INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS E GERAÇÃO DE ENERGIA, ASPECTOS ENERGÉTICOS E ECONOMICOS

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1 INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS E GERAÇÃO DE ENERGIA, ASPECTOS ENERGÉTICOS E ECONOMICOS *José Antonio Poletto Filho Eng. Mecânico, Mestre, UNESP, jpoletto@uol.com.br *Celso Luiz da Silva Licenciatura Plena em Física, Doutor, UNESP, celsos@feb.unesp.br Resumo A exploração abusiva da energia originada de fontes não-renováveis, traz danos irreversíveis ao meio ambiente. No Brasil, é dependente principalmente dos derivados de petróleo e das hidroelétricas. Com base nesse fato, a questão das fontes de energia é assunto em pauta mundialmente. Por outro lado, a geração de lixo e a consequente contminação ambiental, vem aumentado de forma alarmante. Cociliar a geração de energia com possibilidade também de mitigar o impacto da geração de lixo seria resolver dois problemas de uma só vez. O objetivo do presente trabalho é analisa a recuperação de energia do Resíduo Sólido Urbano através do Processo de Incineração. Leva em consideração a tendência atual de segregação 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 chaves: Segregação, Resíduo Sólido Municipal, Incineração de RSU. Abstract Incineração de resíduos sólidos urbanos e geração de energia a partir, aspectos energéticos e econômicos. The Brazilian energy matrix is dependent mainly of the oil derivatives and the hydroelectric. Is necessary a study on other alternative energy sources. The objective of the present work is to analyze the recovery of energy of Municipal Solid Wastes (MSW) through of the Incineration Process. It takes in consideration the current tendency of segregation (separation) of plastics, paper and cardboard, glass and metals, and its influences in the mass and energy flows in the Incineration System of MSW. For its development, relative information to the generation of the MSW of the Bauru city and Combust software had been used. The obtained results had allowed esteem the Theoretical Calorific Power of the typical MSW. Key word: Segregation, Municipal Solid Wastes, MSW Incineration. 1

2 INTRODUÇÃO O aumento do número de habitantes no Planeta, associado à concentração das populações nos centros urbanos, tende a agravar o problema do RSU (Resíduo Sólido Urbano) nas cidades, tornando o quadro cada vez mais caótico e desordenado. O volume de resíduos gerados pela população tem aumentado a cada dia, são provenientes de resto de atividades humanas consideradas pelos geradores como inúteis ou indesejáveis, podendo apresentar-se na forma sólida, semi-sólida ou semi-líquida (IPT, 1995). O lixo industrial, hospitalar, tecnológico, urbano, da construção civil, de varrição da rua, etc. Considerando ainda que tudo que é consumido vem embalado e acaba no lixo, a perspectiva é bastante preocupante devendo ser tratado pela sociedade em geral como um indicador da saúde pública. No entanto devido à falta dos recursos naturais em algumas regiões, o reuso e aproveitamento dos RSU é de suma importância para a questão sócio-ambiental. (ALVES, 2.004). Uma alternativa seria a incineração, Malta (2007) relata que já existe no mundo cerca de 700 usinas em vários países da Europa e da Ásia que usam o lixo para gerar, ao todo, MW, o equivalente à hidrelétrica de Itaipu. O Brasil está atrasado quase 20 anos em relação ao uso do lixo pra geração de energia. Segundo dados do relatório Balanço Energético (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2006) a reciclagem de energia do RSU não é significativa no Brasil. Utiliza-se ainda o tratamento tradicional para coleta e disposição final dos RSU, gerando problemas de higiene, poluição das águas subterrâneas pela lixiviação, contaminação pelo resíduo biológico. 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. Segundo Lima (2.004) a enorme dependência de fontes não renováveis de energia tem acarretado, além da preocupação permanente com o esgotamento destas fontes, a preocupação também com emissão de grandes quantidades de dióxido de carbono (CO 2 ) na atmosfera, pois, o teor de dióxido de carbono na atmosfera tem aumentado progressivamente, levando muitos especialistas a acreditarem que o aumento da temperatura média da biosfera terrestre, que vem sendo observado a algumas décadas, seja devido a um Efeito Estufa provocado por este acréscimo de CO 2 e de outros gases na atmosfera, já denominados genericamente gases de efeito estufa. 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 Tesseroli (2.003) 85% do lixo são depositados a céu aberto nos chamados lixões, e 70% das internações em hospitais públicos são devidas a doenças causadas pela falta de saneamento básico. A Figura 1 mostra a composição da coleta seletiva no Brasil segundo dados do CEMPRE (2006). Figura 1: Composição da coleta seletiva no Brasil. Figure 1: Composition of the selective collection in Brazil 2

3 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 (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 (1.995) 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). De acordo com Luz (2008) o Brasil possui grande potencial para gerar energia elétrica a partir de resíduos sólidos e esta alternativa poderia aumentar a oferta de energia do país em 50 milhões de megawatt-hora por ano, o que representa mais de 15% do total atualmente disponível ou cerca de um quarto do que gera a usina hidrelétrica de Itaipu. 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. 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 1, (CEMPRE, 2008). Tabela 1: Características de alguns materiais recicláveis Table 1: Characteristics of some materials you recycle Material Reciclagem no Preço Médio de Poder Calorífico Brasil (%) Mercado (R$/ton.) (kcal/kg) Papel ondulado , Papel e Papelão , PEBD , Plástico Rígido , PET , Questões ambientais sérias estão envolvidas na escolha do material para reciclagem, ou deixá-los com os RSU para melhoria do poder calorífico. 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. Ageração 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 (2000), a geração de RSU pode ser estimada de acordo com a população. Na Tabela 2 (IBGE, 2000) encontra-se a produção de RSU por pessoa baseado no número de habitantes de uma determinada região brasileira. 3

4 Tabela 2: Índice de produção per capita da RSU em função da população Table 2: Index of per capita production of the MSW in function of the population 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 (SMA, 2007). Considerando os critérios da Tabela 2, 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 3 (TCHOBANOGLOUS, 1.996) encontra-se uma composição média, obtida com dados americanos, mas que são utilizados na maioria dos trabalhos sobre o assunto. Tabela 3: Composição dos RSU Domésticos Table 3: Composition of the Domestic MSW % em massa Base Seca Componente C H O N S Cinza Res. Comida 48 6,4 37,6 2,6 0,4 5 Papel 44 5,9 44,6 0,3 0,2 5 Plástico 60 7,2 22,8 10 Têxteis 55 6,6 31,2 4,6 0,15 2,5 Borracha Couro ,6 10 0,4 10 Res. Jardim 47, ,4 0,3 4,5 Madeira 49,5 6 42,7 0,2 0,1 1,5 Segundo Silva e Velo (1.997) a composição típica aproximada dos RSU depositados no aterro sanitário de Bauru está descrita na Tabela 4. Tabela 4: Composição Típica dos Resíduos do Aterro Sanitário de Bauru, modificada. Table 4: Typical composition of the Residues of Sanitary Aterro of Bauru modified. Componente Massa Úmida % Umidade % Massa Seca % Res. Comida ,5 Papel/papelão ,7 Têxteis/Couro ,5 Madeira 1,1 20 0,88 Plástico 8,9 2 8,72 Vidro 2,6 2 2,55 Metais 5,4 2 5,29 Outros 1 5 0,95 4

5 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. 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. 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. MATERIAIS E MÉTODOS Para realização deste trabalho foram utilizadas as informações constantes em Silva e Velo (1.997), Tchobanoglous (1.996) e CEMPRE (2006). Os cálculos f1oram realizados pela utilização do software COMBUST (BARREROS, PUJOL, 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 e 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. No desenvolvimento do presente trabalho adotou-se 3 alternativas: 1º alternativa: calcular a energia gerada com a totalidade do RSU não considerando a segregação, isto é, deixando 100% do RSU para incineração; 2º alternativa: calcular a energia gerada pelo RSU tomando como base para a segregação os percentuais encontrados na bibliografia, que devem estar próximo do real. 3º alternativa: calcular a energia gerada pelo RSU retirando-se todo o material reciclável. Além disso, os resultados financeiros obtidos com a comercialização da energia encontrados na adoção das três alternativas anteriores serão comparados com o valor financeiro obtido com a comercialização do material reciclado. 5

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO Com base na Tabela 3 e na Tabela 4, montou-se a Tabela 5, que demonstra a fração mássica de cada componente do RSU considerando a porcentagem de umidade. Os valores demonstrados na tabela abaixo foram utilizados no software Combust para o cálculo do PCI, levando-se em consideração a quantidade de água de cada componente. Para a quantidade de RSU gerado no município, considerou-se a informação da Secretaria do Meio Ambiente de Bauru, isto é, kg/dia. Tabela 5: Fração mássica de cada componente do RSU Table 5: Mass fraction of each component of the MSW % em massa Base Úmida Componente C H O N S Cinza Res. Comida 14,4 1,9 11,3 0,8 0,1 1,5 Papel 41,4 5,5 41,9 0,3 0,2 4,7 Plástico 58,8 7,1 22,3 9,8 Têxteis/couro 49,5 5,9 28,1 4,1 0,1 2,2 Borracha 76,4 9,8 2 9,8 Madeira 38,2 4,8 30,4 2,7 0,2 3,6 1º Alternativa Com base na Tabela 5 e o software Combust montou-se a Tabela 6, que mostra a contribuição de cada componente do RSU para o PCI de um quilograma de RSU. Tabela 6: Contribuição de cada componente sem considerar a segregação Table 6: Contribution of each component without considering the segregation Componente Contribuição Res. de Comida 738 Papel e Papelão 758 Têxtil e Couro 237 Madeira 38 Plástico 521 Total PCI (kcal/kg de RSU) Com base nas informações da Tabela 6 conclui-se que a combustão de um quilograma do RSU da cidade de Bauru, com as características descritas, poderia teoricamente gerar aproximadamente 2.292kcal de energia calorífica. 2º Alternativa Será considerada a separação conforme a Figura 1, onde se encontra o percentual de segregação de papel/papelão de 38% e plástico de 20%, segundo informações do Cempre. Esta alternativa está demonstrada na Tabela 7, onde se encontra a contribuição de cada componente do RSU. 6

7 Tabela 7: Contribuição de cada componente do RSU, considerando a segregação Table 7: Contribution of each component of the MSW, considering the segregation Componente Contribuição Res. de Comida 738 Papel e Papelão 46 Têxtil e Couro 237 Madeira 38 Plástico 416 Total PCI (kcal/kg de RSU) Como se pode perceber da Tabela 7, a diminuição dos componentes com maior poder calorífico reduz substancialmente o poder calorífico total do RSU. 3º Alternativa Nesta alternativa será retirada a totalidade da parcela de papel/papelão e plástico, conforme demonstrado na Tabela 8. Tabela 8: Contribuição de cada componente do RSU, considerando a segregação total de papel/papelão e plástico. Table 8: Contribution of each component of the MSW, considering the total segregation of paper/cardboard and plastic. Componente Contribuição Res. de Comida 738 Papel e Papelão 0 Têxtil e Couro 237 Madeira 38 Plástico 0 Total PCI (kcal/kg de RSU) 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 menor quantidade de energia que pode ser recuperada Na Figura 2 encontra-se comparadas o conteúdo energético nas diversas alternativas estudadas no presente trabalho. Figura 2: Comparação do conteúdo energético nas diversas alternativas Figure 2: Comparison of the energy content in the diverse alternatives 7

8 Para a determinação do Total teórico (T te ) de energia gerada a partir do RSU utilizou-se a expressão 1, onde m é a massa de RSU e K é fator de conversão de kcal para kwh e vale 0,001163: T te = PCI * K * 0,28 * m RSU (1) A Tabela 9 mostra o potencial teórico de geração de energia do RSU da cidade de Bauru, para as três alternativas estudadas. Tabela 9: Potencial teórico de geração de energia. Table 9: Theoretical potential of energy generation Alternativa PCI (kcal/kg) kwh Massa de RSU após a segregação (kg) , , , Considerando uma produção de RSU de 210 toneladas por dia e eficiência global de uma planta incineradora em torno de 28%, (SILVA, 1998), pode-se deduzir que o potencial teórico de geração de energia de uma cidade do porte de Bauru é de kwh, kwh, kwh para as alternativas 1, 2 e 3, respectivamente. Lembrando que a redução de massa de RSU deve-se a segregação, que retira do resíduo, parte do material que é destinado à reciclagem. Na Figura 3 encontra-se a comparação das três alternativas estudadas e na Tabela 10 mostra os resultados financeiros das 3 alternativas estudadas. A venda da energia produzida com a incineração do RSU foi estimada com base no valor de R$ 0,33782 o kwh (ANAEEL, 2007). Não estão sendo consideradas nos cálculos questões econômicas, tais como: juros, inflação e depreciação. O valor da venda do papel/papelão e plástico foi feito com base nos valores referido na Tabela 1. R$ Alternativas Figura 3: Comparação do resultado financeiro das 3 alternativas Figure 3: Comparison of the financial result of the 3 alternatives 8

9 Tabela 10: Resultados financeiros das 3 alternativas estudadas. Table 10: Financial results of the 3 studied alternatives RESULTADO FINANCEIRO (R$) TOTAL DE ENERGIA PRODUZIDA (KWH) ALTERNATIVA ENERGIA , , ,64 PAPEL , ,00 PLÁSTICO , ,50 TOTAL , ,14 CONCLUSÕES O problema do lixo somente terá solução através da educação ambiental, destinação correta dos resíduos, redução do consumo e adoção de práticas ecologicamente corretas de detinação. 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. Conforme os dados da ANEEL (2001) a demanda de energia elétrica de unidades domésticas brasileiras padrão é aproximadamente 175kwh ao mês, portanto a energia gerada através da incineração do RSU seria suficiente para atender aproximadamente , , e residências respectivamente, segundo as alternativas 1, 2 ou 3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALVES,F.T. ; Martins, M.C.B.; Sabiá,R.J. A disposição dos resíduos sólidos urbanos na bacia sedimentar do Araripe, Região Nordeste do Brasil, XI SIMPEP - Bauru, SP, ANEEL, Boletim Energia, Brasília, Superintendência de regulação econômica, Disponível em: Acesso em março de ANEEL, Boletim Energia. Brasília, Superintendência de regulação econômica, Disponível em: > Acesso em dezembro de 2007 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), BARRERAS, M., A., L., PUNJOL, R., O., La Combustión, Universidade de Engenharia Técnica de Barcelona, Ed. Cenac, CEMPRE, Compromisso Empresarial para Reciclagem, Disponível em: < acessado 01/2008. CEMPRE, Compromisso Empresarial para Reciclagem, Disponível em: < acessado 09/ CONESSA, J., A., Incineração de Resíduos Sólidos, Universidade de Alicante, Departamento de Engenharia Química, Espanha,

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