ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina OBTENÇÃO DE ÓLEO COMBUSTÍVEL E CARVÃO A PARTIR DE RESÍDUO INDUSTRIAL UTILIZANDO O PROCESSO DE CONVERSÃO A BAIXA TEMPERATURA Roberto Guimarães Pereira Gilberto Alves Romeiro Raimundo Nonato Damasceno Paulo Maurício de Albuquerque Senra PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 ICTR 2004 CÓDIGO OBTENÇÃO DE ÓLEO COMBUSTÍVEL E CARVÃO A PARTIR DE RESÍDUO INDUSTRIAL UTILIZANDO O PROCESSO DE CONVERSÃO A BAIXA TEMPERATURA Roberto Guimarães Pereira 2, Gilberto Alves Romeiro 3, Raimundo Nonato Damasceno 3, Paulo Maurício de Albuquerque Senra 4 2 Universidade Federal Fluminense, Departamento de Engenharia Mecânica e Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, Rua Passo da Pátria 156, Niterói, RJ, Brasil, CEP , tel.: (55)(21) , fax: (55)(21) , e.mail: temrobe@vm.uff.br 3 Universidade Federal Fluminense, Departamento de Química Orgânica e Programa de Pós- Graduação em Química Orgânica, gilbertoromeiro@ig.com.br 4 Light Serviços de Eletricidade S. A., Gerência de Estudos e Gestão de Geração, paulo.senra@light.com.br 3385

3 Resumo O presente trabalho refere-se à caracterização e aplicação do óleo e carvão obtidos através do Processo de Conversão a Baixa Temperatura aplicado a resíduo industrial gerado em estação de tratamento de efluente de indústria petroquímica. Parâmetros reológicos e físico-químicos, tais como viscosidade, densidade, teor de enxofre, ponto de fulgor, ponto de fluidez e pode calorífico foram obtidos. A caracterização do óleo obtido indica a possibilidade de classificá-lo como óleo combustível. Também, estuda-se a aplicação do óleo em motores. Desenvolvida a partir de estudos sobre a viabilidade da produção de biodiesel a partir de lodo de estações de tratamento de esgotos na Alemanha dos anos 1980, a técnica de Conversão a Baixa Temperatura (Low Temperature Conversion LTC) é um processo termoquímico, cujo principal objetivo é o de ampliar o ciclo de vida de passivos ambientais. A LTC vem sendo aplicada a diversas biomassas de origem urbana, industrial e agrícola, procurando-se por meio da conversão térmica transformá-los em produtos de potencial valor comercial. Dependendo do tipo de biomassa empregada no processo, são obtidas uma fração lipofílica e um resíduo carbonáceo sólido em proporções variáveis, além de uma fração hidrofílica e gases de conversão. A fração lipofílica é direcionada para estudos sobre a viabilidade de sua aplicação como combustível ou outros compostos de possível aplicação comercial (como graxas, lubrificantes, resinas, etc) enquanto o resíduo carbonáceo é direcionado a estudos de sua ativação para que possa ser empregado como carvão ativo, além da possível utilização direta como energético. 3386

4 OBTENÇÃO DE ÓLEO COMBUSTÍVEL E CARVÃO A PARTIR DE RESÍDUO INDUSTRIAL UTILIZANDO O PROCESSO DE CONVERSÃO A BAIXA TEMPERATURA Roberto Guimarães Pereira 2, Gilberto Alves Romeiro 3, Raimundo Nonato Damasceno 3, Paulo Maurício de Albuquerque Senra 41 Resumo O presente trabalho refere-se à caracterização e aplicação do óleo e carvão obtidos através do Processo de Conversão a Baixa Temperatura aplicado a resíduo industrial gerado em estação de tratamento de efluente de indústria petroquímica. Parâmetros reológicos e físico-químicos, tais como viscosidade, densidade, teor de enxofre, ponto de fulgor, ponto de fluidez e pode calorífico foram obtidos. A caracterização do óleo obtido indica a possibilidade de classificá-lo como óleo combustível. Também, estuda-se a aplicação do óleo em motores. Desenvolvida a partir de estudos sobre a viabilidade da produção de biodiesel a partir de lodo de estações de tratamento de esgotos na Alemanha dos anos 1980, a técnica de Conversão a Baixa Temperatura (Low Temperature Conversion LTC) é um processo termoquímico, cujo principal objetivo é o de ampliar o ciclo de vida de passivos ambientais. A LTC vem sendo aplicada a diversas biomassas de origem urbana, industrial e agrícola, procurando-se por meio da conversão térmica transformá-los em produtos de potencial valor comercial. Dependendo do tipo de biomassa empregada no processo, são obtidas uma fração lipofílica e um resíduo carbonáceo sólido em proporções variáveis, além de uma fração hidrofílica e gases de conversão. A fração lipofílica é direcionada para estudos sobre a viabilidade de sua aplicação como combustível ou outros compostos de possível aplicação comercial (como graxas, lubrificantes, resinas, etc) enquanto o resíduo carbonáceo é direcionado a estudos de sua ativação para que possa ser empregado como carvão ativo, além da possível utilização direta como energético. Palavras-chave: resíduo; conversão térmica; óleo; carvão 1 2 Universidade Federal Fluminense, Departamento de Engenharia Mecânica e Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica, Rua Passo da Pátria 156, Niterói, RJ, Brasil, CEP , tel.: (55)(21) , fax: (55)(21) , e.mail: temrobe@vm.uff.br 3 Universidade Federal Fluminense, Departamento de Química Orgânica e Programa de Pós- Graduação em Química Orgânica, gilbertoromeiro@ig.com.br 4 Light Serviços de Eletricidade S. A., Gerência de Estudos e Gestão de Geração, paulo.senra@light.com.br 3387

5 Introdução Projetos de conversão de biomassas em diesel e carvão ativado podem ser uma das soluções alternativas de parte dos problemas ambiental, energético e econômico do Brasil e de vários países. O investimento neste tipo de tecnologia é ecologicamente sustentável, proporciona retorno econômico, devido à geração de carvão ativado, hoje importado pelo Brasil, e de biodiesel. Em relação ao reaproveitamento energético de lodos, esgotos, resíduos industriais e agrícolas, a Tecnologia de Conversão a Baixa Temperatura LTC (Low Temperature Conversion) vêm se estabelecendo como uma alternativa para este tipo de problemática. Desta forma, é proposta uma solução alternativa para o problema da geração de energia, utilizando-se da LTC a partir de lodos e resíduos industriais, gerando-se um óleo com características que possam enquadrá-lo como um combustível para aplicação direta. Além da redução do impacto ambiental proveniente das atividades do setor industrial quanto a produção de resíduos, na medida que estes tornam-se matéria para esse tipo processo. Conversão a Baixa Temperatura Desenvolvida a partir de estudos sobre a viabilidade da produção de biodiesel a partir de lodo de estações de tratamento de esgotos na Alemanha dos anos 1980, a técnica de Conversão a Baixa Temperatura (Low Temperature Conversion LTC) é um processo termoquímico, cujo principal objetivo é o de ampliar o ciclo de vida de passivos ambientais. A LTC vem sendo aplicada a diversas biomassas de origem urbana, industrial e agrícola, procurando-se por meio da conversão térmica transformá-los em produtos de potencial valor comercial. Dependendo do tipo de biomassa empregada ao processo, são obtidas uma fração lipofílica e um resíduo carbonáceo sólido em proporções variáveis, além de uma fração hidrofílica e gases de conversão. A fração lipofílica é direcionada para estudos sobre a viabilidade de sua aplicação como combustível ou outros compostos de possível aplicação comercial (como graxas, lubrificantes, resinas, etc.) enquanto o resíduo carbonáceo é direcionado a estudos de sua ativação para que possa ser empregado como carvão ativo, além da possível utilização direta como energético (VIEIRA et al. 2001; VIEIRA et al. 1999; SANTOS. et al., 1999; BRANDÃO et al., 1999). Material e Métodos As amostras utilizadas foram oriundas de Lodo de Estação de Tratamento de Efluentes de Indústria de produção de matéria prima para confecção de borracha. A amostra de biomassa ou resíduo, previamente seca a temperatura de 60 o C 100 o C (em média 300g) é submetida ao processo de Conversão a Baixa Temperatura utilizando um reator do tipo batelada. A amostra é empacotada em um tubo de vidro de 1,40 m com 10 mm de espessura e introduzida no reator tipo batelada. A temperatura do processo é regulada a 380 o C (380 o 450 o C), sendo o tempo de retenção de 3 horas e 30 minutos aproximadamente. O sistema é mantido 3388

6 sob atmosfera de nitrogênio, para evitar reações indesejáveis ao processo. A mistura água e óleo é coletada em um funil de separação após condensada. A fase sólida (carvão) fica retida no interior do tubo conversor enquanto a fase gasosa, não condensável, é recolhida em trapes auxiliares. A Figura 1 mostra o equipamento utilizado no processo. Figura 1. Aparelho de conversão térmica do tipo batelada localizado no Instituto de Química/UFF Quatro produtos são obtidos no processo: (i) Fase gasosa - recolhida em sistema de trapes com solventes de diferentes polaridades; (ii) Fase sólida - separada no Conversor, fica retida entre pedaços de lã de vidro; (iii) Fase líquida - constituída de fase aquosa e uma fase óleo, separada por diferença de densidades. Alguns casos de emulsões são separados por extrações. Resultados e Discussão O lodo gerado em Estação de Tratamento de Resíduo Insdustrial (ETRI) foi processado em escala laboratorial em modo batelada. Os resultados de rendimento do processo encontram-se na Tabela 1. Tabela 1: Rendimento médio (%) dos produtos de Conversão à Baixa Temperatura - processo batelada Coversão a Baixa Temperatura - Processo Batelada F. L. O (%) F. S (%) F.A (%) F.G (%) Resíduo proveniente de ETRI Obs. F.L.O - Fração Líquida Orgânica F.S - Fração Sólida F.A - Fração Aquosa F.G - Fração Gasosa 3389

7 Para a fração líquida orgânica ser classificada como combustível deve estar enquadrada de acordo com as especificações de óleos combustíveis estabelecidas na portaria n o 80, de 30 de Abril de 1999 do regulamento técnico ANP no 3/99. Os óleos combustíveis especificados no referido regulamento são os óleos residuais de alta viscosidade, obtidos do refino do petróleo ou através da mistura de destilados pesados com óleos residuais de refinaria. Estes óleos são utilizados como combustível pela industria, de modo geral em equipamentos destinados a geração de calor - fornos, caldeiras e secadores, ou indiretamente em equipamentos destinados a produzir trabalho a partir de uma fonte térmica. São manuseados geralmente aquecidos, devem ser homogêneos, livres de ácidos inorgânicos e isentos, tanto quanto possível de partículas sólidas ou fibrosas, partículas estas que determinam a frequência necessária da limpeza ou troca de filtros combustíveis. As características contempladas por esta especificação são aquelas de maior importância para a determinação do desempenho do produto e do impacto ambiental. As seguintes características devem ser levadas em consideração: - Viscosidade a viscosidade de um fluido é a medida da sua resistência ao escoamento a uma determinada temperatura. É umas das características mais importantes do óleo combustível, que determinará as condições de manuseio e utilização do produto. - Enxofre - O teor de enxofre de um óleo combustível depende da origem do petróleo, da matéria prima e do processo através do qual foi produzido. É limitado por provocar processos de corrosão e causar emissões poluentes. Segundo a resolução em questão ficam vedadas a comercialização e a utilização de óleos combustíveis em todo território Brasileiro com teores de enxofre superiores ao estabelecido abaixo: - 1,0 % em massa: nas regiões metropolitanas de São Paulo, baixada Santista, Rio de Janeiro, Belo Horizonte e Curitiba. - 2,5 % em massa nas demais regiões do Brasil. Estes limites podem ser ultrapassados, respeitando-se um valor máximo de 4 % em massa, caso a utilização do óleo combustível produza emissões de poluentes que atendam aos limites estabelecidos pelo órgão ambiental da jurisdição, casos que deverão ser informados à ANP. - Ponto de Fulgor é definido como a menor temperatura na qual o produto se vaporiza em quantidades suficientes com o ar, formando uma mistura capaz de inflamar se momentaneamente quando se aplica uma centelha sobre mesma. É um dado de segurança para o manuseio do produto e um parâmetro utilizado para detectar a contaminação do óleo combustível por produtos mais leves. - Densidade a 20/4 o C é a relação entre a massa específica do produto a 20 o C e a massa especifica da água a 4 o C. Como dado isolado tem pouco significado no que diz respeito ao desempenho da queima do óleo combustível. No entanto, associado a outras propriedades pode-se determinar o poder calorífico superior e desta maneira permitir a determinação da eficiência dos equipamentos onde esta sendo consumido. - Vanádio - Metal encontrado com frequência no petróleo, tem especificado seu limite no óleo combustível para prevenir a formação de depósitos por incrustação nas superfícies externas dos tubos aquecidos. Estes depósitos causam a corrosão e a perda de eficiência térmica dos equipamentos. 3390

8 Segundo o referido regulamento técnico da ANP, a verificação das características do óleo combustível deverá ser realizada mediante o emprego das normas Brasileiras NBR e métodos brasileiros MB da Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT e dos métodos da American Society for Testing and Materials ASTM. A Tabela 2 mostra resultados de análises físico-químicas realizadas no Resíduo de ETRI, no óleo de LTC e no carvão de LTC, sendo utilizados os seguintes métodos: ASTM B (Poder Calorífico); ASTM D 5002(Densidade Relativa); ASTM (API); ASTM (Teor de Enxofre). Tabela 2. Propriedades do Resíduo de ETRI, óleo de LTC e carvão de LTC Parâmetros Resíduo de ETEI seco a 400 o C Óleo de LTC Carvão de LTC Poder calorífico superior Kcal/Kg Densidade a n.m. 0,9517 n.m. 20/4 o C GRAU API n.m. 16,6 n.m. % Enxofre n.m 0,17 0,68 % Nitrogênio n.m 9,6 n.m % Oxigênio n.m. 2,8 n.m n.m. = não medido Em relação a propriedades de interesse do Óleo, observou-se um baixo teor de enxofre e de nitrogênio (Tabela 2) o que implica em diminuição da formação de gases do tipo SO X e NO X na combustão deste óleo, minimizando impactos ambientais. Além disso, os valores de densidade relativa e grau API encontraram-se dentro da faixa recomendada para óleos combustíveis, segundo a Resolução ANP n o 03/99. Verificou-se, também, um considerável poder calorífico quando comparado com outros combustíveis utilizados atualmente como a gasolina e o álcool, por exemplo (Tabela 3). Tabela 3. Poder Calorífico do óleo obtido por LTC e de fontes energéticas comuns Fontes Energéticas Poder Calorífico (kcal/kg) Óleo obtido por LTC 9700 Álcool Etílico 7200 Gasolina Coque

9 Testes reológicos foram, ainda, realizados em um reômetro RS50 interligado a um banho terrmostático K20-DC5, fabricados pela HAAKE. As amostras do óleo obtido através da tecnologia de Conversão a Baixa Temperatura foram ensaiadas em diferentes temperaturas analisando-se o comportamento do fluido mediante o cisalhamento das mesmas obtendo-se assim curvas de escoamento e viscosidade. A viscosidade do óleo conforme evidenciado na Figura 2 manteve-se constante na faixa de taxa de cisalhamento investigada. Este é um fator positivo para a utilização deste óleo como combustível, na medida que a lubricidade de componentes de um motor não será alterada com possíveis variações nas taxas de cisalhamento impostas. 0,1000 Viscosidade Absoluta (Pa.s) 0,0100 Óleo a 25 ºC Óleo a 45 ºC Óleo a 65 ºC 0, Taxa de Cisalhamento (1/s) Figura 2: Viscosidade do óleo obtido através do processo de conversão a baixa temperatura a partir de resíduo proveniente de ETRI Conclusões Aplicando-se o Processo de Conversão a Baixa Temperatura a resíduo industrial de indústria petroquímica, obteve-se uma fração lipofílica (óleo) e uma fração sólida (carvão) em proporções variáveis, além de uma fração hidrofílica e gases de conversão. A fração lipofílica apresenta potencial para utilização como combustível ou outros compostos de possível aplicação comercial (como graxas, lubrificantes, resinas, etc) enquanto a fração sólida é direcionado a estudos de sua ativação para que possa ser empregado como carvão ativo, além da possível utilização direta como energético. 3392

10 Agradecimentos Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq, à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro - FAPERJ e à LIGHT pelo apoio financeiro prestado. Referências Bibliográficas BRANDÃO, F. A. et al. Assessment of Biomass from Cotton Agriculture by Low Temperature Conversion. In: IV WORKSHOP BRAZIL-GERMANY FOR ENVIRONMENTAL SCIENCES AND TECHNOLOGY EXCHANGE. Rio de Janeiro, Mar, 8-10, p SANTOS, T. H. et al. Low Temperature Conversion of Corn Feedstocks: evaluation amd quantification of oil, water, char and gases. In: IV WORKSHOP BRAZIL- GERMANY FOR ENVIRONMENTAL SCIENCES AND TECHNOLOGY EXCHANGE. Rio de Janeiro, Mar, 8-10, p VIEIRA, G. E. G. et al. A tecnologia de Conversão a Baixa Temperatura LTC e o reaproveitamento do lodo residual da Indústria Petroflex. Rio de Janeiro: IBP, VIEIRA, G. E. G. et al. Low Temperature Conversion of Industrial Residue Analysis of preliminary yelds of obtained products by continuous and bench-scale process. In: IV WORKSHOP BRAZIL-GERMANY FOR ENVIRONMENTAL SCIENCES AND TECHNOLOGY EXCHANGE. Rio de Janeiro, Mar, 8-10, p

11 Abstract The present work refers to the characterization and application of the oil and coal obtained through the Low Temperature Conversion Process applied to industrial residue generated in station of treatment of efluente of petro-chemical industry. Rheological and physicochemical parameters, such as viscosity, density, tenor of sulfur, flash point, and heat of combustion they were obtained. The characterization of the obtained oil indicates the possibility to classify it as fuel oil. Also, it is studied the application of the oil in motors. Developed starting from studies about the viability of the biodiesel production starting from mud of stations of treatment of sewers in Germany of the years 1980, the technique of Low Temperature Conversion (LTC) it is a thermo quimical process, whose main objective is to enlarge the cycle of life of environmental liabilities. LTC has been applied to several biomasses of urban, industrial and agricultural origin, being sought through the thermal conversion to transform them in products of potential commercial value. Depending on the biomass type used in the process, they are obtained a liquid fraction and a solid fraction in variable proportions, besides a aqueous fraction and conversion gases. The liquid fraction is addressed for studies about the viability of its application as fuel or other composed of possible commercial application (as greases, lubricants, resins, etc) while the solid fraction is addressed to studies of its activation so that it can be used as active coal, besides the possible direct use as energy. Key-words: thermal conversion; residue; oil, coal 3394