Capitulo

1.1 Identificação das entidades e equipes executoras

Tabela 1.1: Dados básicos do projeto.

Título do Projeto

Protótipo de um sistema de tratamento de resíduos perigosos, classes I e II, oriundos da operação de usinas termelétricas, voltado ao aproveitamento energético e redução de impacto ambiental.

Duração do Projeto

21 meses Segmento Geração

Fase da Inovação

PA ‐ Pesquisa Aplicada

Tipo de Produto

SM – Sistema Tema

MA – Meio Ambiente

Subtemas

FA04 ‐ Tecnologias para aproveitamento de novos combustíveis em plantas geradoras.

GT02 ‐ Novas técnicas para eficientização e diminuição da emissão de poluentes de usinas termelétricas a combustível derivado de petróleo.

EE01 ‐ Novas tecnologias para melhoria da eficiência energética.

Descrição do Produto

Conceito, especificação técnica, modelagem e prototipagem em escala de bancada de um sistema de tratamento de resíduos perigosos classes I e II, baseado num reator de pirólise lenta com o monitoramento de parâmetros do processo, um condensador de vapores e um purificador de gases residuais utilizando microalgas.

Código do Projeto Data de início do Data de término

P&D‐6492‐0121/2021 Projeto

Valor total do projeto

1.501.731,53

Entidade Proponente

GERA MARANHÃO – GERADORA DE ENERGIA DO MARANHÃO S/A

Entidade Executora

APOLO LAB ENERGIA RENOVÁVEL LTDA

Coordenador

ANDERSON CARDOSO SAKUMA

Gerente

MARCELO RIBEIRO

1.2 Objetivos do projeto

Os objetivos do projeto consistem no desenvolvimento de conceito, dimensionamento, modelagem computacional de um sistema de tratamento em escala piloto para resíduos perigosos classes I e II oriundos da usina Gera Maranhão, localizada na cidade de Miranda do Norte (MA), visando desenvolver uma solução sustentável para destinação do resíduo e reduzir sua pegada de carbono. Além dos protótipos em escala de bancada para a realização de ensaios laboratoriais para validação de engenharia, será desenvolvida a modelagem do sistema em 3D para que o usuário visualize o produto final em um ambiente operacional.

1.3 Palavras chave

Tratamento de resíduos, bioenergia, resíduos perigosos, pirólise lenta, microalgas.

1.4 Estudo de anterioridade

Estima‐se que no Brasil existam mais de 3 mil termelétricas em operação, sendo responsáveis por quase 17% da energia elétrica produzida no país. A operação destas unidades geram resíduos no processo, e dentre eles, resíduos considerados perigosos devido a sua inflamabilidade e potencial de contaminação do meio ambiente. Estas termelétricas devem realizar uma destinação adequada a estes resíduos, muitas vezes contratando o serviço de empresas terceirizadas. O processo de pirólise lenta se destaca como uma potencial solução em comparação com as outras tecnologias devido a possibilidade de produção de combustíveis a partir dos resíduos tratados, o que gera um melhor aproveitamento material ao invés apenas da degradação do mesmo. O desenvolvimento de um sistema conforme o previsto pode se tornar uma solução viável para a geração energética complementar sustentável, já que estes resíduos seriam utilizados para fins energéticos, transformando um passivo ambiental em matéria prima.

Para caracterizar o grau de avanço deste projeto P&D em relação ao estado da arte do assunto foram realizadas pesquisas no banco de projetos P&D da ANEEL, no banco de patentes do INPI e em ferramentas de busca como o Google Academics. Com base nessas pesquisas, verificou‐se que os resultados encontrados não eram correlatos ao projeto atual, por mais que alguns apresentassem o mesmo princípio estudado. A Tabela 1.2 abaixo expõe os códigos de pesquisas e patentes mais relevantes encontradas em base do INPI, ANEEL e Google Academics:

Referência Título do projeto

ANEEL PD‐02890‐0001 Aplicação de bio‐óleo e carvão vegetal de pirólise rápida da biomassa residual como alternativa renovável na geração termelétrica;

ANEEL PD‐00667‐0002 Desenvolvimento de sistema queimador de gás pobre com aplicação em caldeira de centrais termelétricas; https://doi.org/10.3390/ en15093072

ANEEL PD‐06492‐0116 Desenvolvimento de metodologia de identificação de compostos associados a defeitos ou falhas do tipo pirólise em materiais celulósicos empregados em transformadores.

Application of Slow Pyrolysis to Convert Waste Plastics from a Compost‐Reject Stream into Py‐Char

Encontrou‐se estudos e artigos sobre o uso de pirólise na degradação de biomassa e polímeros, porém não foi reconhecido o trabalho com o processo integrado voltado a resíduos contaminados, quesito de inovação deste projeto de pesquisa.

1.5 Contribuição ao estado da arte

Este projeto originou, entre seus entregáveis, um pedido de depósito de patente de modulo de utilidade (MU), atualmente em etapa de exame preliminar cujo processo é registrado pelo código BR 20 2022 018149 2, e uma publicação deste documento descritivo abordando os resultados obtidos, registrado com o Padrão Internacional de Numeração de Livro (ISBN).

Deste modo, com os pedidos de patente e com a publicação registrada, o projeto de pesquisa e desenvolvimento (P&D) em questão proporcionou uma contribuição ao estado da arte existente na temática de tecnologias para aproveitamento de novos combustíveis e novas técnicas para eficientização e diminuição da emissão de poluentes de usinas termelétricas a combustível derivado de petróleo. Dentre as melhorias e inovações dos novos produtos patenteados, pode‐se citar:

● Desenvolvimento de um reator de pirólise lenta para resíduos, com modificações e melhorias no sistema de agitação e aquecimento;

● Desenvolvimento de um purificador de gás, através de microalgas, para remoção de poluentes, evitando assim a contaminação externa de modo econômico baseado em processo biológico.

Atualmente, na literatura, a grande maioria das soluções e estudos encontrados são voltadas para resíduos e materiais distintos, trabalhando‐se com biomassa ou polímeros de maneira segregada e com o uso de pirólise rápida. Neste projeto, visou‐se o trabalho com resíduos contaminados, somando características de componentes distintos em uma mesma batelada, aplicando‐se a pirólise lenta, o que diferencia este trabalho e traz novidade em relação aos registros encontrados na literatura. Os detalhes das melhorias e inovações desenvolvidas encontram‐se no Capítulo 2 deste documento.

1.6 Originalidade do produto ou técnica

O produto idealizado é o conceito, dimensionamento, modelagem computacional de um sistema de tratamento em escala piloto para resíduos perigosos classes I e II produzidos por usinas termelétricas. Além dos protótipos em escala de bancada para a realização de ensaios laboratoriais para validação dos resultados, será desenvolvida a modelagem tridimensional do sistema para que o usuário visualize o produto final num ambiente operacional.

O produto compreende 3 subprodutos como frentes específicas de desenvolvimento, sendo essas:

● Reator de pirólise lenta ‐ será desenvolvido um novo processo otimizado energeticamente que busque uma melhor distribuição térmica e maior conversão material em produtos, visando aumento de eficiência no tratamento dos resíduos. e a viabilidade econômica de plantas menores, enquadrando‐se a realidade de municípios brasileiros que dispões de poucos recursos;

● Condensador de vapores de pirólise ‐ equipamento de resfriamento e condensação da fração líquida do processo de pirólise. Será desenvolvido um processo aprimorado no aspecto termodinâmico para ser mais eficiente energeticamente, promovendo um maior contato dos vapores de pirólise com as superfícies de troca térmica;

● Sistema de purificação de gases utilizando‐se microalgas como agente absorvente.

Cada equipamento resultará na entrega de modelagem computacional, projeto construtivo, avaliação da viabilidade técnica e econômica e protótipo em escala de bancada. E ainda, está previsto o depósito de pedido de patente para cada um dos equipamentos projetados nessas frentes de desenvolvimento.

Realizou‐se pesquisas e levantamentos nas bases de dados do Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) e da Agência Nacional de

Energia Elétrica (ANEEL) em busca de projetos similares a esta proposta. Foram encontrados alguns trabalhos que utilizam a mecânica ou os produtos de processos de pirólise para determinada aplicação, porém não foram encontrados trabalhos que houvesse semelhança com a aplicação prevista.

As técnicas empregadas para a seleção e dimensionamento de equipamentos e para a realização de ensaios e pesquisas são técnicas conhecidas no meio científico, optou‐se pela utilização destas técnicas clássicas para a promoção de confiabilidade nos resultados e produtos, sendo estes aqueles que incorporam a originalidade do projeto. Os detalhes das melhorias, inovações e pesquisas desenvolvidas encontram‐se nos Capítulos 2 e 3 deste documento.

1.7 Abrangência da aplicação

O produto desenvolvido possui potencial de abrangência nacional, após a conclusão e validação do projeto P&D. Em longo prazo, o sistema integrado poderá ser disponibilizado a qualquer empresa ou instituição interessada na tecnologia e nos benefícios gerados.

Como uma solução sustentável para destinação de resíduos Classe I e II, de acordo com a lei nº 12.305 de 2 de agosto de 2010, e redução da pegada de carbono das termelétricas, o produto poderá ser aplicado, com as devidas adequações, a qualquer unidade em que haja a geração de resíduos perigosos classes I e II, como indústrias com grandes maquinários em operação, indústrias químicas, refinarias de combustíveis dentre outras. Os resíduos de Classe I e II de usinas termelétricas abrangem, mas não são limitados, a resíduos inflamáveis, corrosivos, reativos e inertes.

No caso da proponente do projeto, este produto apresenta a utilidade de aplicação para a problemática da geração e descarte de resíduos contaminados, que gera custos mensais para a destinação destes resíduos.

Deste modo, o produto pode ser empregado resultando em redução de custos e geração de subprodutos, assim, qualquer segmento de geração, transmissão e distribuição em que haja a produção de resíduos contaminados podem se beneficiar destes resultados, havendo a possibilidade de abrangência a nível nacional.

O projeto construtivo foi dimensionado para um sistema em escala piloto. A validação dos resultados deste projeto P&D se confirmaram pelos balanços e modelagens computacionais, seguidos da construção de protótipo e realização de ensaios para validação de engenharia.

1.8 Testes de funcionalidade

Os testes de funcionalidade realizados puderam comprovar com base científica a eficácia do produto proposto, sendo que a validação dos resultados deste projeto P&D se deu por meio de testes e ensaios de laboratório, de maneira a promover a análise e caracterização do sistema no âmbito de sua eficiência, aplicabilidade e viabilidade.

O sistema foi projetado para ser implantado em escala piloto, porém os testes dos processos foram desenvolvidos em escala de bancada, em laboratório. Dentre os testes realizados, pode‐se citar os ensaios de pirólise lenta, de absorção líquido‐gasosa, das propriedades dos combustíveis gerados e de contaminação biológica.

Para os testes, fez‐se uso dos protótipos desenvolvidos inteiramente neste projeto, sendo estes outros produtos inovadores e inéditos no mercado, podendo assim propiciar a expansão da pesquisa para outros patamares. A prototipagem e pesquisa realizada neste projeto está abordada no Capítulo 3 deste relatório.

1.9 Contribuições e impactos econômicos

O produto desenvolvido neste projeto caracteriza a fase de pesquisa e desenvolvimento do sistema de tratamento de resíduos perigosos, sendo que as ações resultaram em protótipos em escala de bancada e um projeto de unidade industrial em escala piloto.

Deste modo, os impactos econômicos do produto em questão só serão materializados em uma etapa posterior de aplicação do projeto, consistindo na implementação de uma unidade piloto de tratamento de resíduos perigosos, onde todo o estudo apresentado neste documento seria aplicado para geração de impactos econômicos tangíveis na sociedade.

Pode‐se citar, dentre os possíveis impactos econômicos esperados a contrapartida financeira a partir da economia gerada pela operação do sistema de tratamento de resíduos contaminados, podendo chegar a uma redução de 100% dos custos atuais desprendidos com a destinação destes tipos de resíduos. Também há a produção de subprodutos do processo, como óleo combustível, podendo ser aplicado para fins energéticos ou para indústria química, o que também traz benefícios econômicos.

O projeto financeiro que estima os impactos econômicos da aplicação física deste processo aqui apresentado encontra‐se no Capítulo 5 deste relatório.

1.10 Contribuições e impactos tecnológicos

O presente projeto teve dentre os seus resultados a criação de protótipos de equipamentos de laboratórios que foram utilizados para o desenvolvimento das pesquisas, consistindo em hardware e software. Com a engenharia e construção destes equipamentos, importantes contribuições foram feitas para o segmento de pesquisa, principalmente pelo desenvolvimento próprio de equipamentos para pesquisa e desenvolvimento, o que resulta na nacionalização e concretização de tecnologias aplicadas.

O projeto em questão resultou no depósito e pedido de patente do protótipo de um sistema de tratamento de resíduos perigosos, classes I e II, oriundos da operação de usinas termelétricas, voltado ao aproveitamento energético e redução do impacto ambiental. Este sistema foi modelado e desenvolvido visando soluções sustentáveis para o aproveitamento de resíduos perigosos, sendo que estes estudos podem servir como materialização do processo ou mesmo como ponto de partida para outros estudos semelhantes, o que caracteriza a contribuição científica dos trabalhos realizados. Além disso, também relaciona‐se como impacto tecnológico as melhorias na infraestrutura laboratorial para a realização dos ensaios propostos pelo projeto.

No âmbito de projeto, o sistema modelado tem o potencial de se apresentar como solução para a problemática de termelétricas com a geração de resíduos perigosos, propiciando uma solução otimizada e aproveitamento destes resíduos gerados. Uma abordagem aprofundada sobre os métodos e resultados tecnológicos obtidos pelo projeto são expressos nos Capítulos 2 e 3 na sequência.

1.11 Contribuições científicas

O produto desenvolvido neste projeto caracteriza a fase de pesquisa e desenvolvimento do sistema de tratamento de resíduos perigosos, sendo que as ações resultaram em protótipos em escala de bancada e um projeto de unidade industrial em escala piloto.

Como contribuição científica do projeto, foi desenvolvido este documento registrado com o Padrão Internacional de Numeração de Livro (ISBN), o que soma mais uma produção técnica resultado dos trabalhos realizados. Uma abordagem mais detalhada sobre os métodos e resultados científicos obtidos pelo projeto são expressos nos Capítulos 2 e 3 deste documento.

1.12 Contribuições e impactos socioambientais

O produto desenvolvido neste projeto caracteriza a fase de pesquisa e desenvolvimento do sistema de tratamento de resíduos perigosos, sendo que as ações resultaram em protótipos em escala de bancada e um projeto de unidade industrial em escala piloto.

Deste modo, os impactos socioambientais do produto em questão só serão materializados em uma etapa posterior de aplicação do projeto, consistindo na implementação de uma unidade piloto de tratamento de resíduos perigosos, onde todo o estudo apresentado neste documento seria aplicado para geração de impactos socioambientais tangíveis na sociedade.

Dentre os possíveis impactos a serem gerados na aplicação da pesquisa, pode‐se listar:

● Minimização ou mitigação de contaminação de solo e água, redução de resíduos contaminados, mitigação do risco de contaminação biológica, estabilização de resíduos não inertes;

● Geração de produtos combustíveis no processo, redução dos gastos energéticos com o reaproveitamento de gases combustíveis recirculados;

● Construção de uma unidade piloto de tratamento de resíduo contaminado e geração de produtos com valor de mercado, podendo gerar um faturamento adicional para a indústria que detém a tecnologia;

● Possibilidade de expansão do sistema para recebimento de resíduos de outras entidades geradoras, tornando‐se uma atividade econômica e o fornecimento de serviço de tratamento de resíduos contaminados;

● Redução ou mitigação de risco biológico e químico a partir da exposição a resíduos contaminados, gerando maior segurança e reduzindo a incidência de doenças e complicações de saúde para comunidades locais.

1.13 Etapas e cronograma de execução

Aprovado em 2021, o projeto código ANEEL P&D‐6492‐0121/2021 intitulado “Protótipo de um sistema de tratamento de resíduos perigosos, classes I e II, oriundos da operação de usinas termelétricas, voltado ao aproveitamento energético e redução de impacto ambiental”, é um projeto de pesquisa aplicada no segmento de geração, com a temática principal sobre tecnologias para aproveitamento de novos combustíveis e novas técnicas para eficientização e diminuição da emissão de poluentes em usinas termelétricas a combustível derivado de petróleo.

Foi planejado para ocorrer dentro de um prazo de 18 meses, sendo o seu produto final, um sistema constituído pelo conceito, especificação técnica, modelagem e prototipagem em escala de bancada de um sistema de tratamento de resíduos perigosos classes I e II, baseado num reator de pirólise lenta com o monitoramento de parâmetros do processo, um condensador de vapores e um purificador de gases residuais utilizando microalgas.

As etapas previstas para a execução em 18 meses deste projeto P&D foram definidas inicialmente, com o intuito de separar os esforços para uma melhor organização de tempo e recurso. As etapas de execução do projeto estão relacionadas abaixo:

● Etapa 1 – Reator de pirólise e laboratório, visando o desenvolvimento de um reator de pirólise lenta em escala de bancada e a montagem de um laboratório para a condução dos testes de pirólise lenta em um ambiente isolado;

● Etapa 2 – Condensador de vapores, visando o desenvolvimento de um condensador de vapores de pirólise;

● Etapa 3 – Sistema de purificação de gases, visando o desenvolvimento um sistema de purificação destes gases utilizando‐se um meio de cultivo de microalgas como agente absorvente.

O planejamento inicial de conclusão das atividades em 18 meses, porém com o avanço dos testes e resultados obtidos com o projeto, observou‐se a oportunidade de se realizar testes adicionais de análise de óleo obtido de processo de pirólise de resíduos contaminados, o que seria de grande importância para a concretização dos resultados do projeto em questão. Deste modo, solicitou‐se a prorrogação do projeto com o objetivo de se obter mais tempo hábil para a realização destas análises laboratoriais dos diferentes óleos de pirólise, sendo que, tais testes foram realizados a partir da empresa parceira Vegoor – Tecnologia aplicada, que possui expertise em análise de óleos, de modo a ser possível obter informações relevantes das características dessas amostras para se definir um potencial de uso futuro deste tipo de produto. Para que a obtenção destas informações, necessitou‐se uma expansão do tempo de desenvolvimento do projeto por mais três meses, tendo a sua duração total modificada de 18 para 21 meses, sendo que o seu prazo de finalização foi reajustado para o dia 31/05/2023, sem a necessidade de acréscimos de recursos financeiros. Tal solicitação foi aprovada pelos diretores e gestores da GERA Maranhão, entidade proponente do projeto.

A Figura 1.1 na sequência exibe o cronograma atual do projeto, já considerando as modificações citadas anteriormente e a Tabela 1.3 também na sequência dispõe a listagem das atividades concluídas, demonstrando que ao final do projeto, todas as etapas programadas inicialmente foram concluídas Algumas alterações foram necessárias durante o desenrolar do projeto, porém sem haver prejuízo ao escopo inicial das atividades.

Tabela

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

2,0

2,1

Reator de pirólise e laboratório Concluído

Projeto teórico Concluído

Simulações de processo Concluído

Construção de protótipo Concluído

Coleta e validação de dados Concluído

Condensador de vapores Concluído

Projeto teórico Concluído

2,2 Simulações de processo Concluído

2,3

Construção de protótipo Concluído

2,4 Coleta e validação de dados Concluído

3,0

3,1

3,2

3,3

Sistema de purificação de gases Concluído

Projeto teórico Concluído

Simulações de processo Concluído

Construção de protótipo Concluído

3,4 Coleta e validação de dados Concluído

1.14 Recursos empregados e justificativas

Todo o projeto de pesquisa e desenvolvimento foi planejado para ser desenvolvido com um recurso financeiro de R$ 1.518,408.49 ao longo dos 21 meses, sendo a parte referente aos gastos da executora de R$ 1.501.731,53.

A Tabela 1.4 demonstra os gastos por parte da Empresa Executora.

Fonte: Sistema webPeD, Jordão Engenharia.

1.15 Estudo de viabilidade econômica

O produto desenvolvido neste projeto caracteriza a fase de pesquisa e desenvolvimento do sistema de tratamento de resíduos perigosos, sendo que as ações resultaram em protótipos em escala de bancada e um projeto de unidade industrial em escala piloto.

Deste modo, um estudo de viabilidade econômica foi realizado visando‐se uma etapa posterior de aplicação do projeto, consistindo na implementação de uma unidade piloto de tratamento de resíduos perigosos.

Uma abordagem sobre o estudo de viabilidade econômica é expressa no Capítulo 4 deste relatório.

Detalhamento técnico

2.1 Processo industrial

2.2 Premissas consideradas

2.3 Balanços preliminares

2.4 Layout industrial

2.5 Diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID)

2.6 Sistema de pirólise lenta

2.7 Sistema de resfriamento e condensação de vapores

2.8 Sistema de armazenamento de óleo

2.9 Sistema biológico de purificação de gases

2.10 Sistema cultivo de microalgas

2.11 Instalação elétrica