Desenvolvimento de combustível compactado derivado de biomassa e resíduos sólidos urbanos : estudo do efeito da composição da biomassa e da adição de glicerol como aglutinante

Abstract

A importância da destinação adequada de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) vem sendo discutida há anos, e a necessidade de novas fontes de energia também, com destaque para a biomassa, que é um biocombustível. A proposta deste trabalho foi avaliar o efeito da aplicação de glicerol como aglutinante na conformação de combustível derivado de RSU (papel/papelão, plásticos com alta maleabilidade e baixa densidade, e poliestireno expandido - EPS) e biomassa da rizicultura (casca e palha de arroz ) e florestal (serragem de pinus e de eucalipto) no formato compactado (CDR). Foram realizadas análises físico-químicas dos resíduos para determinar a composição imediata (teores de umidade, cinzas, matéria volátil e carbono fixo) e elementar (teores de C, H, N, S e O); o poder calorífico superior (PCS) e o poder calorífico inferior (PCI); a concentração de cloro e de elementos-traço. Quatro composições (1, 2, 3 e 4) de CDR sem e com adição de glicerol como aglutinante (5,0% em relação à massa total de sólidos) foram testados (S1, S2, S3 e S4; C1, C2, C3 e C4, respectivamente), com fração de rejeitos de RSU equivalente a 20% em massa de sólidos em cada composição: S1 (15,72% papel/papelão, 3,68% plástico mole, 0,60% EPS, 12% casca de arroz e 68% palha de arroz); S2 (15,72% papel/papelão, 3,68% plástico mole, 0,60% EPS, 40% serragem de pinus e 40% serragem de eucalipto); S3 (15,72% papel/papelão, 3,68% plástico mole, 0,60% EPS, 80% serragem de pinus); S4 (15,72% papel/papelão, 3,68% plástico mole, 0,60% EPS, 80% serragem de eucalipto); e C1 (14,97% papel/papelão, 3,50% plástico mole, 0,57% EPS, 11,43% casca de arroz e 64,76% palha de arroz); C2 (14,97% papel/papelão, 3,50% plástico mole, 0,57% EPS, 38,10% serragem de pinus e 38,10% serragem de eucalipto); C3 (14,97% papel/papelão, 3,50% plástico mole, 0,57% EPS, 76,19% serragem de pinus); C4 (14,97% papel/papelão, 3,50% plástico mole, 0,57% EPS, 76,19% serragem de eucalipto). A compactação das amostras de CDR ocorreu na temperatura de 100 °C e pressão aproximada de 46,9 MPa em escala de bancada. Os aspectos qualitativos do CDR foram avaliados, incluindo: densidade energética, estabilidade dos compactados na exposição à umidade; resistência mecânica; resistência ao intemperismo. Todas as composições aprovadas no teste de resistência mecânica apresentando perdas de massa inferiores a 10%, porém, as composições com biomassa da rizicultura (S1 e C1) apresentaram resultados significativamente diferentes, 3,29% e 0,65%, respectivamente, o que o sugere que a adição do glicerol na amostra C1 interferiu positivamente na resistência mecânica dessa composição. A análise das propriedades físico-químicas das frações de materiais usados e das composições de CDR aumenta estudos científicos do poder calorífico dos combustíveis de aproximadamente 4% e 11% com a adição de 20% em massa de RSU à biomassa florestal e da rizicultura, respectivamente , baixa concentração de cloro, sendo que a maior concentração encontrada foi para a palha de arroz (0,69%, bs) e na composição S1 (0,49%, bs). As especificações da normatização brasileira para a aplicação de RSU para fins energéticos (ABNT NBR 16849/2020) em termos de teor de cloro e PCI foram atendidas. A caracterização do CDR compactado demonstrou a existência de limitações referentes à resistência ao intemperismo, mas o glicerol pode ser uma boa alternativa para melhorar a compactação de resíduos da rizicultura e, consequentemente, aumentar sua resistência física. Isso foi verificado apenas para as amostras de CDR contendo essa biomassa, o que indica a necessidade de continuidade do estudo da aplicação do glicerol como aglutinante. Este trabalho demonstrou que o CDR compactado é uma alternativa promissora para o aproveitamento de resíduos urbanos e agroflorestais, auxiliando nas questões sociais, econômicas e ambientais relacionadas aos impactos da destinação de RSU, e oferecendo um combustível renovável para os setores energéticos e industriais.

Abstract: The importance of properly disposing of Municipal Solid Waste (MSW) has been discussed for years, as has the need for new sources of energy, especially biomass, which is a biofuel. The purpose of this work was to evaluate the effect of applying glycerol as a binder in the formation of fuel derived from MSW (paper/cardboard, plastics with high malleability and low density, and expanded polystyrene - EPS) and biomass from rice farming (rice husks and straw) and forestry (pine and eucalyptus sawdust) in compacted form (CDR). Physico-chemical analyses of the waste were carried out to determine the proximate composition (moisture, ash, volatile matter and fixed carbon contents) and elemental composition (C, H, N, S and O contents); the higher heating value (HHV) and lower heating value (LHV); the concentration of chlorine and trace elements. Four compositions (1, 2, 3 and 4) of CDR without and with the addition of glycerol as a binder (5.0% in relation to the total mass of solids) were tested (S1, S2, S3 and S4; C1, C2, C3 and C4, respectively), with a fraction of MSW waste equivalent to 20% by mass of solids in each composition: S1 (15.72% paper/cardboard, 3.68% soft plastic, 0.60% Styrofoam, 12% rice husk and 68% rice straw); S2 (15.72% paper/cardboard, 3.68% soft plastic, 0.60% EPS, 40% pine sawdust and 40% eucalyptus sawdust); S3 (15.72% paper/paperboard, 3.68% soft plastic, 0.60% EPS, 80% pine sawdust); S4 (15.72% paper/paperboard, 3.68% soft plastic EPS, 80% eucalyptus sawdust); and C1 (14.97% paper/cardboard, 3.50% soft plastic, 0.57% EPS, 11.43% rice husk and 64.76% rice straw); C2 (14.97% paper/cardboard, 3.50% soft plastic, 0.57% EPS, 38.10% pine sawdust and 38.10% eucalyptus sawdust); C3 (14.97% paper/cardboard, 3.50% soft plastic, 0.57% EPS, 76.19% pine sawdust); C4 (14.97% paper/cardboard, 3.50% soft plastic, 0.57% EPS, 76.19% eucalyptus sawdust). The CDR samples were compacted at a temperature of 100 °C and an approximate pressure of 46.9 MPa on a bench scale. The qualitative aspects of the CDR were evaluated, including: energy density, stability of the compacted materials when exposed to humidity; mechanical strength; resistance to weathering. All the compositions passed the mechanical strength test, showing mass losses of less than 10%, but the compositions with rice biomass (S1 and C1) showed significantly different results, 3.29% and 0.65% respectively, suggesting that the addition of glycerol to the C1 sample had a positive effect on the mechanical strength of this composition. Analysis of the physicochemical properties of the material fractions used and the CDR compositions studied showed increases in the calorific value of the fuels of approximately 4% and 11% with the addition of 20% by mass of MSW to the forestry and rhiziculture biomass, respectively, low chlorine concentration, with the highest concentration found was for rice straw (0.69%, b.s.) and in composition S1 (0.49%, b.s.). The specifications of the Brazilian standards for the application of MSW for energy purposes (ABNT NBR 16849/2020) in terms of chlorine content and PCI were met. The characterization of the compacted CDR showed that there were limitations in terms of resistance to weathering, but glycerol could be a good alternative for improving the compaction of rice waste and, consequently, increasing its physical resistance. This was only found for CDR samples containing this biomass, which indicates the need to continue studying the application of glycerol as a binder. This work has shown that compacted CDR is a promising alternative for using urban and agroforestry waste, helping with social, economic and environmental issues related to the impacts of disposing of MSW, and offering a renewable fuel for the energy and industrial sectors.