INVESTIGAÇÃO DOS POTENCIAIS ASPECTOS AMBIENTAIS ASSOCIADOS AO PROCESSAMENTO DO FOLHELHO PIROBETUMINOSO (XISTO) M. G. SILVA 1 e A. C. L. LISBÔA 1 1 Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, Departamento de Engenharia de Processos E-mail para contato: mateusguim@feq.unicamp.br RESUMO O folhelho pirobetuminoso, também conhecido como xisto, é um tipo de rocha metamórfica que possui um composto orgânico denominado querogênio distribuído em sua matriz mineral. Esse composto pode ser transformado em combustíveis líquidos e gasosos, produtos alternativos aos derivados do petróleo, por meio do processo de pirólise. As tecnologias utilizadas tanto na mineração quanto no processamento do xisto até a obtenção desses combustíveis têm despertado preocupações ambientais pelas quantidades relevantes de resíduos gerados e pelo consumo de recursos naturais. Neste trabalho foi realizada uma investigação das fontes potenciais de emissões atmosféricas, geração de resíduos sólidos e líquidos associados ao processamento do xisto utilizando a ferramenta de avaliação do ciclo de vida. Desenvolveu-se um modelo do ciclo de vida do xisto do berço-ao-portão (cradle-to-gate) que possibilitou identificar os aspectos ambientais críticos em cada etapa do processo. 1. INTRODUÇÃO O xisto é uma rocha sedimentar que contém disseminada em sua matriz mineral um material orgânico denominado querogênio. Esse composto pode ser transformado em combustíveis líquidos e gasosos, produtos alternativos aos derivados do petróleo, por meio do processo de pirólise (Mesquita, 1978). No entanto, os processos presentes no ciclo de vida desses produtos essenciais para as economias modernas também geram quantidades substanciais de resíduos e emissões. A gestão desses resíduos pelas tradicionais abordagens fim-de-tubo demanda muitos recursos financeiros e nem sempre tem demonstrado ser a melhor solução do ponto de vista ambiental. Devido a isso, essas abordagens estão se tornando menos atraentes às organizações, e as estratégias de gestão conhecidas como Produção Mais Limpa e Prevenção da Poluição vêm ganhando destaque há alguns anos (Allen, Shonnard, 2001). Dentro do contexto de Prevenção da Poluição, a Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) é um dos mecanismos de análise mais efetivas de gestão ambiental porque permite identificar, quantificar e
analisar os aspectos ambientais e os seus potenciais impactos ambientais associados ao produto ou processo, desde a extração da matéria-prima até a sua destinação final, propiciando, desta forma, o planejamento e a execução de ações pontuais para minimizar a geração de resíduos (Iso, 2006a). O objetivo deste trabalho foi contribuir com a discussão da sustentabilidade no setor de produção de combustíveis fósseis por meio do estudo do processamento do xisto realizado pela unidade industrial SIX/Petrobras. Foi realizada uma investigação dos principais aspectos ambientais associados ao processamento do xisto utilizando a ferramenta de avaliação do ciclo de vida. 2. PANORAMA DA INDUSTRIALIZAÇÃO DO XISTO NO BRASIL E AVALIAÇÃO DO CICLO DE VIDA O Brasil possui a segunda maior reserva de xisto do mundo, ficando atrás apenas dos Estados Unidos - formação Green River (Dyni, 2003). A maior parte do xisto existente no Brasil está presente na Formação Irati, formação geológica da Bacia do Paraná, aflorada nos estados de São Paulo, Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul, Mato Grosso do Sul e Goiás, constituída basicamente por folhelhos e argilitos cinza-escuros, folhelhos pirobetuminosos, arenitos, margas e calcários associados (Sedor; Silva, 2004). As reservas são de aproximadamente 700 milhões de barris de petróleo, 9 milhões de toneladas de gás liquefeito (GLP), 25 bilhões de metros cúbicos de gás de xisto e 18 milhões de toneladas de enxofre (Petrobras, 2005). A Petrobras iniciou as primeiras ações efetivas para avaliar as potencialidades do xisto e a viabilidade econômica por volta de 1950. Obtendo sucesso nesta investida, em 1991 entrou em operação uma unidade industrial com a produção de óleo combustível, gás liquefeito, gás combustível, nafta e enxofre (Petrobras, 2005). Os problemas relacionados ao meio ambiente estão ligados, de maneira geral, as diversas fases de exploração do minério, como a lavra da mina (retirada da vegetação, escavações, movimentação de terra e modificação da paisagem), ao uso de explosivos no desmonte da rocha (vibração do terreno, lançamento de materiais particulados, gases, poeira e ruído), ao transporte e beneficiamento do minério (geração de material particulado e gases poluentes) e ao processo industrial (geração de resíduos sólidos e líquidos). A avaliação do ciclo de vida (ACV) é uma metodologia de gestão ambiental normatizada pela ISO 14040 Environmental management Life cycle assessment Principles and framework (Iso, 2006a) e ISO 14044 Environmental management Life cycle assessment Requirements and guidelines (Iso, 2006b). Esta ferramenta vem sendo utilizada para avaliação ambiental de processos industriais nos últimos anos (Koskela et al., 2007; Gavrilova et al., 2010; Siirde et al., 2013; Mangmeechai et al., 2014). O mapeamento do processo e a identificação dos aspectos ambientais é uma das etapas inseridas nos estudos de ACV. Segundo a ISO (2006a), o aspecto ambiental pode ser definido como elemento das atividades, produtos ou serviços de uma organização que pode interagir com o meio ambiente, e impacto ambiental como qualquer modificação do meio ambiente, adversa ou benéfica,
que resulte, no todo ou em parte, das atividades, produtos ou serviços de uma organização. Em outras palavras, aspecto ambiental é a causa e impacto ambiental é o efeito. 3. METODOLOGIA Para a elaboração do trabalho foram consultados livros, artigos científicos e relatórios técnicos que forneceram subsídios para o estudo do ciclo de vida do xisto brasileiro, além da consulta de especialista da área. Foi realizada uma análise dos aspectos ambientais relacionados ao processamento do xisto utilizando a metodologia de avaliação do ciclo de vida baseada nas normas ISO 14040:2006 e ISO 14044:2006. Este estudo abrange os principais processos e atividades da Unidade de Industrialização do Xisto (SIX) da Petrobras, localizada na cidade de São Mateus do Sul (PR), região que se encontra a maior reserva brasileira de xisto, a Formação Irati. 4. CICLO DE VIDA DO XISTO DO BERÇO-AO-PORTÃO (CRADLE-TO- GATE) Para a avaliação ambiental do xisto foi desenvolvido um modelo do ciclo de vida do berço-aoportão (cradle-to-gate), o qual apenas os processos presentes na mineração e na unidade industrial são considerados para identificação dos aspectos ambientais. Na Figura 1 é ilustrado o modelo simplificado compreendendo cinco grandes subsistemas mineração e transporte do minério, britagem e separação dos sólidos, processo Petrosix, tratamento dos gases e tratamento do óleo. Figura 1 Modelo simplificado do ciclo de vida do xisto do berço-ao-portão.
Uma breve descrição da rota tecnológica seguindo o modelo mostrado na Figura 1 é apresentada a seguir para permitir e facilitar a identificação e a análise dos principais aspectos ambientais de entrada e saída. 4.1 Mineração e Transporte do Minério A jazida encontrada em São Mateus do Sul (PR) é composta por duas camadas distintas de xisto, separadas por uma camada de rocha estéril em óleo (calcário de xisto), e por uma cobertura de solo vegetal. O processo de beneficiamento do xisto inicia-se com a remoção da cobertura vegetal e com a detonação das camadas de rochas com explosivos. O minério é transportado por caminhões até a unidade de tratamento, local em que o xisto é fragmentado e preparado para a retorta dentro de uma faixa granulométrica específica (Petrobras, 2005; Santos, 2009). 4.2 Britagem e Separação dos Sólidos Na etapa do tratamento do minério, o xisto é submetido aos processos de britagem, moagem e operações de separação de sólidos com o objetivo de produzir partículas com granulometria compreendida na faixa entre 11 mm e 85 mm para alimentar adequadamente a retorta, equipamento em que ocorre o processo de pirólise para extração do óleo e do gás contido no xisto. As partículas de xisto com granulometria menor que 11 mm são descartadas para armazenamento em pilhas a céu aberto (Petrobras, 2005; Santos, 2009). 4.3 Processo Petrosix As partículas de xisto são pirolisadas a uma temperatura de, aproximadamente, 500ºC para produzir basicamente óleo (fase vapor), gás e vapor de água no topo do reator e o xisto retortado na base. A corrente do topo é direcionada para os ciclones e para o precipitador eletrostático, onde são coletados o óleo pesado e as partículas sólidas arrastadas. Parte do gás isento de partículas retorna (reciclo) para a retorta e a outra é destinada para o processo de recuperação da água e do óleo. O óleo e o vapor de água são recuperados em condensadores e depois conduzidos para o vaso separador gravitacional, onde ocorre a separação por diferença de densidade. A água obtida, conhecida como água de retortagem ou água de xisto, possui compostos químicos que conferem acidez, como fenóis, amônia e sulfetos. O gás segue para a unidade de tratamento de gases (Mesquita, 1978; Petrobras, 2005). O xisto retortado é removido por um sistema de selagem hidráulica na base do reator e encaminhado para armazenamento em pilhas a céu aberto para resfriamento. Assim que resfriado é transportado por caminhões às cavas da mina para recuperar o terreno e recompor a topografia após a operação de mineração (Petrobras, 2005). O material (óleo e pó de xisto) coletado no ciclone e no precipitador eletrostático são separados por meio do uso de centrífugas e filtros prensa. Após este processo, o óleo é enviado para uma unidade de tratamento (Petrobras, 2005).
4.4 Unidade de Tratamento dos Gases Combustíveis O gás produzido no reator de pirólise é encaminhado para a unidade de tratamento para remoção do sulfeto de hidrogênio (tratamento DEA) até alcançar valores padronizados pela legislação para a sua comercialização em relação ao teor de enxofre e a corrosividade. O gás livre de substâncias ácidas é dirigido para as unidades de desbutanização, no qual ocorre a separação do gás liquefeito do gás combustível. 4.5 Unidade de Tratamento do Óleo Combustível O óleo separado no filtro prensa, centrífuga e no vaso separador gravitacional é enviado para a unidade de fracionamento para separação da nafta, produto valioso para as refinarias. Já o óleo é comercializado como combustível (Petrobras, 2005). 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1 Análise dos Aspectos Ambientais do Processamento do Xisto Os aspectos ambientais relacionados ao processamento do xisto quanto ao esgotamento de recursos energéticos, geração de resíduos sólidos, efluentes e emissões atmosféricas são mostrados no Quadro 1. Observa-se que os aspectos envolvem uma gama muito ampla que vai desde emissões atmosféricas a remoção da vegetação. Tendo em vista a análise apresentada no Quadro 1, no subsistema de mineração e transporte do minério os aspectos ambientais mais relevantes são as emissões de poluentes atmosféricos e a geração de lixiviado. As emissões atmosféricas (CO 2, CO, NO x, SO 2 e MPs) são provenientes das operações com máquinas de mineração, transporte de minério e detonação da mina. As substâncias orgânicas e inorgânicas lixiviadas, pela precipitação pluviométrica, das rochas mineradas podem atingir corpos d água superficiais e subterrâneos e, consequentemente, diminuir a sua qualidade. No que tange ao subsistema de britagem e separação de sólidos, os principais resíduos gerados são os finos de xisto (partículas com diâmetro menor que 11 mm), além da emissão de materiais particulados para atmosfera. Os finos de xisto são armazenados em pilhas, na maioria das vezes, a céu aberto antes de serem destinados a projetos alternativos ou para recomposição da área minerada. Esta exposição permite que materiais particulados sejam dispersos para atmosfera pela ação do vento e substâncias orgânicas e inorgânicas sejam lixiviadas para o solo. Em relação ao subsistema do processo Petrosix, os resíduos gerados mais críticos são o xisto retortado e os efluentes líquidos ácidos procedentes do reator de pirólise e do vaso separador de óleo e água, respectivamente. O xisto retortado sai do reator com uma parcela ponderável de carbono e enxofre numa temperatura acima da ambiente. Este material é armazenado temporariamente a céu aberto até ser transportado as cavas da mina. Neste período de exposição ao ar, compostos orgânicos voláteis (COVs) podem ser facilmente emitidos para atmosfera.
O gás de reciclo da retorta perde pressão e temperatura à medida que exerce sua função ao longo do circuito de pirólise do xisto. Essas demandas de aumento de pressão e de temperatura são atendidas pelo compressor de reciclo, acionado por energia elétrica, e pelo aquecedor de gás, abastecido pela queima combinada de óleo e gás, respectivamente. O consumo de energia dessas operações provoca a emissão de gases poluentes de efeito global (CO e CO 2 ) e local (NO x e SO 2 ). Por fim, os aspectos ambientais mais relevantes do subsistema de tratamento de óleo e gás são as emissões de gases poluentes procedentes dos processos de combustão e as emissões fugitivas de compostos sulfurados do processo de dessulfurização (DEA). Com base nas informações descritas acima e no Quadro 1, é possível verificar que os aspectos mais críticos do sistema de processamento do xisto de efeito local são as emissões de materiais particulados e a geração de resíduos sólidos (xisto retortado, finos de xisto e resíduos de mineração), que quando expostos a precipitação pluviométrica, substâncias tóxicas podem ser lixiviadas e dispersas no solo e nos corpos d águas (superficiais e subterrâneos). Já os aspectos mais críticos de efeito global são as emissões de gases de combustão. No que se refere ao uso de recursos energéticos, o esgotamento de xisto não é um problema crítico porque a reserva da rocha sedimentar em relação ao seu consumo é muito grande. Há um grande potencial para reduzir as emissões dos gases de efeito estufa gerado no processamento do xisto por meio do uso dos resíduos sólidos (subprodutos) em outras áreas, desta forma, as emissões poderão ser compensadas; além de reduzir o acúmulo de material armazenado a céu aberto e, consequentemente, a geração de lixiviado. Existe vários estudos a respeito da utilização dos resíduos sólidos e da água de xisto na indústria cerâmica (Melnick et al., 2010), como fertilizante (Doumer et al., 2011; Nicolini et al., 2014), como combustível (Petrobras, 2005) entre outros. Quadro 1 Análise dos aspectos ambientais Subsistema Processo/atividade Aspecto Ambiental Detonação da mina Emissão de MPs e gases de combustão Emissão de ruído Mineração e transporte do minério Máquinas de escavação Consumo de óleo combustível Emissão de gases de combustão Vazamento de óleo e graxas Transporte do minério Consumo de óleo Emissão de gases de combustíveis Cava de mineração Remoção da vegetação e do solo Britagem e separação de sólidos Britagem, processos de classificação de sólidos e correias transportadoras Armazenado de xisto fino a céu aberto Lixiviação de substâncias Consumo de energia elétrica Emissão de materiais particulados Geração de resíduo sólido - xisto fino Emissão de materiais particulados Lixiviação de substâncias
Quadro 1 Análise dos aspectos ambientais (continuação) Subsistema Processo/atividade Aspecto Ambiental Retorta - reator de pirólise Geração de resíduo sólido - xisto retortado Caldeira Consumo de óleo ou gás combustível Emissão de gases de combustão (CO 2, Processo Petrosix CO, NO x, SO 2 ) Condensadores e vasos Geração de efluentes (água ácida) separador Centrífuga e filtro prensa Geração de lama/torta de xisto Compressores e Consumo de energia elétrica equipamentos elétricos Armazenado de xisto Emissão de COVs retortado a céu aberto Lixiviação de substâncias Tratamento do óleo Tratamento dos gases Caldeira 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Coluna de destilação - separação da nafta do óleo combustível Unidade de dessulfurização do gás combustível e recuperação do enxofre Consumo de energia elétrica Consumo de óleo ou gás combustível Emissão de gases de combustão Emissões fugitivas Consumo de água de resfriamento Consumo de energia elétrica Emissões fugitivas O estudo dos aspectos ambientais relacionados à produção de combustíveis fósseis é de extrema importância para a promoção de gestão e de alternativas tecnológicas que reduzam o impacto ambiental tanto local quanto global. Neste trabalho utilizou-se para o levantamento dos aspectos ambientais, fluxogramas que estruturaram e subdividiram as principais etapas do processo (modelo de ACV do berço ao portão) e, por conseguinte, facilitaram a identificação e associação dos aspectos aos processos analisados. Embora não tenha sido realizado o estudo de ACV completo, que envolveria a análise dos impactos ambientais, os resultados obtidos fornecem subsídios para direcionar as ações aos processos mais críticos com a finalidade de minimizar a geração de resíduos sólidos e emissões. Os subsistemas que apresentaram os processos mais críticos foram o subsistema de britagem e separação de sólidos (geração de xisto fino) e o processo Petrosix (geração de xisto retortado e efluente ácido). Ainda vale ressaltar as contribuições de diferentes processos para a emissão de gases poluentes de efeito local e global.
O desenvolvimento de novas rotas tecnológicas de processamento do xisto a fim de reduzir os aspectos ambientais e o aproveitamento dos resíduos sólidos e efluentes como matéria-prima de outros processos são as principais alternativas para melhorar o desempenho ambiental. 6. REFERÊNCIAS ALLEN, D. T; SHONNARD, D. Green engineering: environmentally conscious design of chemical processes, Upper Saddle River: Prentice Hall PTR, 2002. DOUMER, M. E. et al. Atividade microbiana e enzimática em solo após a aplicação de xisto retortado. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v. 46, p. 1538-1546, nov/2011. DYNI, J. R. Geology and resources of some world oil-shale deposits. Oil Shale, 2003, v. 20, n.3, 193 252, 2003. GAVRILOVA, O.; VILU, R.; VALLNER, L. Life cycle environmental impact assessment of oil shale produced and consumed in Estonia. Resources, Conservation and Recycling, v. 55, p. 232-245, 2010. ISO 14040. International Organization for Standardization 14040:2006. Gestão Ambiental. Avaliação do ciclo de vida Princípios e enquadramento. Norma Portuguesa, 2006a. ISO 14044. International Organization for Standardization 14044:2006. Gestão Ambiental. Avaliação do ciclo de vida Princípios e enquadramento. Norma Portuguesa, 2006b. KOSKELA, S. et. al. Estonian electricity supply scenarios for 2020 and their environmental performance. Energy Policy, v. 35, Ed. 7, p. 3571 3582, 2007. MANGMEECHAI, A. et. al.; Life cycle consumptive water use for oil shale development and implications for water supply in the Colorado River Basin. The Int. J. of Life Cycle Assessment, v. 19, 677 687, 2014. MELNICK, V.; PIANARO, S. A.; CAVA, S.; TEBCHERANI, S. M. Application of oil shale mining by-products as raw materials in the determination of the vitrification curve of red porcelain stoneware tiles by dilatometric method. Applied Clay Science, V. 50, p. 311 314, 2010. MESQUITA, H. C. Xisto Betuminoso. Rev. de Administração Pública, v. 12, n.4, 97-119, 1978. NICOLINI, J. et. al. Evaluation of PAH contamination in soil treated with solid by-products from shale pyrolysis. Environmental Monitoring and Assessment, v. 187, Ed. 374, p. 187:4123, nov/2014. PETROBRAS. Mineração e processamento do xisto. Série de formação de operadores de produção e refino de petróleo e gás. Rio de Janeiro: Petrobras. 2005. SANTOS, A. L. et al. Caracterização Tecnológica de Rejeitos Industriais de Xisto para Fabricação de Grês Vermelho. Cerâmica Industrial, v.10, n.1, jan/fev, p. 41-45, 2005. SEDOR F. A.; SILVA, R. C. Primeiro registro de pegadas de Mesosauridae (Amniota, Sauropsida) na Formação Irati (permiano superior da bacia do Paraná) do estado de Goiás, Brasil. R. Bras. de Paleo., v.7, n.2, p. 269-274, 2004. SIIRDE, A. et. al. Analysis of greenhouse gas emissions from estonian oil shale based energy production processes. Oil Shale, v. 30, n. 2, p. 268 282, 2013.