partículas finas (ARBEX, 2001 apud USEPA,1996). Segundo Arbex (2001) a massa das partículas provenientes da queima de biomassa pode ser divida em duas classes: •

Partículas finas com um diâmetro médio de 0,3 µm, geralmente produzidos

durante a combustão do material orgânico. •

Partículas grandes ou grosseiras com um diâmetro médio maior que 10 µm.

O tamanho das partículas está diretamente associado ao seu potencial para causar problemas à saúde. Outra observação é que o particulado também pode reduzir a visibilidade na atmosfera. A emissão de partículas na faixa de diâmetro de 0,5 a 5,0 µm é prejudicial ao sistema respiratório, pois penetram e se depositam no aparelho respiratório. Por isso a preocupação dos órgãos ambientais em relação à qualidade do ar vem aumentando e as normas e leis ambientais estão cada vez mais rígidas. Dessa forma, restam às indústrias se adequarem a estas normas de melhoria estabelecidas. É neste contexto que surgem os equipamentos de controle de poluição atmosférica que removem de forma eficiente o material particulado numa larga faixa granulométrica. O ensaio de granulometria é o processo utilizado para a determinação da percentagem em peso que cada faixa especificada de tamanho de partículas representa na massa total ensaiada. Através dos resultados obtidos desse ensaio é possível a construção da curva de distribuição granulométrica, tão importante para a classificação dos solos bem como a estimativa de parâmetros para filtros, bases estabilizadas, permeabilidade, capilaridade etc. A distribuição granulométrica apresentada na Figura 17 e Tabela 10 foi apresentada em um estudo realizada nas caldeiras de bagaço da Austrália.

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Figura 17. Distribuição granulométrica discreta da fuligem originada da queima do bagaço. Fonte: MAN, 2009.

Tabela 10 Distribuição granulométrica acumulada da fuligem proveniente da queima do bagaço Tamanho (µm)

Volume (%)

Tamanho (µm)

Volume (%)

0,399

0,00

25,179

26,51

0,502

0,05

31,698

36,78

0,632

0,24

39,905

49,17

0,796

0,48

44,774

55,85

0,893

0,60

50,238

52,59

1,002

0,72

63,246

75,45

1,262

0,93

79,621

86,15

1,589

1,15

89,337

90,36

2,000

1,40

100,237

93,71

3,170

2,15

141,589

99,11

3,991

2,71

178,250

99,96

5,024

3,45

200,000

100,00

6,325

4,40

251,785

100,00

7,962

5,65

316,979

100,00

8,934

6,42

399,052

100,00

10,024

7,34

502,377

100,00

12,619

9,77

632,456

100,00

15,887

13,39

796,214

100,00

54

Tabela 10 Distribuição granulométrica acumulada da fuligem proveniente da queima do bagaço (continuação)

Tamanho (µm)

Volume (%)

Tamanho (µm)

Volume (%)

17,825

15,83

893,367

100,00

20,000

18,79

1002,374

100,00

Fonte: MAN, 2009.

As distribuições granulométricas, Tabela 11 e Figura 18, foram apresentadas por Cortez, Lora & Gómez (2008) apud Alan (1981) referindo-se ao material particulado emitido por uma caldeira que utiliza bagaço como combustível.

Tabela 11 Distribuição granulometria do material particulado proveniente da queima do bagaço de cana-de-açúcar Wi (% m)

Wi (% m)

discreto

acumulado

3,0

7,0

7,0

4,0

7,5

14,5

7,5

13,0

27,5

15,0

16,0

43,5

25,0

12,0

55,5

35,

8,0

63,5

45,0

7,0

70,5

55,0

3,0

73,5

65,0

2,0

75,5

75,0

5,0

80,5

85,0

2,0

82,5

95,0

2,0

84,5

100,0

15,5

100,0

dpi (µm)

Fonte: Cortez, Lora & Gómez, 2008

55

Figura 18. Distribuição granulométrica acumulada do material particulado proveniente da queima do bagaço de cana-de-açúcar. Fonte: Cortez, Lora & Gómez, 2008

3.7 TRATAMENTO DO MATERIAL PARTICULADO PROVENIENTE DA QUEIMA DE BAGAÇO

Na queima de bagaço de cana nas caldeiras, a parte mais leve dos sólidos residuais é arrastada junto aos gases de exaustão, requerendo a instalação de sistemas de remoção dos sólidos desses gases, para que estes se enquadrem aos parâmetros exigidos pela legislação ambiental. Os sólidos não arrastados pelos gases se depositam nos cinzeiros das caldeiras e também precisam ser removidos, para evitar a obstrução do equipamento e a perda de eficiência. A emissão de poluentes gasosos, quando a biomassa é queimada, é menor que se fosse usado combustível fóssil. A emissão de óxidos de enxofre é muito baixa por causa da pequena quantidade de concentração de enxofre na análise elementar do combustível (Tabela 12). Portanto, pode-se dizer que durante a operação de caldeiras e fornalhas que usam biomassa como combustível, o controle de emissão é geralmente limitado às instalações de equipamentos de separação de particulado (NOGUEIRA & LORA, 2002).

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Tabela 12 Composição elementar do bagaço em base seca Composição do bagaço

Valores (%)

Carbono

44,6

Hidrogênio

5,8

Nitrogênio

0,65

Oxigênio

44,5

Enxofre

0,1

Outros

0,02

Fonte:CTC, 2005

A Copersucar apresenta valores de emissões de material particulado para gases produzidos pela queima de bagaço em caldeiras sem equipamentos de controle (4.000 a 6.000 mg/Nm3) e para caldeiras contendo ciclones em chapa de aço carbono (500 a 800 mg/Nm3), eficiência de 80 a 88%. Para controle da emissão de material particulado dois caminhos têm sido adotados pela indústria: a redução na fonte (adequações do projeto, melhoria da mistura ar/combustível, automação da combustão, operação na sua capacidade nominal, etc.) como também pela instalação de retentores de fuligem que seguem duas rotas principais: via seca e via úmida. Na via seca estão compreendidos os equipamentos do tipo ciclones e separadores eletrostáticos. Sistemas tipo ciclone foram instalados em usinas de açúcar no Brasil, porém, de forma geral, a qualidade do material particulado emitido não atende à legislação ambiental. Por outro lado, os sistemas tipo separador eletrostático apresentam qualidade de separação superior a dos ciclones, entretanto, esse sistema demanda alto investimento, dificultando a sua aplicação. Os sistemas de limpeza de gases que utilizam a via úmida (lavadores de gases) são os de concepção mais simples, de menor investimento e apresentam grande eficiência. Nestes sistemas, a limpeza dos gases e dos cinzeiros deve ser feita com água limpa. No caso de uma operação em circuito fechado, a água de lavagem, após passar pelas caldeiras, deve seguir para um sistema de tratamento para separação do material sólido que foi removido dos gases e dos cinzeiros, a fim de permitir o seu reciclo e evitar problemas de entupimentos de linhas, além de desgastes em tubulações e em equipamentos. Há uma grande variedade de geometrias de lavadores no mercado, a maioria pode ser agrupada de acordo com o mecanismo de coleta na qual o gás contendo o material particulado

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entra em contato com uma aspersão de gotas com as quais as partículas se chocam e se depositam por difusão como ilustrado na Figura 19 e descrito na Tabela 13.

Figura 19. Mecanismo de coleta de partículas em um lavador de gases. Tabela 13 Mecanismos de coleta de partículas em um lavador Mecanismo Impactação

Difusão

Explicação Partículas muito grandes para seguir as linhas de corrente ao redor de uma gota colidem com ela. Partículas muito pequenas movem aleatoriamente, colidindo com gotas porque elas estão confinadas em um espaço limitado. Uma extensão do mecanismo de impactação. O centro de uma

Intercepção direta

partícula segue a linha de corrente ao redor da gota, mas uma colisão ocorre se a distância entre a partícula e a gota for menor do que o raio da partícula.

Atração eletrostática

Partículas e gotas se tornam carregadas contrariamente e se atraem. Quando um gás quente esfria rapidamente, partículas presentes

Condensação

no gás podem agir como um núcleo de condensação resultando em partículas maiores. A forma ou curvatura de um coletor faz com que o gás gire em

Força centrífuga

um movimento espiral, lançando partículas grandes em direção à parede.

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Tabela 13 Mecanismos de coleta de partículas em um lavador (continuação) Mecanismo Gravidade

Explicação Partículas maiores movendo suficientemente devagar irão cair da corrente de gás e serão coletadas.

Fonte: Liu & Liptak, 2000.

A Figura 20 ilustra os tipos mais comuns usados, que podem ser lavadores com bandejas, torres de nebulização e Venturi. Esses sistemas tendem a ser mais complexos com eficiência maior, por exemplo, um lavador tipo Venturi pode alcançar mais de 95% (NOGUEIRA & LORA, 2002).

Figura 20. Principais tipos de lavadores de gases. Fonte: Nogueira & Lora, 2002.

A Tabela 14 apresenta o modelo do lavador de gases e os principais parâmetros de operação, nos quais o diâmetro de corte foi introduzido. Isso indica que o diâmetro mínimo de partícula para cada separador opera com uma eficiência de 50% (NOGUEIRA & LORA, 2002).

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Tabela 14 Modelo de lavador de gases e parâmetros de operação Lavador de Gases

Torre de

Lavador de

com Bandeja

Nebulização

Gases Venturi

Diâmetro de corte (µm)

1,0

>1,0

0,1 - 0,4

Velocidade do gás (m/s)

1,0

1,0 – 1,8

40 – 150

Pressão do líquido (gota) (kPa)

2–3

0,2 - 2

3 – 20

Relação água/gás (l/m³)

0,26 – 0,39

0,05 – 10

0,5 – 5

52 - 130

14 - 52

78 -312

Parâmetro

Potência consumida (kWh/1000 m³) Fonte: Nogueira & Lora, 2002

Muitas técnicas já foram desenvolvidas para diminuir a emissão da maioria desses poluentes, o lavador de gases, que utiliza líquido para remover poluentes, é a mais utilizada em usinas de açúcar e álcool por causa de sua eficiência elevada. No lavador, o gás sujo entra em contato com as gotas do liquido em aspersão, forçando-o através dos gases ou outro método de contato (NOGUEIRA & LORA, 2002). A seleção da tecnologia e projeto do sistema de controle de material particulado para uma dada aplicação é complexa. É necessário considerar fatores como: eficiência, nível de emissão final desejada, custo de investimento, custo de operação, espaço disponível, etc. Deve-se conhecer como uma informação preliminar de concentração e tamanho das partículas, características do gás (temperatura, presença de compostos ácidos ou básicos) e os padrões de emissão (NOGUEIRA & LORA, 2002). O lavador tipo torre de nebulização também é conhecido como torre de atomização e torre de aspersão. Neste tipo de lavador, o ar carregado de partículas passa através de uma câmara retangular ou circular entrando em contato com as gotas do líquido gerado por bicos atomizadores. O tamanho das gotas é controlado para otimizar o contato com as partículas e garantir a rápida separação das gotas da corrente gasosa. A água recirculada deve ser suficientemente limpa ou filtrada para evitar o entupimento dos bicos. Lavadores tipo spray apresentam em geral eficiência de 90% para partículas maiores que 8 µm. A absorção física dos gases no líquido depende das propriedades do gás e do líquido, como viscosidade, densidade, assim como das características do poluente, e do tempo de contato. Quando a água é pulverizada nos gases quentes sob condições para evaporação, a energia contida nos gases evapora a água, e então resulta em um resfriamento dos gases. O

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resfriamento pelo líquido “quenching” é acompanhado essencialmente pela introdução de gases quentes com líquido (normalmente água) em um aparelho de contato. Quando a água evapora, a energia necessária para evaporar a água é obtida pelos gases quentes de combustão, resultando em uma redução da temperatura dos gases (SANTOLERI, REYNOLDS & THEODORE, 2000). Nas torres de nebulização, o resfriamento “quenching” é realizado apenas pela aspersão de água no topo da torre enquanto o gás quente sobe através da torre. Quando a água não evaporada chega ao fundo da torre, esta é recirculada através de bombeamento para o topo. Em torno de 10% da água de entrada é evaporada durante o contato com os gases quentes, a reposição desta água deve ser constantemente adicionada. Para evaporação eficiente da água, a velocidade do gás deveria ser de 2,0 a 3,0 m/s e a toda a seção transversal da entrada de gás deveria ser coberta com um spray fino de água (SANTOLERI, REYNOLDS & THEODORE, 2000). Para dimensionar um lavador de gases do tipo torre de aspersão são necessárias algumas informações de projeto como vazão do gás a ser tratado, temperatura do gás e do líquido, pressão da corrente gasosa, concentração total de entrada das partículas, densidade da partícula e distribuição granulométrica do material particulado. A Tabela 15 apresenta os valores recomendados para o diâmetro da gota, a razão líquido gás e a velocidade de ascensão do gás no lavador.

Tabela 15 Recomendações para projeto de lavadores do tipo torre de aspersão Parâmetros

Valor Segundo Dullien, vg deve estar entre 0,60 e 1,0 m/s. Com

Velocidade do gás (vg)

certeza é preciso que vg seja menor que a velocidade terminal da gota

Razão líquido-gás (RLG) Diâmetro da gota (Dgota)

Deve estar entre 1 e 3 Lágua/m³gás ou 0,001 a 0,003 m³líquido/m³gás Em geral, gotas em lavadores têm diâmetro entre 0,1 e 1,0 mm. O diâmetro ótimo é 0,8 mm. A altura do lavador não deve ultrapassar 7 metros, para evitar

Altura do lavador (H)

problemas na montagem e manutenção da instalação industrial. Contudo, quanto maior a altura do lavador, maior será a eficiência de coleta.

Fonte: Joseph, 1998.

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Caso a concentração de saída não esteja adequada à legislação, pode-se variar alguns parâmetros de projeto como aumentar a razão líquido-gás, aumentar a velocidade do gás e alterar o diâmetro da gota para que se atinja a eficiência global necessária. Segundo levantamentos feitos pelo Centro de Tecnologia Canavieira (CTC), Associação de Produtores de Álcool e Açúcar do Estado do Paraná (ALCOPAR), União dos Produtores de Bioenergia (UDOP) e MINAS, mais de 60% das caldeiras existentes no país não estão atendendo os limites fixados na resolução CONAMA 382 (SINDALCO, 2009). Para as caldeiras existentes antes da Resolução CONAMA nº382, de 26 de dezembro de 2006, que estabelece os limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para fontes fixas novas, basicamente deve-se atender o padrão de emissão de fumaça branca na saída da chaminé de acordo com o CONAMA nº3, de 28 de junho de 1990 e o Decreto 8.468 de 1976 para o Estado de São Paulo. A Tabela 16 apresenta os limites de emissão para poluentes atmosféricos provenientes de processos de geração de calor, a partir da combustão externa de bagaço de cana-de-açúcar de acordo com a legislação descrita anteriormente.

Tabela 16 Limites de emissão para poluentes atmosféricos Potência térmica nominal (MW)

(1)

MP

(1)

NOx

(como NO ) 2

Menor que 10

80

N.A.

Entre 10 e 75

30

350

Maior que 75

200

350

(1)

3

os resultados devem ser expressos na unidade de concentração mg/Nm , em base seca e 8% de excesso de oxigênio. N.A. - Não aplicável.

Fonte: CONAMA, 2006.

Desses mais de 60% de caldeiras que não atendem os limites máximos fixados, conforme relatório da consultoria IPLAN, contratada pela ALCOPAR, aproximadamente, 40% dessas caldeiras poderão atingir, mediantes a utilização de investimentos em lavadores de gases. Outros 40%, somente obterão emissões razoáveis, com pesados investimentos. E o saldo de 20% das caldeiras existentes, deverá substituir suas caldeiras, o que significa pesadíssimos investimentos.

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A Figura 21 apresenta os gráficos dos resultados obtidos pelo estudo da CETESB e divulgados pelo CTC para as caldeiras com lavadores de gases e suas emissões comparadas ao limite permitido pela resolução CONAMA nº 382.

Figura 21. Caldeiras analisadas pela CETESB e comparadas à resolução do CONAMA nº 382. Fonte: SINDALCOOL, 2009

A grande maioria das caldeiras está fora dos padrões de lançamentos estabelecidos pela legislação vigente. A Figura 22 apresenta o levantamento realizado pela UDOP para 34 caldeiras com potência acima de 75 MW e a linha vermelha representa o limite de emissão de material particulado de 200 mg/Nm³.

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Figura 22. Emissão de material particulado de 34 caldeiras com potência superior a 75 MW. Fonte: UDOP, 2009

No caso do Paraná, único estado que possui legislação específica sobre o assunto (Resolução SEMA 54), cujos limites de emissões estão em vigor desde início de 2008, já obrigou as empresas do estado a adquirirem lavadores de gases, propiciando uma redução de 80% das emissões atmosféricas existentes antes dos investimentos. A CETESB, com vistas a estabelecer padrões máximos de lançamento, em 1986, tomando por base padrões internacionais para material particulado proveniente da combustão de madeira e resultados de levantamento da concentração de material particulado em 16 amostragens realizadas em caldeiras a bagaço, com diferentes tipos de sistemas de retenção, concluiu ser 120 mg/Nm3 um valor aceitável para perímetro urbano em função da obtenção de valores inferiores a este com lavadores centrífugos com “spray”. No entanto, pouca atenção tem sido dada às águas residuárias nos lavadores de cinzas e gases das caldeiras. Poucas usinas possuem dados que representem a qualidade e a quantidade desse tipo de água residuária. A opção de lavagem de gases via úmida, embora adequada e barata, esbarra na dificuldade de contar com um processo eficiente de remoção da fuligem da água, permitindo a remoção total das partículas sólidas destas correntes, bem como o reaproveitamento da água

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utilizada no processo. Recomenda-se um sistema que opere em circuito fechado, possibilitando a recirculação de toda a água para o processo e a separação dos sólidos de forma compacta e apropriada para o transporte. Torquato Jr et. al. (s.d.) realizou um estudo da qualidade da água proveniente do lavador de gases em uma usina localizada na região nordeste. A temperatura da água do lavador de gases ficou em torno de 65ºC. Com relação à presença de matéria orgânica medida pela DQO, o valor obtido esteve entre 285 mg/L e 980 mg/L. Como as caldeiras são alimentadas com bagaço de cana, ao queimar, a matéria orgânica volatiliza e parte dela é absorvida pelas águas de lavagem, gerando DQO. Quanto às concentrações de sólidos totais, estas apresentam diferenças significativas entre si, cujos valores variam de 866 mg/L a 2248 mg/L, sempre com o predomínio de sólidos fixos sobre os voláteis. A relação SF/ST variou de 0,59 a 0,75, mostrando que materiais inertes predominavam sobre os orgânicos. Os sólidos sedimentáveis variam de 20 mg/L a 90 mg/L. O pH esteve no intervalo de 7,5 a 8,2. Os valores de alcalinidade variaram de 178 mgCaCO3/L a 283mgCaCO3/L. A concentração de nitrogênio amoniacal variou de 4,1 mg/L a 11,9 mg/L. Os ácidos voláteis apresentam 48 mg/L para águas de lavagem de gases. Comumente, é utilizada a decantação para a clarificação da água de fuligem oriunda da lavagem de gases e cinzeiros de caldeiras que queimam biomassa. O tratamento de água de fuligem compreende a floculação dos resíduos e a posterior decantação rápida dos sólidos floculados. A água com fuligem oriunda dos cinzeiros e lavadores de gases é admitida em uma câmara de floculação localizada na entrada da célula de decantação. Já floculada, a água com fuligem segue para uma segunda câmara na célula de decantação onde ocorre a sedimentação dos sólidos floculados no fundo do tanque.auxiliar de floculação, desenvolvido especialmente para a floculação de fuligem. O lodo contendo o material sólido extraído no sedimentador é transportado hidraulicamente para uma etapa de concentração em peneiras para posterior descarte, enquanto a água limpa é reciclada diretamente para os cinzeiros e para os bicos lavadores de gases. A água peneirada retorna para o início do processo de tratamento. Nas peneiras ocorre a separação de grande parte das partículas sólidas inferiores à granulometria das telas, devido à superposição de lodo sobre a tela que age como auxiliar filtrante, e também graças ao efeito de floculação ainda presente no meio. O sistema opera em circuito fechado, com o retorno da água tratada, isenta de sólidos, aos lavadores e cinzeiros, eliminando riscos de entupimento e de desgaste por abrasão.

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Outra opção é a utilização de caixas de sedimentação para a separação dos sólidos constituintes da fuligem, juntamente com a areia e o bagacilho mal queimado. A água clarificada, livre de partículas sólidas, verte por gravidade do tanque de decantação para um tanque de água limpa, onde é feita a alimentação de água de make-up para reposição do volume perdido no processo. Deste tanque, a água limpa é bombeada de volta para os sistemas de lavagem de gases e de cinzeiros.

3.8 SEDIMENTAÇÃO

A sedimentação consiste na separação de partículas (sólidas e líquidas) pela ação da gravidade. O método de projeto comumente adotado é baseado em informações experimentais como a velocidade de sedimentação e a altura da interface em função do tempo de acordo com a curva de sedimentação apresentada na Figura 23.

Figura 23. Curva de sedimentação.

A Figura 24 apresenta o esquema do balanço de massa com as entradas e saídas de líquido e lodo do sedimentador.

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Figura 24. Representação do balanço de massa no sedimentador.

O método de Roberts consiste em determinar a área do sedimentador através da aplicação do método de Kynch para o ponto crítico, que utiliza apenas um ensaio para a obtenção da curva de sedimentação (altura da interface entre o clarificado e a suspensão em função do tempo) (GOMIDE, 1983). A curva de sedimentação, Figura 25, é obtida através de ensaio em proveta. A concentração Co (ensaio) é normalmente igual ao de alimentação da suspensão (Ca).

Figura 25. Curva de decantação típica do método de Kynch.

A velocidade de sedimentação diminui com a concentração da suspensão. Quanto maior a concentração, maior será o volume de líquido deslocado para cima, de forma que maior será a velocidade (v). No ensaio de laboratório a zona limite começa a se formar no fundo do cilindro e vai subindo. Ao atingir a interface, todo o sólido inicialmente presente na suspensão terá atravessado a zona limite com velocidade u+v (GOMIDE, 1983).

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O ponto crítico (entrada em compressão) é obtido através gráfico de ln (z-zf) em função do tempo, que mostra uma descontinuidade no ponto crítico, permitindo determinar θc com precisão, conforme apresentado na Figura 26.

Figura 26. Gráficos típicos do método de Roberts.

A sedimentação pode ser natural (livre) ou forçada (quando se utiliza floculantes – substâncias com propriedades de aglomeração de partículas). O aumento do tamanho das partículas aumenta a velocidade de sedimentação.

3.9 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com base nas informações apresentadas anteriormente, evidencia-se a busca de alternativas para o uso e disposição da vinhaça devido ao grande volume gerado e seu potencial poluidor. Além disso, há preocupação do setor com o gerenciamento dos recursos hídricos, focado no reuso da água e redução da captação. Seguindo esta linha de pensamento, este estudo busca conciliar a redução do consumo de água com a utilização de vinhaça em um equipamento utilizado para o controle da poluição do ar, o lavador de gases. Dessa forma, há uma coleta do material particulado gerado na queima do bagaço, o uso da vinhaça como líquido no lavador de gases, que resulta em uma redução da captação de água para este sistema. Pensando na minimização do poder poluidor da vinhaça, o tratamento físico-químico seria uma alternativa para a redução de DQO através da utilização de hidróxido de cálcio em sedimentadores dimensionados para este tratamento.

68

4 MATERIAIS E MÉTODOS

A alternativa abordada neste estudo, apresentada na Figura 27, compreende o uso da vinhaça in natura, em substituição da água, diretamente no lavador de gases para a coleta de material particulado proveniente da queima do bagaço de cana-de-açúcar

Gases limpos

Bagaço Cana-de-açúcar Gases de combustão

Vinhaça e fuligem

Caldo

Vinhaça

Etanol

Figura 27. Esquema simplificado da alternativa de uso de vinhaça in natura no lavador de gases

Para a quantificação das variáveis envolvidas nesse processo foram elaborados cálculos referentes ao balanço de massa e energia em planilhas do programa Excel utilizando as equações apresentadas no item 4.1. Utilizando alguns resultados obtidos com o cálculo do balanço de massa e adotando parâmetros de projeto, foi realizado o dimensionamento do lavador de gases a partir das equações apresentadas no item 4.2 através de planilhas do programa Excel. A densidade da fuligem utilizada no projeto do lavador de gases foi analisada através de picnometria a gás hélio em uma parceria com a Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). Objetivando alcançar a melhor eficiência do equipamento projetado, alguns parâmetros como altura do lavador, diâmetro da gota e razão líquido gás foram variadas em simulações. Como a vinhaça é um resíduo que contém elevada DQO, foi realizada uma análise de rotaevaporação a fim de constatar se haveria emissão de substâncias voláteis através de sua

69

evaporação quando entrasse em contato com os gases quentes de combustão. Já considerando que haveria a emissão de tais compostos, além do ensaio com vinhaça in natura também foi realizado um ensaio com vinhaça tratada físico-quimicamente, cujo tratamento foi baseado no estudo de Britto & Barbosa (1982) com a utilização de 2,0% (m/v) de hidróxido de cálcio. Esta concentração de coagulante foi escolhida devido à melhor remoção de DQO segundo o estudo realizado pelos autores. Para esta avaliação foi realizado um estudo de rotaevaporação descrito no item 4.3. Para se fazer um tratamento físico-químico é necessário o projeto de sedimentadores, que foi realizado neste estudo baseando-se em uma faixa de concentrações de 0,5%, 1,0%, 1,5% e 2,0%, previamente estudadas por Britto & Barbosa (1982), sendo que o procedimento adotado neste estudo foi descrito no item 4.4. O dimensionamento dos sedimentadores para as concentrações acima descritas foram realizados através da inserção das equações em planilhas do programa Excel, descritas no item 4.5, e com a elaboração dos gráficos de acordo com o método de Roberts.

4.1 EQUAÇÕES REFERENTES AO BALANÇO DE MASSA E ENERGIA

Inicialmente, foram calculados os açúcares redutores totais (ART) presentes na cana, que representam todos os açúcares (sacarose, glicose e frutose) na forma de açúcares redutores ou invertidos. Esse valor foi determinado a partir da Equação 1 utilizando o resultado da análise de polarização (pol) realizada em laboratório, que no caso deste estudo foi adotado um valor médio:

ART =

POL + AR 0,95

Sendo que: ART - Açúcares redutores totais (%) AR - Açúcares redutores (%) Pol - Polarização (sacarose aparente) (%)

(1)

70

A Equação 2 foi utilizada para obter a vazão mássica de ART de acordo com a porcentagem de ART presente na cana, previamente calculada pela Equação 1. WART = Wc × ART

(2)

Sendo que: WART - Vazão mássica de ART (t/h) WC - Vazão mássica de cana processada (t/h) ART - Açúcares totais redutores presentes na cana processada (%)

A Equação 3 define a produção de álcool utilizando o fator de conversão de ART em álcool, apresentado na Tabela 1 e o valor obtido para vazão mássica de ART a partir da Equação 2. Q e t = WART × 0,64775

(3)

Sendo que: Qet - Vazão volumétrica de etanol (m3/h) WART - Vazão mássica de ART (t/h) Como o volume gerado de vinhaça pode variar de acordo com o grau alcoólico do vinho fermentado e o tipo de aparelho de destilação utilizado, a razão vinhaça-álcool pode variar. Logo, a vazão de vinhaça foi obtida através da Equação 4 utilizando o resultado da vazão volumétrica de etanol obtido pela Equação 3: Q v = Q et xRVA

Sendo que: Qv - Vazão volumétrica de vinhaça (m3/h) RVA – Razão vinhaça-álcool (m³/m³) Qet - Vazão volumétrica de etanol (m3/h)

(4)

71

O vapor necessário para o processo foi calculado através da Equação 6 utilizando o consumo específico de vapor médio de 400 kgvapor/tcana e a moagem da planta de 500 t/h:

Wvp =

C ev × Wc 1000

(6)

Sendo que: Wvp = Vazão mássica de vapor necessário para processo (t/h) Cev = Consumo específico de vapor (kgvapor/tcana) Wc = Vazão mássica de cana (t/h) A quantidade de bagaço necessária para alimentar a caldeira e gerar o vapor requerido para o processo foi calculada utilizado a Equação 7, que relaciona consumo específico de bagaço em uma caldeira de alta pressão (adotado o valor médio de 2,1 kgvapor/kgbagaço) e a vazão de vapor obtida na Equação 6:

Wbc =

Wvp C eb

(7)

Sendo que: Wbc = Vazão mássica de bagaço para alimentar a caldeira (t/h) Wvp = Vazão mássica de vapor necessário para processo (t/h) Ceb = Consumo específico de bagaço na caldeira (tvapor/tbagaço) A quantidade de bagaço gerado na extração de caldo é:

Wb =

Wc × Fc 100 − (U b + Pol b )

Sendo que: Wb – Vazão mássica de bagaço gerada na extração de caldo (t/h) Wc – Vazão de cana na entrada da moenda (t/h) Fc – Teor de fibra na cana (%) Ub – Umidade do bagaço gerado (%)

(8)

72

Polb – Quantidade de pol presente no bagaço (%) A partir da quantidade de bagaço calculada para alimentar a caldeira (Wbc), foram obtidas as vazões mássicas e volumétricas de ar e gases de combustão de acordo com as relações apresentadas na Tabela 11 através das Equações 9, 10, 11 e 12: War = 5,7 × Wbc

(9)

Q ar = 4,4 × Wbc * 1000

(10)

Wg = 6,7 × Wbc

(11)

Q g = 5,1 × Wbc * 1000

(12)

Sendo que: War - Vazão mássica de ar de combustão (t/h) Qar - Vazão volumétrica de ar de combustão (Nm3/h) Wg - Vazão mássica de gases de combustão (t/h) Qg - Vazão volumétrica de gases de combustão (Nm3/h) Wbc - Vazão mássica de bagaço para alimentar a caldeira (t/h)

Como as combustões normalmente ocorrem sob pressões próximas da pressão atmosférica, pode-se considerar que os gases envolvidos na operação comportam-se como gases perfeitos. Para determinar a vazão real do ar e dos gases de combustão é necessário multiplicar as vazões normais pela temperatura e pressão do ar e dos gases em estudo: P1 × Q1 P2 × Q 2 = T1 T2

Sendo que: P1 – Pressão do ar/gás na CNTP (atm)

(13)

73

Q1 – Vazão do ar/gás na CNTP (Nm³/h) T1 – Temperatura do ar/gás na CNTP (K) P2 – Pressão do ar/gás na condição real (atm) Q2 – Vazão do ar/gás na condição real (Am³/h) T1 – Temperatura do ar/gás na condição real (K) Como o bagaço é um combustível sólido, utilizou-se a sua composição química em porcentagem mássica apresentada na Tabela 13, juntamente com a vazão mássica do combustível a ser queimado, que foi a base de cálculo para determinar a vazão de cada composto presente nos gases de combustão. Wb i = Wbc × x g i

(14)

Sendo que: Wbi – Vazão mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão (t/h) Wbc – Vazão mássica de bagaço para alimentar a caldeira (t/h) xgi – Fração mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão (-) As vazões dos componentes do ar utilizado para combustão foram determinadas a partir da seguinte Equação: Wa i = War × x a i

(15)

Sendo que: Wai – Vazão mássica do componente i presente no ar (t/h) War – Vazão mássica de ar para combustão (t/h) xai – Fração mássica do componente i do bagaço presente no gás de combustão (-)

As reações que ocorrem pela combustão completa (passagem de todo o carbono a dióxido de carbono, todo hidrogênio à água e todo o enxofre a dióxido de enxofre) da parte combustível do bagaço serão:

74

C + O → CO 2

(16)

H 2 + 12 O 2 → H 2 O

(17)

S + O 2 → SO 2

(18)

N2 → N2

(19)

Como foram estes três componetes que consumiram oxigênio do ar para combustão, a quantidade de oxigênio existente no bagaço foi considerada como combinada com parte do hidrogênio, formando água. Com base nas massas molares de cada componente das reações de combustão é possível determinar a vazão de produto:

WCO 2 =

WC × MM CO 2 MM C

(20)

Sendo que: WCO2 – Vazão mássica de gás carbônico (t/h) WC – Vazão mássica de carbono (t/h) MMCO2 – Massa molar de gás carbônico (g/mol) MMC – Massa molar de carbono (g/mol)

WH 2 O =

WH 2 × MM H 2 O MM H 2

Sendo que: WH2O – Vazão mássica de água gerada pela reação de combustão (t/h) WH2 – Vazão mássica de hidrogênio (t/h) MMH2O – Massa molar água (g/mol) MMH2 – Massa molar de hidrogênio (g/mol)

(21)

75

A vazão mássica de água total presente nos gases de combustão é a soma da umidade presente no bagaço e a vazão de água gerada pela reação de combustão:

WH 2 O _ T = WH 2 O + WH 2 O _ B

(22)

Sendo que: WH2O_T – Vazão mássica total de água nos gases de combustão (t/h) WH2O – Vazão mássica de água gerada pela reação de combustão (t/h) WH2O_B – Vazão mássica de água presente no bagaço (t/h)

WSO 2 =

WS × MM SO 2 MM S

(23)

Sendo que: WSO2 – Vazão mássica de dióxido de enxofre (t/h) WS – Vazão mássica de enxofre (t/h) MMSO2 – Massa molar dióxido de enxofre (g/mol) MMS – Massa molar de enxofre (g/mol)

WN 2 =

WN 2 × MM N 2 MM N 2

(24)

Sendo que: WN2 – Vazão mássica de nitrogênio (t/h) MMN2 – Massa molar de nitrogênio (g/mol)

WO 2 =

WO 2 × MM O 2 MM O 2

Sendo que: WO2 – Vazão mássica de oxigênio presente no bagaço (t/h) MMO2 – Massa molar de oxigênio (g/mol)

(25)

76

WO 2 CC =

WC × MM O 2 WH 2 × MM 12 O 2 WS × MM O 2 + + MM C MM H 2 MM SO 2

(26)

Sendo que: WO2CC – Vazão mássica de oxigênio consumido na combustão completa (t/h) WC – Vazão mássica de carbono (t/h) MMO2 – Massa molar de oxigênio (g/mol) MMC – Massa molar de carbono (g/mol) WH2 – Vazão mássica de hidrogênio (t/h) MM1/2 O2 – Massa molar de meia molécula de oxigênio (g/mol) MMH2 – Massa molar de hidrogênio (g/mol) WS2 – Vazão mássica de enxofre (t/h) MMSO2 – Massa molar de dióxido de enxofre (g/mol) WO 2 e = WO 2 CC − WO 2

(27)

Sendo que: WO2e – Vazão mássica de oxigênio estequeométrica (t/h) WO2CC – Vazão mássica de oxigênio da combustão completa (t/h) WO2 – Vazão mássica de oxigênio presente no bagaço (t/h) WO 2 S = WAR _ O 2 − WO 2 e

(28)

Sendo que: WO2s – Vazão mássica de oxigênio na saída dos gases de combustão (t/h) WO2 – Vazão mássica de oxigênio presente no ar (t/h) WO2e – Vazão mássica de oxigênio estequeométrica (t/h) Para checar se a vazão mássica total dos gases calculada pela relação apresentada na Equação 11 utilizou-se a seguinte equação: WT = WCO 2 + WH 2 O + WS O 2 + WN 2 + WO 2S

(29)

77

Sendo que: WT – Vazão mássica total de gases de combustão (t/h) A massa molar dos gases de combustão foi determinada a partida da Equação 16..

MM g =

WT  WCO 2 WSO 2 WN 2 WH 2 O WO 2  + + + +  MM CO 2 MM SO 2 MM N 2 MM H 2 O MM O 2

  

(30)

Sendo que: MMg – Massa molar do componete i do bagaço presente no gás de combustão (g/mol) WT – Vazão mássica total de gases de combustão (t/h) WCO2 – Vazão mássica de gás carbônico (t/h) MMCO2 – Massa molar de gás carbônico (g/mol) WH2O – Vazão mássica de água (t/h) MMH2O – Massa molar água (g/mol) WSO2 – Vazão mássica de dióxido de enxofre (t/h) MMSO2 – Massa molar dióxido de enxofre (g/mol) WN2 – Vazão mássica de nitrogênio (t/h) MMN2 – Massa molar de nitrogênio (g/mol) WO2 – Vazão mássica de oxigênio (t/h) MMO2 – Massa molar de oxigênio (g/mol) A fração mássica de cada componente presente nos gases de combustão foi calculada pela seguinte equação:

Xi =

Wg i WT

× 100

Sendo que: Xi – Fração mássica do componente i presente nos gases de combustão (%) Wgi – Vazão mássica do componente i presente nos gases de combustão (t/h) WT – Vazão total dos gases de combustão (t/h)

(31)

78

A densidade dos gases de combustão é obtida pela seguinte equação:

ρg =

P × MM g R × Tg

(32)

Sendo que: P – Pressão atmosférica (kPa) MMg – Massa molar dos gases de combustão (g/mol) R – Constante universal dos gases (kPa. L/mol. K) Tg – Temperatura dos gases de combustão (K) Além dos gases de combustão há o material particulado que foi determinado a partir da Equação 34 que utiliza a relação de geração de material particulado (3,6 kg/tc) e a porcentagem de material lançado na atmosfera (80%), ou seja, liberado na saída da caldeira e coletado pelo lavador de gases. Wf = 3,6 × WC × 0,80

(33)

Sendo que: Wf – Vazão mássica de fuligem gerada na combustão (kg/h) Wc - Vazão mássica de cana de açúcar (t/h) A concentração de fuligem (Ce) foi calculada pela Equação 32:

Ce =

Wf Qg

Sendo que: Ce - Concentração de fuligem na CNTP (kg/Nm³) Wf - Vazão mássica de fuligem gerada na combustão (kg/h) Qg - Vazão volumétrica de gases de combustão na CNTP (Nm3/h)

(34)

79

A fuligem que é liberada após a queima é captada em um lavador de gases para que o limite de emissão não exceda o permitido na legislação. As seguintes equações foram utilizadas para o balanço de massa e de umidade para a fase gasosa no lavador: G o = G i + Evap

(35)

Sendo que: Go – Vazão mássica de gás úmido na saída do lavador de gases (t/h) Gi – Vazão mássica de gás úmido na entrada do lavador de gases (t/h) Evap – Vazão mássica de água evaporada no lavador de gases (t/h)

O balanço mássico de gás seco para lavador fornece que:

G go = G gi

(36)

Sendo que: Ggo – Vazão mássica de gás seco na saída do lavador de gases (t/h) Ggi – Vazão mássica de gás seco na entrada do lavador de gases (t/h) O balanço de umidade apresenta uma divisão de duas componentes na vazão mássica de gás na entrada e na saída do lavador: gás seco (g) e umidade (a). G o = G go + G ao

(37)

G i = G gi + G ai

(38)

Sendo que: Gao - Vazão mássica de água na saída do lavador de gases (t/h) Gai - Vazão mássica de água na entrada do lavador de gases (t/h)

80

A vazão mássica de umidade dos gases de combustão na entrada do lavador e as vazões mássicas dos componentes dos gases de combustão foram obtidas pela seguinte equação: Gai = Gi × Xai

(39)

Sendo que: Gai - Vazão mássica de água na entrada do lavador de gases (t/h) Gi – Vazão mássica de gás úmido na entrada do lavador de gases (t/h) Xai – Fração mássica de água presente no gás na entrada do lavador de gases (-)

A umidade absoluta do gás (HA) pode ser obtida através da carta psicrométrica ou das equações (40) e (41):

H Ai =

G ai G gi

(40)

Sendo que: Gai - Vazão mássica de água na entrada do lavador de gases (t/h) Ggi – Vazão mássica de gás seco na entrada do lavador de gases (t/h)

H Ao =

G ao G go

(41)

Sendo que: Gao - Vazão mássica de água na saída do lavador de gases (t/h) Ggo – Vazão mássica de gás seco na saída do lavador de gases (t/h) Consequentemente obtém-se:

G i = G gi × (1 + H Ai )

Sendo que: Ggi – Vazão mássica de gás seco na entrada do lavador de gases (t/h)

(42)

81

HAi – Umidade absoluta do ar na entrada do lavador de gases (gágua/ggás seco)

G o = G go × (1 + H Ao )

(43)

Sendo que: Ggo – Vazão mássica de gás seco na saída do lavador de gases (t/h) HAo – Umidade absoluta do ar na saída do lavador de gases (gágua/ggás seco) Evap = G gi × (H Ao − H Ai )

(44)

Sendo que: Ggi – Vazão mássica de gás seco na entrada do lavador de gases (t/h) HAo – Umidade absoluta do ar na saída do lavador de gases (gágua/ggás seco) HAi – Umidade absoluta do ar na entrada do lavador de gases (gágua/ggás seco) Considerando que todo o líquido utilizado no lavador de gases coletou toda a fuligem presente nos gases de combustão, a seguinte equação foi utilizada para a determinação da concentração de sólidos presentes no líquido:

C fv =

Wf Qv

(45)

Sendo que: Cfv – Concentração de fuligem na vinhaça (kg/m³) Qv - Vazão volumétrica de vinhaça (m3/h) Wf - Vazão mássica de fuligem gerada na combustão (kg/h)

4.2 EQUAÇÕES PARA O DIMENSIONAMENTO DO LAVADOR DE GASES

As equações e parâmetros necessários para o cálculo do lavador de gases foram extraídos dos trabalhos de LIU & LIPTAK (2000); JOSEPH (1998) e LORA (2000).

82

A distribuição granulométrica adotada para este estudo foi apresentada no item 3.6, porém como se trata de uma distribuição volumétrica os valores foram divididos pela densidade da fuligem obtida através da análise realizada pela UFSCAR através do método de picnometria a gás hélio. Primeiramente, calculou-se o parâmetro de impactação para cada partícula através da Equação (46): ρ p × d pi × v g 2

K pi =

(46)

9 × µ g × D gota

Sendo que: Kpi - Parâmetro de impactação (-) ρp - Densidade da partícula (kg/m³) dpi - Diâmetro da partícula i (m) vg - Velocidade de ascensão do gás no lavador (m/s) µg - Viscosidade do gás (Pa.s) Dgota - Diâmetro da gota gerada no bico atomizador (m) Considerou-se que os gases de combustão possuiam as mesmas propriedades do ar, portanto, a viscosidade é obtida através da Equação (47):

 Tg + 273   µ g = 1,73 × 10 ×   273 

1, 5

5

 398 ×  398 + T g 

   

(47)

Sendo que:

Tg – Temperatura do gás (K) Os parâmetros como velocidade do gás e diâmetro da gota são obtidos a partir da Tabela 16. O diâmetro da partícula foi definido pela distribuição granulométrica apresentada na Tabela 12. Em seguida, foi preciso determinar a eficiência individual de cada gota no lavadorη ( i*) através da Equação (48):

83

 K pi   ηi * =   K + 0,7    pi

(48)

Sendo que: ηi* - Eficiência individual de cada gota no lavador (-) Kpi - Parâmetro de impactação (-) A velocidade terminal da gota (vtgota) foi calculada de acordo com a região em que se encontra o seu escoamento: Região I (Lei de Stokes), Região II (Transição) ou Região III (Lei de Newton). O método de cálculo da velocidade terminal foi baseado em tentativas. Se o diâmetro da partícula for maior que 1 µm (dpi > 1 µm) a Equação (49) a velocidade terminal da gota apresentada para a Região I pode ser utilizada.  d p 2 × g × (ρ p − ρ f )   vt =    18 × µ f  

(49)

Sendo que: vt - Velocidade terminal da gota (m/s) dp - Diâmetro médio da partícula (m) g - Aceleração da gravidade (m/s²) ρp - Densidade da partícula (kg/m³) ρg - Densidade do gás de combustão (kg/m³) μg - Viscosidade do gás de combustão (Pa.s) Calculou-se o número de Reynolds para validar a equação utilizada através da Equação 50.  ρf × v t × d p Re p =  µf 

Sendo que:

  

(50)

84

Rep - Número de Reynolds da partícula (-) ρg - Densidade do gás de combustão (kg/m³) vt - Velocidade terminal da partícula (m/s) dp - Diâmetro médio da partícula (m) μg - Viscosidade do gás de combustão (Pa.s) As equações da Região I somente são válidas para o número de Reynolds menor que 1 (Re < 1). Caso o valor do número de Reynolds não esteja no intervalo, é necessário utilizar a Equação 51, referente à Região II para calcular a velocidade terminal da gota.

 16 × d p × g × (ρ p − ρ f ) vt =   1521 × ρ f × µ f  3

2

2

   

1 3

(51)

Sendo que: vt - Velocidade terminal da gota (m/s) dp - Diâmetro médio da partícula (m) g - Aceleração da gravidade (m/s) ρp - Densidade da partícula (kg/m³) ρg - Densidade gás de combustão (kg/m³) μg - Viscosidade do gás de combustão (Pa.s) Novamente, foi preciso determinar o valor do número de Reynolds através da Equação 50 utilizando a velocidade terminal da partícula na Região II. Se este estiver compreendido no intervalo de 1