8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 INFLUÊNCIA DA SEPARAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS PARA FINS DE RECICLAGEM NO PROCESSO DE INCINERAÇÃO COM GERAÇÃO DE ENERGIA Engº. Poletto, J., A. Prof. Dr. Silva, C., L Aluno do Curso de Pós Graduação em Eng. Mecânica FEB - UNESP Bauru/Brazil jpoletto@uol.com.br Departamento de Engenharia Mecânica FEB UNESP Bauru/Brazil celsos@feb.unesp.br RESUMO O presente trabalho analisa a recuperação de energia do Resíduo Sólido Urbano (RSU) através do Processo de Incineração. Leva em consideração a tendência atual de segregação (separação) de plásticos, papel e papelão, vidro e metais, e sua influencia nos fluxos de massa e energia no Sistema de Incineração de RSU. Para o seu desenvolvimento foram utilizadas informações relativas à geração do RSU da cidade de Bauru e o software Combust. Os resultados obtidos permitiram estimar o Poder Calorífico Teórico do RSU típico e também deste resíduo quando se considera a separação de papel/papelão e plásticos para fins de reciclagem. Palavras Chave: Incineração de RSU, Poder Calorífico, Segregação. Código 525

2 INTRODUÇÃO A coleta, tratamento e disposição final dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) ainda é um problema na maioria das cidades do Brasil. Os problemas de higiene, poluição das águas subterrâneas pela lixiviação, contaminação pelo resíduo biológico é uma preocupação constante quando a disposição final do RSU é feita em aterros não controlados. A queima controlada dos RSU quando realizada em instalações com dispositivos adequados de controle da poluição do ar, permite uma solução definitiva ao problema, com baixo impacto ambiental, se realizada com critérios técnicos adequados. A composição do RSU é influenciada por vários fatores, número de habitantes, poder aquisitivo, nível educacional, hábitos e costumes da população, condições climáticas e sazonais, e mudanças na política econômica de um país. Segundo Oliveira (2.001) a composição física dos RSU de algumas cidades paulistas, com características semelhantes as de Bauru, está demonstrada na Tabela 1. Tabela 1: Composição física do RSU (%) Cidade Ano Matéria Papel e Plástico Vidro Metal Outros Orgânica papelão Botucatu ,11 7,61 8,41 1,99 3,86 4,02 São Carlos ,7 21,3 8,5 1,4 5,4 6,7 Rio Claro ,8 15,2 5,5 2,1 3,5 10,9 São Paulo ,8 29,6 9,0 4,9 5,4 13,3 Fonte: Oliveira (2.001) Segundo o IPT (2.001) na Figura 1 encontra-se a composição média do RSU no Brasil. Figura 1: Composição média do RSU no Brasil [IPT 2.001] A reciclagem energética tem estreita relação com a incineração de RSU. Ela é feita a partir de uma instalação de combustão de RSU que difere da usina de incineração porque gera um produto, a energia (eletricidade), que pode ser vendido, resultando em receita para o município. Segundo dados da EPA USA (1.989) quando a incineração dos RSU tem como objetivo a recuperação de energia deve-se conhecer a composição dos RSU, diretamente relacionada à quantidade de energia a ser recuperada. A umidade e a redução de percentagem de plásticos, por exemplo, diminuem a energia gerada, elevando o custo da tonelada incinerada e conseqüentemente da energia vendida. Ainda de acordo com a EPA (1.989) nos Estados Unidos estima-se que 75% (em peso) dos RSU são combustíveis; e no Brasil, a parte combustível dos RSU, varia em torno de 40% [Lima, 1.995]. Segundo Barbosa (1.995) o valor médio do PCI para os RSU, no Brasil, é de kcal/kg (5,44MJ/kg). Segundo Lima (1.979) o valor do PCS do RSU no Brasil é de kcal/kg (17,86 MJ/kg) e do PCI é kcal/kg (5,38 MJ/kg).

3 Com a atual tendência da segregação de materiais que tem algum valor de mercado, encontrados no RSU, surge a questão da variação no Poder Calorífico em função do tipo e qualidade do material segregado. Reciclagem é um conjunto de técnicas que tem por finalidade aproveitar os detritos e reutilizá-los no ciclo de produção de que saíram. É o resultado de uma série de atividades pelas quais materiais que se tornariam lixo, são desviados, coletados, separados e processados para serem usados como matéria-prima na manufatura de novos produtos. Este procedimento pode influenciar o rendimento de uma usina de recuperação de energia, por exemplo, a redução na quantidade de plásticos presentes no RSU pode elevar o custo da produção de energia, pois diminui o seu poder calorífico. As características de alguns materiais recicláveis podem ser reunidas na Tabela 2, conforme Wells (1.996/1.998). Tabela 2: Características de alguns materiais recicláveis Material Peso no RSU (%) Reciclagem no Preço Médio de Poder Calorífico Brasil (%) Mercado (R$/ton.) (kcal/kg) Papel ondulado 4, , Papel e Papelão , PEBD 5 a , Plástico Rígido , PET 1, , Fonte: Cempre (Compromisso Empresarial para Reciclagem), e O valor médio do Poder Calorífico Inferior (PCI) de alguns materiais encontrados no RSU está reunido na Tabela 3, conforme Conesa (2.005). Tabela 3: Valor médio PCI de alguns componentes do RSU Material PCI (kcal/kg) Resíduo de comida 700 Papel/papelão Têxtil Madeira Plástico Fonte: Universidade de Alicante ES (2.005) Questões ambientais sérias estão envolvidas na escolha do material para reciclagem, ou deixá-los com os RSU para melhoria do poder calorífico. Por exemplo, uma tonelada de apara de papel ondulado pode evitar o corte de 10 a 12 árvores provenientes de plantações comerciais reflorestadas. A fabricação de papel com uso de aparas gasta 10 a 50 vezes menos água que no processo tradicional que usa celulose virgem, além de reduzir o consumo de energia pela metade. Ou ainda a separação ou não do Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) que juntamente com o Polietileno Tereftalato (PET) possuem alto poder calorífico, mas que liberam gases nocivos ao meio ambiente quando incinerados, podendo-se citar o monóxido e dióxido de carbono, acetaldeído, benzoato de vinila e ácido benzóico. A geração desses gases exige sistemas de tratamento de gases mais sofisticados e eficientes, implicando na geração de energia mais cara. A determinação da quantidade de RSU produzido em uma cidade e seus diversos componentes não é simples, dependendo de uma série de fatores, mantendo uma relação direta com o número de habitantes. Conforme os dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE (2.000), a geração de RSU pode ser estimada de acordo com a população. Na Tabela 4 encontra-se a produção de RSU por pessoa baseado no número de habitantes de uma determinada região brasileira.

4 Tabela 4: Índice de produção per capita da RSU em função da população Fonte: IBGE (2.000) População (hab.) Produção de RSU (kg/hab.dia) Até ,4 De a ,5 De a ,6 Maior que ,7 Bauru é uma típica cidade de porte médio do interior paulista, contando hoje com aproximadamente habitantes [IBGE 2.001] e Produto Interno Bruto (PIB) de R$ ,00. Gera diariamente Kg de RSU, que são destinados para o aterro sanitário, segundo informações da Secretaria do Meio Ambiente da cidade. Considerando os critérios da Tabela 4, Bauru gera 0,6 kg/hab.dia de RSU, ou seja, aproximadamente kg por dia. A estimativa das quantidades por habitante e totais de RSU gerados, bem como sua composição, pode ser divergente, pois depende de vários fatores, tais como: época do ano, tipo de coleta e pesagem, climatologia, entre outros, Tchobanoglous (1.996). A análise elementar do RSU implica na determinação da porcentagem de Carbono (C), Hidrogênio (H), Oxigênio (O), Nitrogênio (N), Enxofre (S), e cinza. Tal análise é importante devido tanto ao aspecto energético, como com relação à preocupação com a emissão de compostos clorados durante a incineração. Na Tabela 5 encontra-se uma composição média, obtida com dados americanos, mas que são utilizados na maioria dos trabalhos sobre o assunto. Tabela 5: Composição dos RSU Domésticos - Orgânicos Porcentagem em massa (% - Base seca) Componentes Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Enxofre Cinzas Res. Comida 48,0 6,4 37,6 2,6 0,4 5,0 Papel/papelão 43,5 6,0 44,0 0,3 0,2 6,0 Plásticos 60,0 7,2 22,8 10,0 Têxteis 55,0 6,6 31,2 4,6 0,15 2,5 Borracha 78,0 10,0 2,0 10,0 Couro 60,0 8,0 11,6 10,0 0,4 10,0 Res. Jardim 47,8 6,0 38,0 3,4 0,3 4,5 Madeira 49,5 6,0 42,7 0,2 0,1 1,5 Fonte: Tchobanoglous (1.996) Ainda segundo Tchobanoglous (1.996), na Tabela 6 encontra-se a composição da parte inorgânica que não irá contribuir para o Poder Calorífico do RSU. Tabelas 6: Composição dos RSU Domésticos - Inorgânicos Porcentagem em massa (% - Base seca) - Inorgânicos Componentes Carbono Hidrogênio Oxigênio Nitrogênio Enxofre Cinzas Vidros 0,5 0,1 0,4 <0,1 98,9 Metais 4,5 0,6 4,3 <0,1 90,5 Cinzas, etc 26,3 3,0 2,0 0,5 0,2 68,0 Fonte: Tchobanoglous (1.996). Segundo Silva (1.997) a composição típica aproximada dos RSU depositados no aterro sanitário de Bauru está descrita na Tabela 7.

5 Tabela 7: Composição Típica dos Resíduos do Aterro Sanitário de Bauru, modificada. Componente Massa Úmida (%) Umidade (%) Massa Seca (%) Massa seca Normalizada (%) Res. de Comida 55,0 70,0 16,50 27,90 Papel e Papelão 21,0 6,0 19,74 33,38 Têxtil e Couro 5,0 10,0 4,50 7,61 Madeira 1,1 20,0 0,88 1,48 Plástico 8,9 2,0 8,72 14,74 Vidro 2,6 2,0 2,55 4,31 Metais 5,4 2,0 5,29 8,94 Outros 1,0 5,0 0,95 1,64 Total , Fonte Silva (1.997) Da tabela acima se percebe que a maior parte do RSU é constituída pelo resíduo de comida (55%) e papel/papelão (21%). O plástico é outro componente importante, pois, alem de contribuir com 8,9% em massa também tem um Poder Calorífico elevado. Para a finalidade do presente artigo não se considera a porcentagem de vidros, metais e outros, pois estes são inertes e não colaboram com a estimativa do Poder Calorífico do RSU. Esta hipótese está inserida na coluna Massa Seca Normalizada da Tabela 7, onde os percentuais de Massa Seca são ponderados deixando de se considerar vidros, metais e outros. OBJETIVO O presente trabalho tem por objetivo principal estimar o Poder Calorífico Inferior dos RSU gerados no município de Bauru, levando-se em consideração a questão da segregação de papéis/papelão e plásticos. Obtido este importante parâmetro é de interesse realizar uma estimativa teórica aproximada da quantidade de energia que poderia ser obtida diariamente na combustão dos RSU do município de Bauru. MATERIAIS E MÉTODOS Para realização deste trabalho foram utilizadas as informações constantes em Silva (1.997), Tchobanoglous (1.996) e Conesa (2.005), IPT (1.979). Os cálculos foram realizados pela utilização do software COMBUST [Barreros, A.L.M.; Pujol, R., 1.996] que permite estimar os parâmetros característicos do balanço de massa da combustão completa de combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos, tais como: O excesso de ar de combustão a partir do teor de O 2 (ou CO 2 ) nos gases de combustão. Teor máximo de CO 2 nos gases de combustão. A massa de ar estequiométrico. A temperatura dos gases de combustão em função do excesso de ar de combustão. A composição mássica e volumétrica dos gases de combustão, bem como entalpia, calor específico, densidade e massa molecular. Tanto em base seca como em base úmida. A vazão mássica, ou volumétrica, dos gases de combustão, secos ou úmidos. O poder calorífico, densidade, massa molecular, calor específico e índice de Wobbe de hidrocarbonetos e suas misturas. Tanto para teor volumétrico como para mássico e tanto para base úmida com para base seca. O software foi utilizado para simulação da combustão de diversas composições do RSU, considerando percentuais diferentes de segregação dos seus componentes, principalmente papel/papelão e plásticos. RESULTADOS E ANÁLISE Com base na Tabela 3 e na Tabela 7, montou-se a Tabela 8, que demonstra o PCI de cada componente de um quilograma do RSU.

6 Tabela 8: PCI de um quilograma de RSU Componente PCI (kcal) Res. de Comida 385,00 Papel e Papelão 525,00 Têxtil e Couro 170,00 Madeira 47,00 Plástico 445,00 Total 1.572,00 Para a quantidade de RSU gerado no município, considerou-se a informação da Secretaria do Meio Ambiente de Bauru, isto é, kg/dia. Com esta informação montou-se a Tabela 9, que ilustra as massas diárias dos vários componentes que compõem o RSU. Tabela 9: Quantidade em massa de RSU diário Componente Massa Úmida (kg/dia) Massa Seca (kg/dia) Res. de Comida Papel e Cartão Têxtil e Couro Madeira Plástico Vidro Metais Outros Total Observe-se, pela Tabela 9, que as maiores quantidades em massa no RSU são de: resíduos de comida ( kg), papel/papelão ( kg) e plástico ( kg). Vale salientar que o alto teor de umidade dos resíduos de comida contribui para mais de 50% da massa dos RSU coletados. A combustão de um quilograma do RSU da cidade de Bauru, com as características descritas, poderia teoricamente gerar aproximadamente kcal de energia calorífica. Para determinação do Poder Calorífico Superior do RSU utilizando os dados da Tabela 5 e o software COMBUST. Os resultados estão descritos na Tabela 10. Tabela 10: PCS e PCS ponderado pela massa de cada componente do RSU de Bauru. PCS (MJ/kg) PCS ponderado (MJ/kg) PCS ponderado (kcal/kg) Componente Líquido Líquido Líquido Res. Comida 21,372 5, Papel/Papelão 18,655 6, Plásticos 29,897 4, Têxtil/couro 24,27 2, Madeira 20,088 0,29 69 Total 18, Na Tabela 10 se determinou o PCS de cada componente do RSU. A combustão de um quilograma do RSU com as características descritas, poderia teoricamente gerar 18,95 MJ (4.523 kcal) de energia calorífica. Assim sendo, podese inferir que o Poder Calorífico Superior do RSU da cidade de Bauru é aproximadamente kcal/kg.

7 Considerando-se a segregação (na origem, através de usinas de separação ou pela ação de catadores), principalmente de papel/papelão e plásticos foi montada a Figura 2, onde pode ser visualizada a variação do PCI em função da porcentagem de papel/papelão e plástico segregado. % segregada Figura 2: Variação do PCI com a segregação de plástico e papel/papelão. Como já era esperada, a redução nas quantidades de materiais bons combustíveis, tais como papel/papelão e plástico, reduzem o Poder Calorífico do RSU, implicando em menores quantidades de energia que podem ser recuperadas. Pode-se determinar a quantidade de energia obtida pela incineração tomando como base a quantidade de RSU gerado, conforme Tabela 9 e o PCI encontrado na Tabela 8. Pode-se dizer que o potencial teórico de geração de energia do RSU é de kcal por dia. Segundo Silva (1.998) a eficiência global da planta incineradora pode ser considerada em torno de 28%. Assim sendo a quantidade total teórica de energia obtida a partir dos dados apresentados é de aproximadamente kcal por dia (4,45 MW e ), sem ser considerada a segregação. A Figura 3 mostra a variação da quantidade de energia considerando-se a segregação. Figura 3: Variação do PCI com a segregação de plástico e papel/papelão. % segregada

8 CONCLUSÕES A adoção de sistemática de separação e segregação na origem de materiais com valor de mercado, principalmente daqueles que são melhores combustíveis, por certo contribuirá para a redução da quantidade de energia que pode ser recuperada através do processo de incineração controlada. O Poder Calorífico do resíduo sólido urbano é gradualmente reduzido na medida em que se reduz previamente as quantidades de papel/papelão e plásticos, proporcionando temperaturas de combustão e eficiência do processo de combustão menores. Teoricamente e considerando uma eficiência de 28% para uma planta de incineração de RSU, os resíduos do município de Bauru poderiam gerar aproximadamente 4,50 MW e REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS OLIVEIRA, S., Resíduos Sólidos Urbanos, Apostila elaborada para o Curso de Agronomia da UNESP/FCA - Departamento de Recursos Naturais Campus De Botucatu/SP, Abril/2.001 IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Lixo Municipal: Manual de Gerenciamento Integrado. 2º ed. São Paulo: IPT/CEMPRE, US EPA - UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. Decision-makers guide to waste management LIMA, L. M. Q. Lixo: tratamento e biorremediação. 3º ed. São Paulo: Hemus, BARBOSA, G. Tratamento. In: JARDIM, N. S., Lixo Municipal: manual de gerenciamento integrado. São Paulo: Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), Compromisso Empresarial para Reciclagem (CEMPRE), WELLS, C. CEMPRE Informa, São Paulo: CEMPRE, WELLS, C. Fichas Técnicas. São Paulo: CEMPRE, CONESSA, J., A., Incineração de Resíduos Sólidos, Universidade de Alicante, Departamento de Engenharia Química, Espanha, US EPA - UNITED STATES ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY. Waste Characterization Report. Washington: MSW Factbook, IBGE - Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Sinopse preliminar do censo demográfico de 2.000, São Paulo. IBGE - Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Inventário Estadual de Resíduos Sólidos Domiciliares, 2.001, São Paulo. TCHOBANOGLOUS, G., THEISEN, H, S., Integrated Solid Waste Management: Engineering Principles and Management Issues, McGraw-Hill, Inc. International Ed., SILVA, C. L.,VELO, E. G.; Incineração de Resíduos Sólidos de Serviços de Saúde Utilizando o Biogás de Aterros Sanitários, XIV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica - COBEM 97, Bauru-SP, Barreras, M., A., L., Punjol, R., O., La Combustión, Universidade de Engenharia Técnica de Barcelona, Ed. Cenac, SILVA, C. L.; Tratamento de Resíduos Sólidos, Unesp, Bauru-SP,