UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DIANA WENDY RÉ ESTANISLAU
AVALIAÇÃO DO APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DOS RESÍDUOS
DA INDÚSTRIA DE ÓLEO DE RÍCINO POR MEIO DA COGERAÇÃO
SÃO CARLOS – SP
2023
Diana Wendy Ré Estanislau
AVALIAÇÃO DO APROVEITAMENTO ENERGÉTICO DOS RESÍDUOS
DA INDÚSTRIA DE ÓLEO DE RÍCINO POR MEIO DA COGERAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Departamento de
Engenharia Química da Universidade
Federal de São Carlos, para a obtenção do
título de Bacharel em Engenharia Química.
Orientador: Prof. Dr. João Paulo Silva
Queiroz
São Carlos – SP
2023
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
Centro de Ciências Exatas e de Tecnologias
Folha de aprovação
Assinatura dos membros da comissão examinadora que avaliaram e aprovaram a Defesa de Trabalho
de Conclusão de Curso de bacharel em Engenharia Química do candidato Diana Wendy Ré
Estanislau, realizada em 28/08/2023:
___________________________________________________________________
Orientador: Prof. Dr. João Paulo Silva Queiroz
Departamento de Engenharia Química / UFSCar
___________________________________________________________________
Convidado: Prof. Dr. Felipe Fernando Furlan
Departamento de Engenharia Química / UFSCar
___________________________________________________________________
Presidente da banca: Profa. Dra. Adriana Paula Ferreira Palhares
Departamento de Engenharia Química / UFSCar
AGRADECIMENTOS
Aos amigos incríveis que fiz na UFSCar, Nathalia Martins, Yuri Mitsuoka, Lucas
Cruz, Pedro Cavalcante e Lucas Santos que construíram tantas memórias e tornaram
a jornada mais leve.
À Comissão Pró-SEQ, que antes foi meu primeiro contato com o “mundo lá fora”.
Durante, foi onde aprendi, senti e vivi o que é espírito de equipe. E depois, foi onde
foram criados e estreitados os laços de amizade que tenho até hoje.
À Escola Piloto de Engenharia Química da UFSCar, por me dar um propósito
nos tempos obscuros de pandemia, por reacender a minha vocação para o ensino.
À Universidade Federal de São Carlos por todo aprendizado acadêmico e pelo
incentivo às atividades extracurriculares. Viva a educação pública de qualidade!
Aos professores do Instituto Federal da Bahia campus Porto Seguro, a quem
devo toda a construção da minha base educacional e preparo para o mundo científico,
e principalmente pelo estímulo ao desenvolvimento do meu senso crítico. Viva a
educação pública de qualidade!
Ao Departamento de Engenharia Química, pela formação de engenheira e, em
especial, aos professores que me serviram de inspiração para trilhar a carreira
acadêmica.
À professora Fernanda Casciatori, que me orientou na Iniciação Científica e me
ajudou de todas as formas possíveis em meio às minhas dificuldades e crises.
Ao orientador deste trabalho, o professor João Paulo, pelo auxílio nessa reta
final.
Ao estágio em Engenharia de Processos Rhodia Brasil, por proporcionar a tão
sonhada experiência da engenharia no “mundo real”.
Aos meus pais, que priorizaram a educação minha e do meu irmão acima de
qualquer coisa.
Ao meu irmão, que tanto presente como distante, aconselhou, consolou e apoiou
minhas decisões acadêmicas, de carreira e pessoais.
E ao meu companheiro, Gabriel Schavetock, por cuidar de mim com tanto
carinho, por sempre ter sido meu suporte, meu porto seguro, independente de onde
estivéssemos.
Muito obrigada a todos que contribuíram para minha formação profissional e
pessoal!
RESUMO
A mamona (Ricinus communis L.) é a planta oleaginosa da qual se extrai o óleo de
rícino, que possui diversas aplicações, como biolubrificante, matéria-prima de
bioplástico e de biodiesel, aditivo em tintas, cosmético e fármaco. No processamento
da mamona, além do óleo, são produzidas palha, casca (na fase agrícola) e torta
(etapa industrial). Com a crescente demanda por energias renováveis e produtos com
menor pegada ambiental, as agroindústrias têm sido tratadas à luz do conceito de
biorrefinaria, que visa aproveitar todas as frações da planta para obter produtos de
valor agregado, reduzindo ao máximo o descarte de resíduos. Atualmente, a aplicação
de subproduto da mamona se concentra apenas no uso da torta como biofertilizante
ou aditivo em ração animal. Entretanto, esta e os demais resíduos possuem potencial
energético que deve ser explorado. Neste trabalho foi estudada a utilização destes
como fontes para cogeração, buscando avaliar a capacidade de geração desta
indústria, fatores de otimização dos ciclos térmicos, bem como as limitações técnicas
e ambientais envolvidas. Para isso, foram simulados no software Aspen Plus três
sistemas propostos que se diferenciam quanto à fonte de calor: a queima direta de
palha e casca (no Sistema 1) ou a digestão anaeróbia da torta para produção de
biogás que em seguida é queimado (nos Sistemas 2 e 3); e quanto ao ciclo
termodinâmico utilizado para cogeração: Rankine (nos Sistemas 1 e 2) e Brayton (no
Sistema 3). Usando como base uma indústria com capacidade de processamento de
100 mil toneladas de sementes/ano, a energia útil (trabalho + calor recuperado) obtida
nos Sistemas 1-A (casca e parte da palha obtida pela colheita manual), 2 e 3 foi de
24,5, 6,9 e 7,0 MW, respectivamente. E no caso 1-B, o qual considera que toda a
quantidade de resíduo agrícola seria usada na queima, a taxa atingiu 91 MW. O
Sistema 3 resultou em baixa potência elétrica, devido à limitação da temperatura de
combustão para evitar emissões de NOx e CO. Em todos os cenários analisados a
indústria de mamona se tornaria autossuficiente em relação ao uso de energia elétrica
e térmica.
Palavras-chave: Cogeração. Biorrefinaria. Mamona.
ABSTRACT
The castor bean plant (Ricinus communis L.) is an oilseed crop from which castor oil
is extracted, that has various applications, such as a bio lubricant, raw material for
bioplastics and biodiesel, additive in coatings, cosmetic and pharmaceutical. In the
processing of castor beans, in addition to the oil, several by-products are produced,
including straw, husk (in the agricultural phase), and seed cake (industrial stage). The
demand for renewable energy sources and products with a reduced environmental
impact continues to grow. In this context, agro-industries have been studied according
to the biorefinery approach, which seeks to utilize all parts of the plant to produce
value-added products, minimizing waste disposal. Currently, the application of castor
bean by-product is concentrated only on the use of seed cake as a biofertilizer or
additive in animal feed. However, this and the other residues have energy potential
that could be exploited. In this work, their use as sources for cogeneration was studied,
seeking to evaluate the generation capacity of this industry, optimization factors of
thermal cycles, as well as technical and environmental limitations involved. For this
purpose, three systems were proposed and simulated in Aspen Plus software. They
differ in terms of heat source: direct burning of straw and husk (in System 1) or
anaerobic digestion of seed cake for biogas production which is then burned (in
Systems 2 and 3); and in terms of the thermodynamic cycle used for cogeneration:
Rankine (in Systems 1 and 2) and Brayton (in System 3). Based on an industry with a
processing capacity of 100 thousand tons of seeds/year, the useful energy (work +
recovered heat) obtained in Systems 1-A (husk and a portion of the straw obtained
through manual harvesting), 2 and 3 was 24.5, 6.9 and 7.0 MW, respectively. And in
case 1-B, which considers that all agricultural residue would be available for burning,
the rate reached 91 MW. System 3 had low work output due to the limitation of
combustion temperature to avoid NOx and CO emissions. In all evaluated scenarios,
the castor bean industry would be self-sufficient in terms of its electrical and thermal
energy usage.
Keywords: Combined Heat and Power. CHP. Biorefinery. Castor bean.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Fórmula estrutural da triricinoleína. ........................................................... 19
Figura 2. Diagrama dos resíduos gerados no processamento da mamona. ............ 24
Figura 3. Esquema simplificado dos sistemas avaliados. ......................................... 34
Figura 4. Definição da composição de uma corrente de biomassa. ......................... 37
Figura 5. Métodos para propriedades dos componentes não convencionais. .......... 37
Figura 6. Arranjo para combustão de biomassa no Aspen Plus. .............................. 38
Figura 7. Fluxograma da caldeira do Sistema 1 no Aspen Plus. .............................. 39
Figura 8. Fluxograma da produção e queima de biogás no Aspen Plus. ................. 41
Figura 9. Fluxograma do ciclo Rankine no Aspen Plus. ........................................... 43
Figura 10. Fluxograma do Sistema 3 completo no Aspen Plus. ............................... 44
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1. Série histórica da produção de mamona em milhares de toneladas por
estado produtor. ....................................................................................................... 18
Gráfico 2. Divisão do mercado de óleo de mamona nos EUA por aplicação............ 21
Gráfico 3. Divisão do mercado dos derivados de óleo de mamona no mundo. ........ 22
Gráfico 4. Histórico do consumo de óleo de mamona no mundo ............................. 22
Gráfico 5. Exportação de óleo de mamona do Brasil, Índia e China (a) Preço médio de
exportação em dólares americanos por quilograma; (b) Quantidade exportada em
toneladas. ................................................................................................................. 23
Gráfico 6. Trabalho, calor recuperado e energia útil em função a pressão .............. 50
Gráfico 7. Concentrações de NOx e CO em função da temperatura do reator ......... 52
Gráfico 8. Trabalho líquido em função da pressão e números de estágios dos
compressores. .......................................................................................................... 56
LISTA DE QUADROS
Quadro 1. Classes (grades) do óleo de mamona. .................................................... 20
Quadro 2. Derivados do óleo de mamona. ............................................................... 21
Quadro 3. Sequência de operação dos ciclos térmicos mais usados. ...................... 30
Quadro 4. Opções usadas para cálculos entálpicos dos componentes NC. ............ 38
Quadro 5. Parâmetros de operação da caldeira de biomassa. ................................. 40
Quadro 6. Parâmetros de operação da combustão de biogás. ................................ 42
Quadro 7. Parâmetros de operação do ciclo Rankine. ............................................. 44
Quadro 8. Parâmetros de operação do ciclo Brayton. .............................................. 45
Quadro 9. Limites de emissão de poluentes atmosféricos em caldeiras de combustão
externa pela legislação brasileira. ............................................................................ 51
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Viscosidade cinemática de alguns óleos vegetais a 40 e 100°C, em
centistokes. ............................................................................................................... 19
Tabela 2. Massa específica e viscosidade dinâmica do óleo de rícino. .................... 20
Tabela 3. Composição percentual de ácidos graxos do óleo de mamona. .............. 20
Tabela 4. Quantidade de palha obtida para cada quilograma de semente colhida. . 24
Tabela 5. Quantidades de cada fração da mamona produzida no Brasil. ................ 25
Tabela 6. Composições centesimal e elementar de cada resíduo. .......................... 25
Tabela 7. Poder calorífico bruto e líquido dos resíduos de mamona. ....................... 26
Tabela 8. Eficiências de diferentes ciclos térmicos sem e com aproveitamento do calor.
................................................................................................................................. 30
Tabela 9. Vazões de biomassa nos sistemas estudados. ........................................ 34
Tabela 10. Composições dos resíduos de mamona normalizadas em base seca com
cinzas. ...................................................................................................................... 36
Tabela 11. Taxas de energia gerada do Sistema 1-A. ............................................. 48
Tabela 12. Parâmetros de desempenho por etapa e global do Sistema 1-A............ 48
Tabela 13. Taxas de energia gerada do Sistema 1-B, em MW. ............................... 49
Tabela 14. Parâmetros de desempenho por etapa e global do Sistema 1-B............ 49
Tabela 15. Parâmetros do CHP de acordo com a pressão do vapor na entrada da
turbina....................................................................................................................... 50
Tabela 16. Composição percentual mássica das correntes de digestato e biogás. . 53
Tabela 17. Taxas de energia gerada do Sistema 2, em MW. ................................... 53
Tabela 18. Parâmetros de desempenho por etapa e global do Sistema 2. .............. 53
Tabela 19. Concentrações de NOx e CO no gás de combustão e trabalho líquido obtido
em função da temperatura de combustão. ............................................................... 55
Tabela 20. Taxas de geração e consumo de energia no Sistema 3 caso ótimo, em
MW. .......................................................................................................................... 57
Tabela 21. Parâmetros de desempenho do Sistema 3 caso ótimo. ......................... 57
LISTA DE SIGLAS
ABM Associação Brasileira da Mamona
CHP Combined Heat and Power
Cogen Associação da indústria de cogeração de energia
Conab Companhia Nacional de Abastecimento
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
DA Digestão Anaeróbia
EPA U.S. Environmental Protection Agency
FC Carbono Fixado
IAPWS-95 International Association for the Properties of Water and Steam
NACE National Association of Corrosion Engineers
NC Non-conventional Component
PCI Poder Calorífico Inferior
PCL Poder Calorífico Líquido
PCS Poder Calorífico Superior
PNPB Programa Nacional de Produção de Biodiesel
RCA Ricinus communis agglutinin
SRK Soave-Redlich-Kwong
VM Matéria Volátil
VPL Valor Presente Líquido
LISTA DE ABREVIATURAS
aq aquecimento
b biomassa
c combustível
cald caldeira
comb combustão
comp compressores
e entrada
el elétrica
líq líquido
proc processo
recup recuperado
resf resfriamento
sup grau de superaquecimento
tot total (global)
turb turbina
vap vapor
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 15
2 OBJETIVOS .......................................................................................................... 16
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 17
3.1 PRODUÇÃO DE MAMONA ............................................................................. 17
3.1.1 A Mamona ................................................................................................. 17
3.1.2 Histórico do mercado no Brasil ................................................................. 17
3.2 ÓLEO DE RÍCINO ........................................................................................... 19
3.2.1 Composição e propriedades ..................................................................... 19
3.2.2 Aplicações ................................................................................................. 20
3.2.3 Mercado mundial ....................................................................................... 22
3.3 RESÍDUOS ...................................................................................................... 24
3.4 APROVEITAMENTO DOS RESÍDUOS .......................................................... 27
3.5 COGERAÇÃO ................................................................................................. 30
3.5.1 Sistemas de cogeração ............................................................................. 30
3.5.2 Sistemas de cogeração com Biomassa .................................................... 31
3.5.3 Sistemas de produção de energia a Biogás .............................................. 32
3.5.4 Cogeração no Brasil .................................................................................. 33
4 MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................... 34
4.1 SISTEMAS AVALIADOS ................................................................................. 34
4.2 SIMULAÇÃO ................................................................................................... 36
4.2.1 Definição dos componentes ...................................................................... 36
4.2.2 Caldeira de biomassa ............................................................................... 38
4.2.3 Produção e combustão do biogás ............................................................. 40
4.2.4 Cogeração com ciclo Rankine................................................................... 42
4.2.5 Cogeração com ciclo Brayton ................................................................... 44
4.4 CÁLCULOS PARA ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................ 46
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................................................... 48
5.1 SISTEMA 1 – QUEIMA DIRETA E CICLO RANKINE ..................................... 48
5.1.1 Caso A – Utilizando volume de palha da colheita manual ........................ 48
5.1.2 Caso B – Utilizando volume total de palha ................................................ 49
5.1.3 Geração em função da pressão na entrada da turbina ............................. 50
5.1.4 Emissões em função da temperatura de combustão ................................ 51
5.2 SISTEMA 2 – BIODIGESTÃO E CICLO RANKINE ......................................... 53
5.3 SISTEMA 3 – BIODIGESTÃO E CICLO BRAYTON ....................................... 55
5.3.1 Análise de sensibilidade da temperatura de combustão ........................... 55
5.3.2 Estudo da pressão e número de estágios dos compressores ................... 56
5.3.3 Geração de energia no caso ótimo ........................................................... 57
5.3.4 Considerações sobre a presença de H2S ................................................. 58
6 CONCLUSÕES ..................................................................................................... 59
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..................................................... 60
8 REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 61
APÊNDICE A ............................................................................................................ 65
ANEXO A .................................................................................................................. 66
15
1 INTRODUÇÃO
A mamona (Ricinus communis L.) é uma planta oleaginosa cultivada
principalmente em regiões de clima tropical semiárido. Das sementes de mamona é
extraído o óleo de rícino, cujos triglicerídeos são formados majoritariamente por
cadeias de ácido ricinoléico, que lhe confere propriedades distintas como altíssima
viscosidade e densidade, servindo assim a várias aplicações industriais como
biolubrificante, na produção de bioplásticos, aditivos de tintas e vernizes, cosméticos,
fármacos e biodiesel (SCHNEIDER, 2003).
Com a crescente demanda por energia e matérias primas de origem renovável
e de menor pegada ambiental, as agroindústrias têm sido estudadas à luz do conceito
de biorrefinaria, que visa aproveitar todas as frações da planta para obter produtos de
valor agregado, reduzindo ao máximo a geração de resíduos.
No processamento da mamona, além do óleo, são produzidos a torta, casca e
palha. Atualmente, a maioria das aplicações se concentra no uso da torta como
biofertilizante ou aditivo em ração animal. Entretanto, este e os demais resíduos tem
um potencial energético que pode ser explorado.
Neste trabalho foram exploradas algumas rotas de cogeração (produção
concomitante de calor em forma de vapor de processo e energia elétrica) usando os
subprodutos da agroindústria de óleo de rícino como combustível por meio do software
de simulação de processos Aspen Plus. Foram testados três sistemas que se
diferenciam quanto à fonte de calor: a queima direta da palha + casca e a digestão
anaeróbia da torta para produção de biogás que em seguida é queimado; e quanto ao
ciclo térmico utilizado para cogeração: Rankine e Brayton, sendo o segundo apenas
associado à rota a biogás.
16
2 OBJETIVOS
O presente trabalho propõe alternativas de aproveitamento energético para a
indústria de processamento da mamona através da cogeração. De maneira
específica, visa avaliar o potencial de geração de energia usando os resíduos da fase
agrícola (casca e palha) e da fase industrial (torta), e com isso descobrir se a indústria
de óleo de rícino pode alcançar a independência energética; verificar níveis de
emissões de poluentes atmosféricos (NOx e CO); identificar fatores para otimização
de cada ciclo térmico; e observar as especificidades dos sistemas com biogás.
17
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 PRODUÇÃO DE MAMONA
3.1.1 A Mamona
A mamona (Ricinus communis L.) é uma planta oleaginosa cultivada
principalmente em regiões de clima tropical semiárido. A mamoneira é plantada em
várias partes do mundo há milhares de anos, tendo sido usada para fins medicinal,
cosmético, ornamental e ritualístico. Hoje o maior volume comercializado se destina à
indústria, para fabricação de produtos como lubrificantes, bioplásticos, tintas e
biodiesel.
Uma outra aplicação histórica é o uso como veneno. Pois a semente é tóxica
às pessoas, animais e insetos, o que se deve principalmente à presença da proteína
ricina em sua composição, considerada uma potente citotoxina (HOFFMAN, 2007).
Além disso, apresenta o alcaloide ricinina, um agente convulsivo. Possui ainda uma
terceira substância nociva: a RCA (Ricinus communis agglutinin), que não apresenta
risco pela ingestão pois não atravessa a parede intestinal, mas tem a capacidade de
aglutinar glóbulos vermelhos se injetada na corrente sanguínea.
3.1.2 Histórico do mercado no Brasil
No Brasil, o cultivo de mamona se dá em propriedades de pequeno e médio
porte no sertão nordestino, especialmente no interior da Bahia, estado que há 30 anos
detém mais de 85% da produção nacional, como se observa no Gráfico 1. Na década
de 80 o país ocupava o posto de maior produtor de mamona e óleo de mamona, antes
de ser ultrapassado pela Índia, líder no mercado internacional, e pela China que,
apesar de ser uma das maiores produtoras, consome sua produção internamente
(BARROS; RAMOS, 2022).
Nos anos 2000, a produção de óleo de mamona ganhou destaque no mercado
nacional com o surgimento do Programa Nacional de Produção de Biodiesel (PNPB),
que tinha como um dos objetivos incentivar a diversificação das matérias-primas do
biodiesel através da agricultura familiar, criando o Selo Combustível Social. Contudo,
na década de 2010, a cultura entrou em crise novamente devido à baixa
competitividade do óleo de mamona em relação às outras matérias-primas do
biodiesel, como o óleo de soja e a gordura animal. SILVA et al. (2016) aponta como
fator de insucesso a falta de assistência técnica e financeira aos agricultores familiares
18
para melhoria da produtividade das lavouras. Por outro lado, o óleo de rícino tem
muitas aplicações nobres na indústria e, por isso, é considerada uma matéria-prima
muito cara para o uso em larga escala em produtos de baixo valor agregado, como é
o caso do biodiesel (ARANHA, 2008). Existe ainda o fato de que, por ser muito
viscoso, o óleo de rícino causa problemas no processo de produção de biodiesel,
sendo recomendado o uso em mistura com outros óleos (SEBRAE, 2008).
Assim, apesar do histórico problemático da mamona no PNPB, notícias e dados
dos últimos anos indicam que a produção de mamona vem se reerguendo no país:
investimento de empresa estrangeira no cultivo de mamona no oeste baiano (NUNES,
2019); investimento pelo programa Bahia Produtiva, do governo do estado, aplicado
na construção de galpões para estocagem e beneficiamento da mamona com
máquinas e equipamentos para o cultivo e irrigação, compra de grãos e capacitação
dos agricultores (CAR, 2020); criação da Associação Brasileira da Mamona (ABM,
2021); previsão de aumento de produtividade na Bahia de 900 kg/ha na safra de
2021/2022 para 1800 kg/ha em 2022/2023 (CONAB, 2023).
Gráfico 1. Série histórica da produção de mamona em milhares de toneladas por estado produtor.
*Para a safra de 2022/23 os valores são previsões. Fonte: Elaborado com dados da Conab (2023).
0
50
100
150
200
250
300
350
400
P
ro
d
u
ç
ã
o
d
e
m
a
m
o
n
a
(
m
il
to
n
d
e
b
a
g
a
s
)
BA CE PI PE MT MS MG SP PR
19
3.2 ÓLEO DE RÍCINO
O principal produto da mamona é o seu óleo, o óleo de rícino, que é extraído
das sementes, cujo teor varia entre 35 e 55%, sendo o valor padrão comercial de 45%
(SILVA; ROMANELLI; REICHARDT, 2010).
3.2.1 Composição e propriedades
O óleo de mamona é singular na natureza por possuir propriedades físico-
químicas diferentes dos demais óleos. Isso porque ele é composto principalmente pela
triricinoleína (Figura 1): o triglicerídeo formado por cadeias de ácido ricinoléico.
Figura 1. Fórmula estrutural da triricinoleína.
Fonte: SCHNEIDER, 2003.
O ácido ricinoléico tem uma cadeia de 18 carbonos, com uma insaturação no
carbono 9, mas sua peculiaridade se dá pela presença de uma hidroxila no carbono
12. Esta última lhe confere a formação de pontes de hidrogênio intra e
intermoleculares que o tornam o mais viscoso de todos os óleos vegetais
(SCHNEIDER, 2003). A Tabela 1 mostra uma comparação da viscosidade de alguns
óleos vegetais a duas temperaturas e a Tabela 2 apresenta faixas de densidade e
viscosidade dinâmica a 20°C.
Tabela 1. Viscosidade cinemática de alguns óleos vegetais a 40 e 100°C, em centistokes.
Óleo
Viscosidade (cSt)
40°C 100°C
Canola 51 10
Soja 28,5 7,5
Rícino 293 20
Linhaça 30 7,0
Fonte: FLOREA et al apud SCHNEIDER, 2003.
20
Tabela 2. Massa específica e viscosidade dinâmica do óleo de rícino.
Índices analíticos Faixa
Peso específico 0,945 – 0,965 g/mL
Viscosidade (a 20°C) 935 – 1033 cP
Fonte: Adaptado de SCHNEIDER, 2003.
Outros ácidos graxos estão presentes em menores quantidades. A composição
exata varia de acordo com a variedade da planta e condições de cultivo, a Tabela 3
apresenta uma composição observada no Brasil.
Tabela 3. Composição percentual de ácidos graxos do óleo de mamona.
Ácido graxo
Ricinoléico
(C18:1-OH)
Oleico
(C18:1)
Linoleico
(C18:2)
Esteárico
(C18:0)
Palmítico
(C16:1)
Linolênico
(C18:3)
Composição (%) 88,2 3,8 4,9 0,9 1,4 0,3
Fonte: Adaptado de Yeboah et al., 2021.
3.2.2 Aplicações
O óleo de rícino tem diversas aplicações industriais, como biolubrificante, na
produção de bioplásticos, aditivos de tintas e vernizes, cosméticos, fármacos,
biodiesel, entre outros.
Ele é divido comercialmente em classes, em inglês grades, de acordo com sua
forma de extração ou tipo de refino (Quadro 1). O óleo extraído a frio não contém ricina
e é muito utilizado in natura como fármaco (laxante) e cosmético (tratamento capilar).
A ricina é insolúvel em óleo e fica na fase sólida (a torta). Porém, na extração a quente
as sementes são cozidas (ou condicionadas) em água a 75°C, dessa forma parte da
ricina é extraída na fase líquida e o produto final não é livre de toxinas. Mas a extração
a quente tem melhor rendimento, por isso para a fabricação de todos os derivados é
usado o óleo comercial.
Quadro 1. Classes (grades) do óleo de mamona.
Tipo de óleo Produto de origem Método de produção Aplicação
Óleo de mamona
farmacêutico
Sementes de mamona
Moagem e extração a
frio
Indústria farmacêutica e
de cosméticos
Óleo de mamona
comercial
Sementes de mamona
Moagem e extração a
quente
Produção de derivados
Óleo de mamona
refinado
Óleo de mamona
comercial
Branqueamento Produção de derivados
Óleo de mamona
neutralizado
Óleo de mamona
comercial
Neutralização e
branqueamento
Produção de derivados
Fonte: Adaptado de “Comprehensive Castor Oil Derivatives Report”, 2017.
21
Do óleo extraído são produzidos diversos derivados, alguns deles são
apresentados no Quadro 2, bem como as reações que os produzem e suas
aplicações.
Quadro 2. Derivados do óleo de mamona.
Derivado Produto de Origem Método de produção Aplicação
Óleo de mamona sulfatado
Óleo de mamona
comercial
Sulfonação/sulfatação
e neutralização
Surfactante
têxtil
Óleo de mamona
hidrogenado
Óleo de mamona
refinado
Hidrogenação Resinas
Óleo de mamona
desidratado
Óleo de mamona
comercial
Desidratação
Tintas e
vernizes
Ácido ricinoléico
Óleo de mamona
refinado
Saponificação e
acidificação
Diversas
Ricinoleato de metila
Óleo de mamona
refinado
Esterificação
Combustível
(biodiesel)
Ácido 12-Hidroxi-esteárico
(12-HSA)
Óleo de mamona
hidrogenado
Saponificação e
acidificação
Cosméticos
Ácido sebácico Ácido ricinoléico
Pirólise e fusão
alcalina
Produção de
bioplástico
Fonte: Adaptado de “Comprehensive Castor Oil Derivatives Report”, 2017 e SCHNEIDER, 2003.
O Gráfico 2 mostra a fatia de mercado de cada aplicação nos Estados Unidos,
e o Gráfico 3 apresenta o percentual das vendas de cada derivado no comércio global.
Nota-se que o produto mais proeminente é o ácido sebácico, devido ao crescimento
do mercado de bioplásticos nos últimos anos. As demais aplicações também têm
perspectiva de progredir, especialmente pelo aumento da procura por produtos de
origem renovável.
Gráfico 2. Divisão do mercado de óleo de mamona nos EUA por aplicação.
Fonte: Elaborado pela autora com dados de GRANDVIEWRESEARCH, 2021.
22
Gráfico 3. Divisão do mercado dos derivados de óleo de mamona no mundo.
Fonte: Elaborado pela autora com dados de GRANDVIEWRESEARCH, 2021.
3.2.3 Mercado mundial
A despeito das dificuldades enfrentadas no Brasil (ver seção 3.1.2), o mercado
mundial de óleo de mamona permaneceu em tendência de crescimento, como se
observa no Gráfico 4, com destaque ao consumo na China.
Gráfico 4. Histórico do consumo de óleo de mamona no mundo
Fonte: ABM, 2021.
Como comentado anteriormente, o mercado global do óleo de mamona é
dominado pela Índia, que detém 87,3% da receita de exportação, os seguintes no
ranking são países europeus que atuam como distribuidores, comprando da Índia e
revendendo na Europa (TRIDGE, 2021).
O histórico de exportações de 2012 a 2022 da Índia, China e Brasil (maiores
produtores) é apresentado pelos Gráfico 5a e b. No segundo, o eixo das ordenadas
está em escala logarítmica pois a quantidade exportada pela Índia ultrapassa em
23
várias ordens de grandeza os outros dois. Isso porque, além da produção indiana ser
imensamente maior, a China e o Brasil consomem a maior parte de suas produções
no mercado interno. Sendo aliás, o mercado chinês o maior importador do produto.
Observa-se que os preços do óleo de rícino indiano são mais competitivos em
razão da alta produtividade agrícola da mamona conseguidas ao longo dos anos de
desenvolvimento do mercado, especialmente pela seleção de variedades adaptadas
às características de diferentes regiões do país e técnicas de manejo.
Gráfico 5. Exportação de óleo de mamona do Brasil, Índia e China (a) Preço médio de exportação em
dólares americanos por quilograma; (b) Quantidade exportada em toneladas.
Fonte: Elaborado pela autora com dados extraídos de SELINA WAMUCII, 2023.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
U
S
$
/k
g
Preço de exportação médio anual
Brasil Índia China
1
10
100
1.000
10.000
100.000
1.000.000
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
T
o
n
e
la
d
a
s
Quantidade exportada
Brasil Índia China
(a)
(b)
24
3.3 RESÍDUOS
Quando atingem a maturação, os cachos de mamona são colhidos, submetidos
a secagem ao sol e depois descascados, obtendo-se as sementes (ou bagas) que
serão vendidas às “esmagadoras”, indústrias que extraem o óleo. Neste processo são
gerados os resíduos agrícolas da mamona: casca, talos e folhas secas (EMBRAPA,
2022). A Figura 2 ilustra a geração de cada um dos resíduos da mamona.
Figura 2. Diagrama dos resíduos gerados no processamento da mamona.
Fonte: Autoria própria.
A quantidade de palha gerada varia na literatura, isso porque depende da
variedade plantada e principalmente do método de colheita. No sertão brasileiro, a
colheita é manual e os cachos são cortados na base, desse modo, a quantidade de
folhas removidas é praticamente nula, e os talos representam apenas 10% do peso
dos cachos (EMBRAPA, 2022). No estudo de Bateni et al. (2014), feito no Irã, a
distribuição era de 388 gramas de talos e 144 g de folhas para cada quilograma de
material colhido. Enquanto Chechetto et al. (2010), em estudo na Fazenda
Experimental da UNESP Botucatu-SP, informam que para uma produção de 1.400 kg
ha-1 de sementes, a cultura produz cerca de 770 kg ha-1 de folhas e 1.946 kg ha-1 de
hastes, caules, etc. Esses dados foram dispostos na Tabela 4 usando uma mesma
base de cálculo: para 1 kg de semente colhida.
Tabela 4. Quantidade de palha obtida para cada quilograma de semente colhida.
Folhas Talos
Palha
(folhas + talos)
Fonte
Via colheita manual, Brasil - 0,159 0,159 (EMBRAPA, 2022)
Total gerado pela planta, Brasil 0,55 1,39 1,94
(CHECHETTO et al.,
2010)
Total gerado pela planta, Irã 0,44 1,18 1,62 (BATENI et al., 2014)
Fonte: Elaborado pela autora.
25
Já as frações mássicas no fruto são mais precisas, sendo em torno de 70% de
sementes e 30% de casca.
O último resíduo, obtido após extração do óleo, é a torta. Quando o óleo
residual presente na torta é extraído com solvente, ela passa a ser também chamada
de farelo de mamona. Foi comentado na seção 3.2 que o teor de óleo das sementes
é de 45%, o restante é a fração da torta.
Com essas informações e dada a produção nacional de sementes de mamona
(CONAB, 2023), foram estimadas as frações e quantidades de cada parte da mamona
produzida no Brasil na Tabela 5. Assim, cerca de 104 mil toneladas de resíduos foram
geradas apenas na última safra.
Tabela 5. Quantidades de cada fração da mamona produzida no Brasil.
Óleo Torta Casca Palha**
Percentual 28% 35% 27% 10%
Produção nacional* (mil ton) 41,2 50,3 39,2 14,5
*Na safra 2022/23. **Foi considerado percentual de palha obtido por colheita manual.
Fonte: Elaborado pela autora.
A composição dos resíduos também é dependente da variedade e das
condições ambientais. Foram dispostas na Tabela 6 as composições observadas em
alguns estudos por meio das análises imediata e elementar.
Tabela 6. Composições centesimal e elementar de cada resíduo.
Análise Imediata1 (%) Análise Elementar2 (%)
Fonte Umidade Cinzas FC VM C H O** N S
Torta 7,2 5,6 - - 50,8 6,8 33,1 3,7 - (HILIOTI et al., 2017)
Torta 12,0 8,1 2,3 77,6 44,2 7,5 32,6 7,0 0,61 (SOKOTO; BHASKAR, 2018)
Palha 11,1 5,4 9,2 74,3 43,6 5,6 46,2 4,7 ND* (KAUR et al., 2018)
Palha - 10,4 13,3 76,4 41,9 5,6 51,6 0,8 - (ALEXOPOULOU et al., 2015)
Folha - 13,9 11,3 74,9 41,6 5,4 50,0 3,0 - (ALEXOPOULOU et al., 2015)
Talo - 8,4 14 77,6 41,7 5,5 52,3 0,6 - (ALEXOPOULOU et al., 2015)
Talo 3,4 4,5 - - 43,2 6,1 44,7 1,6 - (HILIOTI et al., 2017)
Casca 4,4 6,7 16,9 72,1 44,2 5,5 50,1 0,2 - (NEME; GONFA; MASI, 2022)
FC: Carbono fixado. VM: Matéria volátil. *ND: Não Detectado. **Calculado pela diferença.
Fonte: Elaborado pela autora.
1 Análise Imediata: conhecida como Análise Próxima, fornece uma composição geral da matéria
orgânica, de acordo com a ordem na qual cada fração é decomposta (ou no caso da água, evaporada)
na sua queima.
2 Análise Elementar: Chamada também de Análise Última, fornece a composição elementar.
26
O poder calorífico de cada subproduto foi determinado em diferentes pesquisas
por meio de experimentos com bomba calorimétrica. Os valores foram selecionados
na Tabela 7. Existem ainda fórmulas para calcular o valor calorífico superior a partir
da análise elementar.
Tabela 7. Poder calorífico bruto e líquido dos resíduos de mamona.
PCS3 (MJ/kg) PCI4 (MJ/kg) PCL5 (MJ/kg) Fonte
Torta 21,58 - 17,27 (SOKOTO; BHASKAR, 2018)
Palha 16,9 15,71 - (ALEXOPOULOU et al., 2015)
Casca 17,67 16,02 - (TERAMOTO et al., 2008)
Fonte: Elaborado pela autora.
3 Poder calorífico superior (PCS): Em inglês Higher Heating Value (HHV) ou Gross Calorific
Value (GCV), é todo o calor gerado pela combustão da matéria por unidade de massa.
4 Poder calorífico inferior (PCI): Em inglês Lower Heating Value (LHV) ou Net Heating Value.
Considera a perda de calor para evaporação da água formada na combustão.
5 Poder calorífico líquido (PCL): Em inglês Net Calorific Value (NCV). Diferente do PCI, o poder
calorífico líquido leva em conta, além da água formada na reação, também a evaporação da umidade
presente no material inicialmente.
27
3.4 APROVEITAMENTO DOS RESÍDUOS
Existem diversas formas de aproveitamento de biomassa residual conhecidas.
Muitas delas foram estudadas para os subprodutos da mamona.
Os estudos do uso da torta de mamona como fertilizante são os mais comuns,
sendo essa aplicação já consagrada no mercado. Além de fácil execução, esse uso é
vantajoso devido ao alto conteúdo de nitrogênio e fósforo na torta (SILVA, W. et al.,
2010), e ainda a presença das toxinas ricina e ricinina lhe confere ação pesticida.
Porém, Lima et al. (2011) observaram que doses acima de 4,5% (v/v em relação ao
volume de solo) reduzem o crescimento e podem até causar a morte da planta,
justamente por causa do excesso de nitrogênio.
Uma alternativa com alto potencial é o uso do farelo na alimentação de animais,
por ser rico em aminoácidos e carboidratos. Contudo, este só é possível após o
processo de desintoxicação, pois a torta contém alta concentração de ricina. Mondal
et al. (2019) relatam que os processos de desintoxicação da torta vêm sendo
amplamente estudados, sendo a autoclavagem e o uso de agentes microbianos os
mais bem sucedidos, embora ainda não sejam práticos e eficientes o suficiente para
serem usados em larga escala.
Silva, R. et al. (2021) estudaram a aplicação do biochar6 e da fase aquosa
gerados pela pirólise lenta da torta de mamona. Nos testes de adsorção, o biochar
ativado com ácido sulfúrico (com área específica de 603,3 m²/g) foi capaz de remover
até 96% do azul de metileno. Enquanto a fase aquosa apresentou alta atividade
antifúngica. Neme, Gonfa e Masi (2022) também fabricaram carvão ativado, mas
usando a casca de mamona como matéria prima e ácido fosfórico como ativante,
obtendo um carvão com área superficial de 785,38 m²/g.
No trabalho de Amaral et al. (2019) sobre o uso da torta de mamona como
combustível sólido, seu potencial energético foi considerado adequado, bem como as
características mecânicas dos briquetes fabricados.
Os resíduos de mamona servem de substrato para a digestão anaeróbia,
gerando biogás e digestato (usado como biofertilizante). Quezada-Morales et al.
6 O biochar é o carvão obtido por conversão térmica da biomassa na ausência ou escassez de
oxigênio. As maiores aplicações são na descontaminação de águas e como aditivo a fertilizantes,
ajudando na retenção de nutrientes no solo.
28
(2023) testaram a produção de biogás a partir da palha e da torta de mamona usando
diferentes pré-tratamentos. Em quase todos os ensaios a torta apresentou
rendimentos em biogás superiores aos da palha, chegando a 460,6 mL/g de sólido
volátil com o melhor tratamento (com enzima celulase) e mesmo sem tratamento
algum, a torta gerou 263,4 mL de biogás / g VM na temperatura ambiente. A palha
teve bom resultado na digestão em temperatura controlada de 37°C com pré-
tratamento alcalino (353,5 mL/g VM).
Alguns trabalhos aplicam a abordagem de biorrefinaria na indústria de
mamona, propondo uma combinação de processos para o aproveitamento integral de
todos os subprodutos, transformando-os em biocombustíveis e outros bioprodutos.
Bateni et al. (2014), sugeriram a produção de biodiesel do óleo de rícino
integrada à produção de biogás ou bioetanol da folha, talo e torta da mamona. Para
isso, realizaram a análise experimental dos rendimentos de cada processo. Os
resultados para a produção de biogás concordam com os obtidos por Quezada-
Morales, com a diferença que Bateni investigou a digestão das folhas e talos
separadamente (tratados juntamente como palha no outro estudo) e as folhas
apresentaram um rendimento bom sem pré-tratamento, tal como a torta, e apenas os
talos requereram o tratamento alcalino. Para a produção de etanol o pré-tratamento
alcalino a alta temperatura se mostrou necessário para todos os substratos, sendo
atingidos rendimentos de 82,8% de etanol para os talos, 77,6% para as folhas e 33,7%
para a torta, via sacarificação e fermentação simultâneas.
Sandoval-Salas et al. (2022) propuseram um sistema em que a casca e a palha
são usadas como substrato para produção de cogumelos e/ou são transformadas em
pellets; a torta é desintoxicada e é feita a separação do seu amido que segue para
fermentação gerando bioetanol que é destilado; a vinhaça remanescente da
destilação é destinada à digestão anaeróbia para geração de biogás; o restante da
torta é usado como fertilizante; o óleo é refinado e usado para produzir biodiesel, o
produto principal. Para a análise técnico-econômica foram feitas simulações em
Aspen Plus do sistema descrito (cenário 2) e do caso em que o biodiesel é o único
produto (cenário 1). O resultado foi que o cenário 1 é inviável, com VPL7 negativo, já
o cenário 2 se mostrou muito favorável.
7 VPL: Valor Presente Líquido
29
Rahimi e Shafiei (2019), fizeram a avaliação técnico-econômica da produção
de biodiesel do óleo com o uso dos resíduos para geração de biometano ou calor de
duas culturas energéticas, a mamona e a Eruca sativa spp. oleifera. Os cenários foram
simulados no Aspen Plus. Nos cenários com produção de biogás (1, com mamona e
2, com Eruca sativa) foi feito pré-tratamento alcalino dos resíduos e a digestão
anaeróbia termofílica seca (a 55°C com 25% de sólidos totais m/m) seguida do
processo de purificação do biogás a biometano e queima do material lignocelulósico
remanescente no digestato. Nos cenários 3 e 4 foi realizada a queima direta dos
resíduos para geração de calor. Os cenários 1 e 2 só se mostraram rentáveis para
capacidades de produção muito altas, devido ao alto custo de investimento, enquanto
os cenários 3 e 4 foram altamente rentáveis.
Já o trabalho de Adeboyejo, Usman e Nwaba (2020) propõe a produção de
biodiesel associada à fabricação do metanol in situ através da gaseificação da torta
de mamona e integração energética por Análise Pinch. Foi feita a análise exergética
e econômica usando o Aspen Hysys, comparando o cenário citado (A) e a produção
do biodiesel com metanol comprado e sem integração (B). O cenário A forneceu
biodiesel a um custo de $0,91/litro em contrapartida a $1,00/litro do cenário B.
30
3.5 COGERAÇÃO
3.5.1 Sistemas de cogeração
A cogeração, ou CHP (sigla para Combined Heat and Power), trata-se da
geração de energia elétrica, através de ciclos térmicos, associada ao aproveitamento
do calor remanescente nos processos industriais, usualmente na forma de vapor.
Em uma planta de potência, ou termelétrica, apenas o trabalho gerado na
turbina (ou no motor) é utilizado. Assim, a eficiência da cogeração é maior que a de
uma termelétrica, pois na primeira a energia útil é a soma do trabalho e do calor
recuperado. Como se observa na Tabela 8, os sistemas de cogeração chegam a 75%
de eficiência, enquanto a máxima da termelétrica é de 57%.
Tabela 8. Eficiências de diferentes ciclos térmicos sem e com aproveitamento do calor.
η Otto ou Diesel Rankine Brayton Combinado
Termelétrica 40 a 46% 30 a 45% 35 a 45% 57%
Cogeração 62% 50% 70 a 75% 70 a 75%
Fonte: ODDONE (2001).
Os ciclos apresentados na Tabela 8, são os mais comuns. O funcionamento do
sistema de cogeração usando cada um deles foi resumido no Quadro 3. Cabe
observar que em todos os casos o trabalho gerado pode ser usado tanto na produção
de energia elétrica quanto como força motriz de elementos motores, como
compressores (muito aplicado no ciclo Brayton) e eixos de automóveis (ciclos Otto e
Diesel).
Quadro 3. Sequência de operação dos ciclos térmicos mais usados.
Rankine Brayton
• Queima do combustível em fornalha
• Caldeira para geração de vapor de alta pressão
• Geração de trabalho através de turbina a
vapor
• Vapor de baixa pressão usado no processo
• Queima do combustível em fornalha a alta
pressão
• Geração de trabalho através de turbina a
gás (de combustão)
• Gás ainda quente passa por caldeira de
recuperação para geração de vapor
• Vapor usado no processo
Combinado Otto e Diesel
• Queima do combustível em fornalha
• Geração de trabalho através de turbina a gás
• Gás de exaustão ainda quente usado em
caldeira de recuperação para geração de vapor
• Geração de trabalho através de turbina a
vapor
• Vapor de baixa pressão usado no processo
• Queima de combustível em motor
alternativo de combustão interna, gerando
trabalho
• Gás de exaustão, água de jaqueta e óleo do
motor passam por trocadores, recuperando
calor que será usado no processo
Fonte: Autoria própria.
31
3.5.2 Sistemas de cogeração com Biomassa
A Agência de Proteção Ambiental Americana (EPA) publicou em 2007 um
relatório onde compara (p. 62-77) características dos ciclos de cogeração e sua
aplicação com biomassa como combustível. A tabela comparativa completa pode ser
consultada no Anexo deste trabalho. A seguir é realizada uma comparação resumida.
A operação da turbina a vapor não é influenciada pelo tipo de combustível,
visto que o gás de combustão não entra em contato com a mesma. Assim, ela é
adequada para recuperação de calor através da queima de biomassa sólida e não
requer nenhum tratamento prévio do combustível sólido nem do biogás. Por isso, o
sistema é simples e de baixo custo de implantação, além de ter uma ampla faixa de
capacidade de geração, atendendo a diferentes escalas. Entretanto, o ciclo Rankine
costuma ter baixa eficiência comparado aos demais.
A turbina a gás requer combustível gasoso, pois a queima direta de
combustível sólido gera quantidades inaceitáveis de material particulado, de modo
que para usar a biomassa precisa passar por gaseificação formando gás de síntese
(syngas) ou digestão anaeróbia para formação de biogás. Após a transformação do
combustível ainda é necessário purificá-lo antes da combustão, removendo material
particulado residual e, no caso do biogás, a umidade em excesso.
O ciclo combinado, como o nome sugere, combina o uso das turbinas a gás
e a vapor. Essa configuração foca na geração de energia elétrica, mas a energia total
recuperada não é menor que a no Brayton (vide Tabela 8), apenas aumenta o trabalho
gerado usando parte do remanescente de calor que seria cedido para o processo.
O CHP com motores alternativos de combustão interna é usado para
aplicações de menor escala, principalmente como geradores emergenciais. A
quantidade de calor recuperada pode ser bem alta ou baixa, tornando-o muito flexível
à demanda de calor do processo. Contudo, o calor é disponibilizado a uma
temperatura baixa. Além disso, possui as mesmas exigências de combustível que as
turbinas a gás.
O ciclo a vapor pode ser operado de três formas: (a) Condensação, em que o
vapor é exaurido na turbina até a menor pressão possível e não é aproveitado como
fonte de aquecimento, passando por um condensador apenas para ser repressurizado
por uma bomba antes de retornar à caldeira (ciclo Rankine fechado), usado para a
geração de trabalho apenas; (b) Extração, em que a turbina tem saídas intermediárias
32
para fornecer parte do vapor ainda pressurizado para o processo; (c) Contrapressão,
na qual todo o vapor sai no final da turbina na pressão requerida pelo processo.
Francisco Patrocínio (2017) simulou a queima, cogeração de energia com
turbina a vapor e gaseificação da biomassa de diversas fontes agroflorestais usando
o software Aspen Plus.
3.5.3 Sistemas de produção de energia a Biogás
Poucas adaptações são necessárias para que caldeiras a gás natural sejam
operadas a biogás. A principal é que para uma mesma demanda de calor o volume
de biogás necessário será maior, assim normalmente é aumentada a área do orifício
dos queimadores para uso de biogás. Também é necessário fazer o ajuste do controle
de vazão de ar, visto que a razão estequiométrica altera com a mudança do
combustível (KRICH et al., 2005).
É importante atentar-se à resistência da caldeira a corrosão, devido à
significativa presença de água e sulfeto de hidrogênio (H2S) no biogás. Contudo, boa
parte das caldeiras a gás também são capazes de operar com óleo combustível, que
também tem alto conteúdo de enxofre na sua composição, sendo, portanto, já
resistentes. De acordo com Krich et al (2005) deve-se manter a temperatura de
operação acima de 250°F (121°C) para evitar a condensação de água e consequente
formação de ácido sulfídrico. Também recomenda-se fazer a partida e parada do
equipamento com gás natural, pois nesses momentos não é possível manter a
temperatura alta.
Em seu artigo, Alvisi (2010) explora os mecanismos da ação do H2S sobre o
aço, a agressividade dessa ação de acordo com o meio e as características que levam
a um melhor desempenho do aço carbono ao serviço. Nele diz:
[...] o H2S é o principal responsável pela corrosão por ‘sulfetação’ dos aços
carbono e baixa liga ao Cr-Mo, a qual passa a ser importante apenas acima
de cerca de 260°C, ocorrendo através da reação, Fe + H2S → FeS + H2.
Por outro lado, encontrando-se solubilizado em água, o (agora) ácido
sulfídrico, ou H2S-úmido, proporciona além da corrosão, a fragilização e o
trincamento do aço, o que se dá através de sua hidrogenação.
(ALVISI, 2010, p. 193)
A Norma NACE IP 8X-194 de 2006 serve de referência técnica para
especificação e fabricação de equipamentos em “serviço com H2S” em refinarias de
petróleo. Nela, o serviço com H2S é classificado em três categorias de acordo com
33
algumas características do meio (ALVISI, 2010). Observando apenas os critérios
aplicáveis aos sistemas de biogás a categorização pode ser resumida da seguinte
forma:
Categoria 1 (baixo potencial de nucleação): Fase aquosa com < 50 ppm H2S
(em massa) e 6,5 < pH < 7,5.
Categoria 2 (moderado potencial): Fase aquosa com > 50 ppm H2S ou fase
gás H2S com pressão parcial > 0,05 psia (0,34 kPa) associada a uma fase aquosa
com pH < 4 e < 2.000 ppm H2S.
Categoria 3 (alto potencial): Fase gás com pressão parcial de H2S > 0,05 psia
associada a fase aquosa com > 2.000 ppm H2S com pH < 4.
Orientações para escolha dos materiais de construção dos equipamentos para
Serviço com H2S são encontradas em normas técnicas como a própria NACE ou em
trabalhos como os de Silva e Guedes (2014) e de Alvisi (2010).
3.5.4 Cogeração no Brasil
De acordo com o boletim da Cogen (Associação da Indústria de Cogeração de
energia) em fevereiro de 2022 a cogeração representou 11% da capacidade da matriz
energética nacional. Sendo as fontes de calor mais usadas: o bagaço de cana, o licor
negro e o gás natural. A maior parte da energia é usada dentro da própria indústria,
mas o excedente é transferido para rede. Em 2021, esse excedente totalizou 4,2% da
produção de eletricidade do país (BARROS, 2022).
Em sua tese, Suani Coelho (1999) avaliou que a cogeração com biomassa via
ciclo Rankine já era uma tecnologia dominada e amplamente utilizada, mas nas usinas
brasileiras operava com eficiência reduzida. Isso porque aqui, em maioria, os sistemas
são operados a baixas pressão e temperatura (22 bar, 300°C) sem reaquecimento
nem regeneração, com turbinas de baixa eficiência isentrópica e baixos rendimentos
nas caldeiras.
A autora aponta que essas escolhas operacionais e de equipamentos são feitas
em busca de menor custo de investimento, em detrimento da eficiência. Em
contrapartida, havia disponível comercialmente caldeiras que operavam a 40 e 60 bar,
sendo instaladas em algumas usinas no estado de São Paulo.
34
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 SISTEMAS AVALIADOS
Foi considerado o processamento de 100 mil ton de sementes/ano, que
corresponde à capacidade instalada da segunda maior empresa esmagadora de
mamona no Brasil em 2010 (CARDOSO, 2012, p. 20). Usando as frações
apresentadas na Tabela 5 para essa vazão de sementes (11,6 ton/h) foram obtidas
as vazões de cada resíduo, que são as correntes de entrada dos sistemas estudados
neste trabalho (Tabela 9).
Tabela 9. Vazões de biomassa nos sistemas estudados.
Sistema estudado 2 e 3 1-A e B 1-A 1-B
Biomassa Torta Casca Palha Palha
Vazões (ton/h) 6,4 5,0 1,8 22,5
Fonte: Autoria própria.
No Caso A do Sistema 1 (1-A) a quantidade de palha considerada é aquela
obtida da colheita manual. Enquanto o Caso B (1-B) utiliza toda a palha proveniente
da planta, essa quantidade foi obtida da proporção observada por Chechetto et al.
(2010), presente na Tabela 4.
Os sistemas 1, 2 e 3 representam diferentes rotas para geração de energia na
indústria de mamona, esquematizados na Figura 3.
Figura 3. Esquema simplificado dos sistemas avaliados.
(a) Sistema 1: Queima direta da palha e casca e CHP com turbina a vapor; (b) Sistema 2: Biodigestão
da torta e CHP com turbina a vapor; (c) Sistema 3: Biodigestão da torta e CHP com turbina a gás.
(a) Sistema 1
35
Fonte: Autoria própria.
Sistema 1: Queima direta dos resíduos lignocelulósicos, i.e. casca e palha, em
uma caldeira para produção de vapor que é usado em um ciclo térmico para geração
de energia elétrica e posterior uso do vapor nos processos da indústria.
Sistema 2: Digestão anaeróbia da torta gerando digestato e biogás, que é
usado como combustível para cogeração em ciclo Rankine, como no Sistema 1.
Sistema 3: Digestão anaeróbia da torta e combustão do biogás tal como no
Sistema 2, mas com cogeração através do ciclo Brayton (turbina a gás com posterior
recuperação do calor em caldeira para produção de vapor usado na indústria).
Para os Sistemas 1 e 2 foi escolhido o Ciclo Rankine como CHP devido às
características discutidas na seção 3.5.2. Cabe ressaltar que a indústria da mamona
no Brasil não é de larga escala, assim, atributos como a simplicidade na operação e
baixo custo são essenciais para a implementação do projeto. Porém, é sabido que as
turbinas a gás podem atingir eficiências elétricas maiores que o ciclo a vapor, então
esta possibilidade foi estudada no Sistema 3, com biogás como combustível, visto que
não é viável tecnicamente utilizar turbina a gás associada queima de sólido devido à
alta quantidade de material particulado no gás.
(b) Sistema 2
(c) Sistema 3
36
4.2 SIMULAÇÃO
Os sistemas foram simulados usando o software Aspen Plus. Seus detalhes
são descritos nas sessões a seguir.
4.2.1 Definição dos componentes
A biomassa foi inserida na simulação usando a configuração de componente
do tipo Non-Conventional (NC). Dessa forma, em vez de inserir a composição exata
das espécies que compõem a biomassa, é possível caracterizá-lo através das
análises última, próxima e de enxofre8, chamadas respectivamente de ULTANAL,
PROXANAL e SULFANAL dentro do software.
As composições da torta, palha e casca foram selecionadas da Tabela 6. Foram
utilizadas aquelas com dados mais completos, ou seja, as dos trabalhos de Sokoto e
Bhaskar (2018) para a torta, Kaur et al (2018) para a palha, e Neme et al (2022) para
a casca. Para aplicação dos valores no programa, foram necessárias normalizações
para base seca e com cinzas. No atributo Sulfanal considerou-se uma distribuição
50:50 entre enxofre sulfático e orgânico e nenhuma quantidade de pirítico, tal como
recomendado no guia para especificação de biomassa lignocelulósica da AspenTech
(2021). Obtendo-se assim a Tabela 10.
Tabela 10. Composições dos resíduos de mamona normalizadas em base seca com cinzas.
Proxanal (%) Ultanal (%) Sulfanal (%)
Umidade Cinzas FC VM C H O N S Pirítico Sulfato Orgânico
Torta 13,62 9,18 2,65 88,17 43,67 7,38 32,21 6,96 0,60 0 0,30 0,30
Palha 12,54 6,08 10,31 83,61 40,94 5,22 43,35 4,40 0 0 0 0
Casca 4,60 7,02 17,67 75,31 41,13 5,10 46,55 0,20 0 0 0 0
Fonte: Elaborado pela autora.
As composições são definidas nas correntes de entrada, na subcorrente NC,
como na Figura 4.
8 Análise que determina o percentual das formas de enxofre: pirítico (mineral), sulfático (iônico)
e orgânico.
37
Figura 4. Definição da composição de uma corrente de biomassa.
Fonte: Elaborado pela autora.
Para cálculo das propriedades físicas dos componentes NC foram usados os
modelos para carvão HCOALGEN de entalpia e DCOALIGT de densidade (Figura 5),
novamente de acordo com a recomendação da AspenTech (2021). As células
indicadas como Option Codes determinam os métodos de cálculo e estado de
referência mostrados no Quadro 4.
Figura 5. Métodos para propriedades dos componentes não convencionais.
Fonte: Elaborado pela autora.
38
Quadro 4. Opções usadas para cálculos entálpicos dos componentes NC.
Método de cálculo
Estado de
referência Parâmetro da célula
Calor de
combustão
Calor de
formação
Capacidade
calorífica
Código usado 6 1 1 1
Significado do
código escolhido
Valor definido
pelo usuário
Correlação
baseada no calor
de combustão
Correlação
de Kirov
Elementos no
estado padrão a
25°C e 1 atm
Fonte: Elaborado pela autora.
Assim, foi possível inserir, na sessão de Parâmetros de componentes puros,
valores experimentais de calor de combustão das biomassas. Foram usados os PCSs
da Tabela 7.
Além das biomassas comentadas foram criados mais dois componentes NC:
Cinzas, presente na queima da biomassa, modelada como 100% cinza na proxanal e
ultanal; e Digestato, proveniente da digestão anaeróbia, cuja composição foi
determinada por balanço elementar.
As demais substâncias presentes na simulação foram configuradas como
componentes convencionais. Os pacotes termodinâmicos escolhidos foram o Soave-
Redlich-Kwong (SRK) para as operações com gases e o da International Association
for the Properties of Water and Steam (IAPWS-95) para o ciclo de vapor.
4.2.2 Caldeira de biomassa
No Aspen Plus não há um bloco de equipamento que simule a queima de uma
corrente NC diretamente, para isso foi usada a sequência de blocos recomendada no
manual para simulações com sólidos da AspenTech (2013), mostrada na Figura 6.
Figura 6. Arranjo para combustão de biomassa no Aspen Plus.
Fonte: Elaborado pela autora.
39
DECOMP: Decompõe a biomassa em C, H2, O2, N2, S, Cinzas e água. Trata-
se do modelo de reator Yield, cujos rendimentos são definidos no bloco Calculator
descrito a seguir.
CALCDEC: Bloco de cálculo que recebe a composição Ultanal da corrente de
entrada, converte para base úmida e insere as frações como rendimentos mássicos
do DECOMP.
COMB: Reator de equilíbrio (RGibbs) que recebe as correntes de produto
(DEC) e de calor (Q-DEC) do DECOMP e uma corrente de ar, promove sua
combustão.
No Sistema 1 duas biomassas diferentes (casca e palha) são utilizadas, assim
suas decomposições foram feitas separadamente e o produto resultante de ambas
alimenta o COMB, como pode ser visto na Figura 7.
Figura 7. Fluxograma da caldeira do Sistema 1 no Aspen Plus.
Fonte: Elaborado pela autora.
Além dos já citados, os blocos a seguir compõem a simulação.
AR-F: Calculator que determina a vazão de ar usando o seguinte cálculo:
1. Cálculo da vazão molar de O2 requerida para combustão completa do carbono
e H2 no DEC descontando o O2 já presente nessa corrente.
2. Cálculo da vazão molar de O2 adicionando o percentual de excesso
3. Cálculo da vazão molar da corrente de ar.
CALDGAS: Bloco do tipo Heater, remove calor do gás de combustão.
FILT: Faz a separação da fase sólida (cinzas) do gás de exaustão.
40
O Q-COMB representa o calor transferido por irradiação e convecção na
sessão de combustão. Já o Q-GAS é o calor transmitido por convecção do gás produto
da combustão no balão da caldeira. A soma destes, chamada de Q-CALD, é o calor
total fornecido pela caldeira. É sabido que em uma caldeira real nem toda a biomassa
é de fato queimada, principalmente por problemas de mistura. A fim de contabilizar
essa não idealidade, o valor de Q-CALD foi corrigido pela eficiência de queima
observada em caldeiras de grelhas móveis. Essa correção é feita na taxa de calor
transferida para a água de caldeira usada no ciclo térmico, descrita no item 4.2.4.
O Quadro 5 descreve a escolha de alguns parâmetros importantes na
simulação da caldeira.
Quadro 5. Parâmetros de operação da caldeira de biomassa.
Parâmetro de
operação
Valor Comentário
Excesso de ar 22%
De acordo com o Engineering Toolbox (2003), para o carvão
o excesso deve ser de 15 a 60%. Silva et al. (2018) relata o
uso de 22% na queima de bagaço de cana.
Eficiência de queima 0,93
95±2% para fornalhas de grelhas móveis (PATROCÍNIO,
2017). Adotou-se o limite inferior.
Temperatura no forno 1000°C Caso base. Análise de sensibilidade.
Temperatura do gás
na chaminé
125 °C
Para um ΔT mínimo em torno de 20°C entre a água da
caldeira e o gás no economizador.
Fonte: Elaborado pela autora.
Foi feita uma análise de sensibilidade variando a temperatura do forno de 100
a 1900°C com incremento de 100°C, a fim de observar a concentração de NOx e CO
gerados e compará-las com os limites da Resolução CONAMA Nº 382, de 2006.
4.2.3 Produção e combustão do biogás
Para o Sistema 2 foram utilizados os dados obtidos por Quezada-Morales et al.
(2023) na digestão da torta de mamona sem pré-tratamento a temperatura controlada
de 37°C. Os autores realizaram a DA com 4% de substrato. Nessas condições o
rendimento obtido foi de 369,2 mL de biogás / g de VM, com uma concentração de
50,9% de metano, sendo o restante CO2.
O fluxograma da simulação é apresentado na Figura 8. Além da entrada da
corrente de sólido há uma de água para dilui-la tal como no experimento citado. A
umidade presente na torta foi desprezada. Os detalhes são descritos adiante.
41
AGUA-DA: Cálculo que determina a vazão da corrente de água para obter a
proporção de 96% de água para 4% de torta.
BIODIGES: Reator Yield, cujas especificações foram os rendimentos mássicos
de CH4, CO2, H2S e digestato, além das composições ULTANAL, PROXANAL e
SULFANAL do digestato. A água foi manuseada como componente inerte. Os valores
dos parâmetros foram calculados da seguinte forma:
1. Cálculo da concentração molar e mássica de metano e dióxido de carbono de
acordo com o rendimento experimental e volume molar de gás ideal.
2. Cálculo da concentração molar e mássica de sulfeto de hidrogênio,
considerando que todo o enxofre presente na torta é convertido em H2S.
3. Cálculo das concentrações do restante de cada elemento (C, H, O, N e cinzas).
4. Cálculo da concentração de digestato (soma dos elementos restantes)
5. Cálculo da composição elementar do digestato (concentração do elemento /
concentração de digestato * 100%)
6. Cálculo da composição próxima do digestato (mesmo percentual de cinzas que
a ULTANAL e o restante FC)
FL: Bloco Flash, inserido para fazer a separação adequada entre a corrente
gasosa e o digestato, de modo que o gás saia saturado com água, como ocorre no
biodigestor real.
A combustão foi realizada da mesma forma que no Sistema 1. Sendo apenas
removido o filtro do gás de exaustão, visto que as cinzas saem na corrente DIGESTAT.
Figura 8. Fluxograma da produção e queima de biogás no Aspen Plus.
Fonte: Elaborado pela autora.
42
Alguns dos parâmetros da combustão foram alterados, outros foram mantidos,
como mostrado no Quadro 6.
Quadro 6. Parâmetros de operação da combustão de biogás.
Parâmetro de
operação
Valor Comentário
Excesso de ar 7%
De acordo com o Engineering Toolbox (2003), para o gás
natural o excesso deve ser de 5 a 10%.
Eficiência de
queima
0,97
Como a ineficiência da mistura com combustível gasoso é
menor, adotou-se o valor superior da faixa de 95±2%
apresentada por Patrocínio (2017).
Temperatura
no forno
1000°C Mantido do caso base do Sistema 1.
Temperatura
do gás na
chaminé
125 °C
Para um ΔT mínimo em torno de 20°C entre a água da caldeira
e o gás no economizador. Esse valor também atende a
temperatura mínima recomendada para evitar corrosão devido
a formação de ácido sulfídrico (vide item 3.5.3)
Fonte: Elaborado pela autora.
4.2.4 Cogeração com ciclo Rankine
O CHP dos Sistemas 1 e 2 foi modelado como no fluxograma da Figura 9,
composto por:
BOMBA: eleva a pressão da água até o valor desejado (Caso base: 40 bar).
CALDVAP: representa o “lado vapor” da caldeira que recebe o calor da
combustão para vaporizar e superaquecer a água do ciclo térmico. Suas
especificações são a perda de carga igual a 0 e um grau de superaquecimento,
determinado pelo bloco GRAUSUP.
AGUA-F: bloco Design-Spec que determina da vazão de água de modo que a
demanda de calor na CALDVAP seja igual a 93% do calor fornecido Q-CALD (este
percentual é a eficiência de queima na fornalha, citada na seção anterior).
TURBINA: gera trabalho pela perda de pressão do vapor. São especificadas a
pressão de descarga e suas eficiências isentrópica e mecânica.
GRAUSUP: Design-Spec que determina o grau de superaquecimento do vapor
gerado na CALDVAP de modo que o vapor na descarga da turbina esteja saturado e
sem nenhuma fração de líquido. Isso é feito definindo como objetivo que a entalpia da
corrente de descarga (VAPBP) seja igual a entalpia do vapor saturado na sua
condição de pressão.
43
PROCESSO: Representa o uso do vapor de baixa pressão no processo
industrial. Foi modelado como um condensador, i.e., foi especificada a fração de
vapor na saída igual a 0, sua perda de carga também foi definida como nula. O calor
resultante deste bloco é o calor recuperado, ou calor útil, do CHP.
PERDAS: Representa a perda de energia no processo. Trata-se também de
um bloco Heater, que reduz a temperatura e pressão do condensado antes de ser
retornado para o ciclo.
Figura 9. Fluxograma do ciclo Rankine no Aspen Plus.
Fonte: Elaborado pela autora.
Avaliando as operações envolvidas do processamento da mamona, descritas
por Patel et al. (2016), nota-se que a maior temperatura atingida na produção do óleo
refinado é de 100°C. Assim, seria possível atender a demanda de aquecimento do
processo com vapor saturado a 2 bar, cuja temperatura é de aprox. 120°C.
Alguns parâmetros de operação foram resumidos no Quadro 7.
Uma análise de sensibilidade foi feita para a pressão de entrada da turbina. Foi
variada a pressão de 10 a 100 bar. Observou-se sua influência na geração de trabalho
e calor recuperado.
44
Quadro 7. Parâmetros de operação do ciclo Rankine.
Parâmetro de operação \ Sistema 1-A e 2 1-B Comentário
Eficiência isentrópica da turbina 0,70 0,80 Para CHP típico com capacidade
elétrica nominal de 3 e 15 MW,
respectivamente (EPA, 2007). Eficiência do gerador 0,94 0,97
Pressão entrada da turbina 40 bar
Caso base. Análise de sensibilidade
no Sistema 1.
Pressão descarga da turbina 2 bar Suficiente para atender o processo.
Fração de vapor na descarga da
turbina
1 Vapor saturado
Condição da água na sucção da
bomba (após PERDAS)
Saturada a
pressão atm
Assumida
Eficiência da bomba 0,90 Assumido
Fonte: Elaborado pela autora.
4.2.5 Cogeração com ciclo Brayton
No Sistema 3 foi implementada a cogeração com turbina a gás, conforme
mostrado na Figura 10. A etapa de biodigestão é igual à do Sistema 2, mas as zonas
de combustão e de geração de energia tiveram alterações.
Figura 10. Fluxograma do Sistema 3 completo no Aspen Plus.
Fonte: Elaborado pela autora.
Como a turbina é movida diretamente pelo gás de combustão, é preciso que a
fornalha seja pressurizada, assim, foram usados compressores para injeção do biogás
e do ar. Os blocos COMPR-BG e COMPR-AR são compressores de múltiplos estágios
45
com resfriamento intermediário. Parte da umidade do biogás condensa nos trocadores
de calor entre estágios e é removida na corrente CONDNS.
Após a combustão, o gás quente gera trabalho na turbina, saindo na descarga
a pressão ambiente e, então, o calor remanescente é recuperado na caldeira, gerando
vapor a 2 bar que é usado no processo como nos sistemas anteriores. A temperatura
da fornalha seria controlada com a água da caldeira, portanto o calor removido do
COMB também incorpora o calor fornecido à caldeira.
A maioria dos parâmetros foram conservados do Sistema 2 (observados no
Quadro 6 e no Quadro 7), os novos foram dispostos no Quadro 8. Para a turbina a
gás foram mantidas as mesmas eficiências isentrópica e mecânica da turbina a vapor.
Quadro 8. Parâmetros de operação do ciclo Brayton.
Parâmetro de operação Valor Comentário
Eficiência isentrópica dos
compressores
0,72 Adotou-se o valor padrão presente no software.
Número de estágios 1 a 4
Caso base com apenas 1 estágio. Foi variado de
acordo com a pressão requerida.
Temperatura de resfriamento
entre estágios
30°C
Troca de calor com água a temperatura
ambiente.
Temperatura no forno 1100°C
Caso base. Análise de sensibilidade em relação
à emissão de gases poluentes
Pressão pós compressores /
antes da turbina
10 bar
Caso base. Estudo de caso variando a pressão
para cada número de estágios.
Pressão descarga da turbina atm O gás sai para a atmosfera.
Fonte: Elaborado pela autora.
Realizou-se um estudo de caso variando a pressão de saída dos
compressores, que é a mesma pressão dos gases de combustão na entrada da
turbina, pois foi considerada perda de carga nula.
O número de estágios foi alterado de acordo com as pressões trabalhadas. Foi
seguida a heurística da razão de compressão (𝑃𝑠/𝑃𝑒) igual para cada estágio, ou seja,
a razão em cada estágio é raiz enésima da razão global do compressor, sendo 𝑛 o
número de estágios, Ps e Pe as pressões de saída e de entrada (TURTON; BAILIE;
WHITING, 1998).
46
4.4 CÁLCULOS PARA ANÁLISE DOS RESULTADOS
Para avaliação dos resultados foram calculadas as eficiências de cada etapa
do processo e a global de cada sistema. A eficiência energética (η) é definida como a
razão entre a(s) saída(s) e a(s) entrada(s) de energia de uma etapa ou sistema
(HAKAWATI et al., 2017). Com base nessa definição foram expressas as equações a
seguir.
A eficiência da digestão anaeróbia (ηDA) é a energia no metano produzido
pela energia contida na biomassa, como dado na Equação (1). Foi usado o poder
calorífico líquido da torta por ser o dado disponível na literatura.
𝜂𝐷𝐴 =
𝑃𝐶𝐼𝑐 ⋅ ?̇?𝑐
𝑃𝐶𝐿𝑏 ⋅ ?̇?𝑏
(1)
Sendo:
𝑃𝐶𝐼𝑐: poder calorífico inferior do combustível (metano)
?̇?𝑐: vazão mássica do combustível
𝑃𝐶𝐿𝑏: poder calorífico líquido da biomassa (torta)
?̇?𝑏: vazão mássica da biomassa
Para a torta foi utilizado o PCL, por não ter sido encontrado o seu PCI na
literatura, sem prejuízo na análise.
A eficiência da caldeira (ηcald) representa qual fração do potencial calorífico
do combustível é efetivamente transferida para o vapor na caldeira. É calculada pela
Equação 2.
𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑 =
𝑄𝑣𝑎𝑝
∑(𝑃𝐶𝐼𝑐 ⋅ ?̇?𝑐)
(2)
Na qual 𝑄𝑣𝑎𝑝 é taxa de calor transferida para o vapor (demanda do bloco CALDVAP).
A somatória no denominador é aplicada para os casos em que mais de um
combustível é usado, como ocorre no Sistema 1.
A eficiência elétrica (ηel) é a relação entre geração de trabalho e o calor que
entra no ciclo de potência, como mostrado na Equação 3.
𝜂𝑒𝑙 =
𝑊𝑙í𝑞
𝑄𝑣𝑎𝑝
(3)
Onde 𝑊𝑙í𝑞 é o trabalho líquido, ou seja, a potência gerada na turbina
descontada daquela consumida em outros equipamentos. No ciclo Rankine apenas a
47
bomba consome energia elétrica e o seu consumo é cerca de 100 vezes menor que a
geração, por isso seu valor foi desprezado e usou-se somente o trabalho da turbina
na Equação (3. Já no ciclo Brayton, a energia consumida pelos compressores é
significativa e foi descontada do trabalho gerado na turbina para obter o valor líquido.
A eficiência da cogeração (ηCHP) considera como energia útil a soma do
trabalho gerado e o calor recuperado na forma de vapor de processo (Equação 4).
𝜂𝐶𝐻𝑃 =
?̇?𝑢𝑡𝑖𝑙
𝑄𝑣𝑎𝑝
(4)
Sendo 𝑄𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝 a taxa de calor recuperada e ?̇?𝑢𝑡𝑖𝑙 = 𝑊𝑙í𝑞 + 𝑄𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝, a taxa de
energia utilizada.
No CHP, outro parâmetro se faz relevante: a razão entre trabalho e calor
gerados (𝑊𝑙í𝑞/𝑄𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝).
Por fim, a eficiência global do sistema (ηtot) é dada pela Equação 5.
𝜂𝑡𝑜𝑡 =
?̇?𝑢𝑡𝑖𝑙
∑(𝑃𝐶𝐼𝑏 ⋅ ?̇?𝑏)
(5)
No Sistema 3, os indicadores ηcald, ηel e ηCHP não são praticáveis, tendo em
vista que nesse caso a Qvap não representa todo o calor útil gerado na combustão,
porque o calor que permanece no gás ainda é usado na turbina. Sendo aplicadas
apenas a razão trabalho/calor e a eficiência global.
48
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 SISTEMA 1 – QUEIMA DIRETA E CICLO RANKINE
5.1.1 Caso A – Utilizando volume de palha da colheita manual
As taxas de energia gerada na caldeira e no ciclo térmico do Sistema 1-A são
apresentadas na Tabela 11 e as eficiências correspondentes, na Tabela 12.
Tabela 11. Taxas de energia gerada do Sistema 1-A.
Caldeira CHP Sistema
𝐐𝐯𝐚𝐩 (MW) Wlíq (MW) Qrecup (MW) ?̇?𝐮𝐭𝐢𝐥 (MW)
25,5 3,8 20,7 24,5
Fonte: Autoria própria.
Tabela 12. Parâmetros de desempenho por etapa e global do Sistema 1-A.
Caldeira CHP Sistema
𝛈𝐜𝐚𝐥𝐝 ηel ηCHP Wlíq/Qrecup 𝛈𝐭𝐨𝐭
85% 15% 96% 0,18 81%
Fonte: Autoria própria.
Cabe comparar a energia gerada com a demandada pela indústria de óleo de
rícino. Rahimi e Shafiei (2019) apresentam valores de consumo usados em sua
análise. Corrigindo para a alimentação usada neste trabalho, obtém-se uma demanda
de aprox. 0,64 MW para o processamento das sementes de mamona. Logo, a energia
produzida na cogeração supriria a demanda da planta de extração de óleo, com
grande excedente.
O superavit de energia elétrica pode ser vendido e facilmente transmitido para
a rede de distribuição, mas a utilização do excesso de vapor está condicionada à
existência de alguma indústria ou instalação agrícola vizinha que possua essa
demanda. Caso haja no site industrial a produção de biodiesel do óleo, haveria uma
demanda adicional de 9,8 MW, que também poderia ser suprida pelo sistema
proposto, visto que a maior parte dessa demanda é térmica (RAHIMI; SHAFIEI, 2019).
Vale a ressalva que nos sistemas simulados foi considerado o uso de vapor de
2 bar, porém para algumas demandas do processamento do óleo de mamona o vapor
de média pressão seria útil. Por exemplo, na produção de vácuo por meio de ejetores,
principalmente na coluna de destilação de solvente, e para o aquecimento na etapa
de desodorização, que ocorre a 150°C em alto vácuo (etapa presente apenas na
49
produção do óleo de grau farmacêutico) (PATEL et al., 2016). Seria possível obter
vapor de média pressão, (usualmente a 6,5 bar manométrico, 168°C) usando uma
turbina de dois estágios, extraindo a vazão necessária do vapor de média no estágio
intermediário e o restante a 2 bar (ou menos) na descarga.
5.1.2 Caso B – Utilizando volume total de palha
Os resultados da simulação do Caso B são apresentados nas tabelas abaixo.
Esta é a energia que seria gerada para a máxima entrada dos resíduos
lignocelulósicos. Ou seja, se toda a palha produzida no campo fosse transportada até
a indústria para ser queimada.
Tabela 13. Taxas de energia gerada do Sistema 1-B, em MW.
Caldeira CHP Sistema
𝐐𝐯𝐚𝐩 Wlíq Qrecup Ėutil
94,6 17,1 74,2 91,3
Fonte: Autoria própria.
Tabela 14. Parâmetros de desempenho por etapa e global do Sistema 1-B.
Caldeira CHP Sistema
𝛈𝐜𝐚𝐥𝐝 ηel ηCHP Wlíq/Qrecup ηtot
79% 18% 97% 0,23 76%
Fonte: Autoria própria.
Observa-se que as eficiências da cogeração e a relação trabalho/calor foram
maiores no sistema 1-B do que no 1-A. Isso porque com o aumento de escala as
turbinas apresentam maior eficiência (isentrópica e mecânica), aqui contabilizadas de
acordo com os valores sugeridos pela EPA (2007) já apresentados no Quadro 7.
Entretanto, a eficiência da caldeira foi menor no Caso B, pois alimentação de
palha foi aumentada, mas a de casca manteve-se a mesma. A palha possui umidade
de 11,1% enquanto a casca apenas 4,4%, assim aumentar a razão de palha reduz a
eficiência porque uma fração maior do calor é perdida na evaporação da umidade
presente.
50
5.1.3 Geração em função da pressão na entrada da turbina
Foi feita a análise de sensibilidade dos parâmetros do CHP do Sistema 1-A em
relação à pressão da corrente VAPAP. As potências foram representadas no Gráfico
6. Os demais valores foram dispostos na Tabela 15.
Tabela 15. Parâmetros do CHP de acordo com a pressão do vapor na entrada da turbina.
𝐏𝐞,𝐭𝐮𝐫𝐛 (bar) ?̇?𝐯𝐚𝐩(ton/h) ∆𝐬𝐮𝐩 (°C) 𝛈𝐞𝐥 (%) 𝛈𝐂𝐇𝐏 (%)
20 35,2 89 12 96
40 33,8 118 15 96
60 33,0 135 17 96
90 32,2 153 19 96
Pe,turb: Pressão na entrada da turbina; ṁvap: vazão de vapor no ciclo; e ∆sup: grau de
superaquecimento do vapor de alta pressão. Fonte: Autoria própria.
Gráfico 6. Trabalho, calor recuperado e energia útil em função a pressão
Fonte: Autoria própria.
Percebe-se, tanto pelo gráfico quanto pela tabela que o aumento da pressão
aumenta a eficiência elétrica (o trabalho realizado), mas sem alterar a energia total
aproveitada no CHP.
Em outras palavras, com a maior geração de trabalho menor a entalpia
disponível no vapor de processo, tal como é esperado. Mas o sistema foi configurado
para manter a condição da saída da turbina constante (vapor saturado a 2 bar), então
a variação observada não é na entalpia específica, e sim na massa de vapor no
circuito. Isso porque com o aumento da pressão, um maior grau de superaquecimento
é necessário para que ocorra queda de pressão sem condensação na turbina e, por
consequência, menor a massa de água evaporada.
0
1
2
3
4
5
6
18
19
20
21
22
23
24
25
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
T
ra
b
a
lh
o
r
e
a
liz
a
d
o
(
M
W
)
C
a
lo
r
re
c
u
p
e
ra
d
o
e
E
n
e
rg
ia
ú
ti
l
(M
W
)
Pressão na entrada da turbina (bar)
Qrecup Eutil Wliq
51
O controle da condição do vapor de descarga costuma ser feito nos sistemas
CHP reais, visto que este será o vapor de processo que atenderá a planta, logo, é
desejável que seu estado seja constante.
5.1.4 Emissões em função da temperatura de combustão
A Resolução CONAMA N° 382, de 2006, estabelece limites de emissão de
poluentes para caldeiras9 de acordo com o processo, o tipo de combustível e sua
potência nominal. Os limites dos casos que mais se assemelham aos sistemas
estudados neste trabalho foram reunidos no Quadro 9. A potência térmica nominal é
definida na Resolução como o PCI do combustível multiplicado pela sua vazão
mássica, de forma análoga ao cálculo do calor dos combustíveis nas equações de
eficiência da seção 4.4.
Quadro 9. Limites de emissão de poluentes atmosféricos em caldeiras de combustão externa pela
legislação brasileira.
Combustível
Potência térmica
nominal (MW)
Concentração* (mg/Nm³)
MP NOx CO
Derivados de
madeira a
1 a 10 730 - 1300
10 a 30 520 650
30 a 70 260 650 -
Biomassa de
cana-de-açúcar
a
1 a 10 280 - 1300
10 a 75 230 350 -
> 75 200 350 -
Gás natural b < 70 - 320 -
≥ 70 - 200 -
*As concentrações são em base seca e para o percentual de O2 de referência de: a 8%, b 3%.
MP: Material Particulado.
Fonte: Adaptado da Resolução CONAMA Nº 382 (2006).
Em boa parte dos casos há a restrição quanto à concentração de material
particulado no gás de exaustão. Contudo, essa concentração depende das
características físicas, como densidade e granulometria, das cinzas da biomassa
queimada, além da configuração da fornalha e cinética da combustão. Não há na
literatura essas informações da biomassa de mamona, e não cabe ao escopo deste
9 A Resolução também estabelece os limites de emissão na geração de energia elétrica em
turbinas a gás com potência elétrica maior que 100MW, mas não há restrição para potências menores.
52
trabalho esse grau de detalhamento da combustão, assim não foi possível estimar a
emissão de material particulado.
Entretanto, as emissões de óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono são
fortemente influenciadas pela temperatura na zona de combustão, efeito que é
observável com a modelagem de reator de equilíbrio utilizada (bloco COMBUST).
Então, foi feita a análise de sensibilidade no Sistema 1 variando a temperatura do
reator de 100 a 1900°C10. As concentrações dos gases foram convertidas para
mg/Nm³ e corrigidas para base seca e a porcentagem de O2 de referência conforme
instruído na resolução CONAMA. As curvas de concentração resultantes foram
apresentadas em escala logarítmica no Gráfico 7.
Os limites de NOx e CO mostrados são referentes a caldeiras de resíduos de
cana com capacidade maior que 10 MW e de 1-10 MW, respectivamente. O Sistema
1-A tem potência nominal de 30 MW, escala para a qual apenas as emissões de
material particulado e NOx seriam controladas. Para derivados de madeira há um limite
de NOx para caldeiras desse mesmo porte, mas a legislação é menos restritiva nesse
caso, por isso optou-se por comparar com os limites para bagaço de cana.
Gráfico 7. Concentrações de NOx e CO em função da temperatura do reator
Fonte: Autoria própria.
10 A temperatura adiabática observada foi de 1896°C, sendo essa a maior temperatura que a
fornalha desse sistema atingiria.
350
1300
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
C
o
n
c
e
n
tr
a
ç
ã
o
(
m
g
/N
m
³)
Temperatura (°C)
NOx CO Limite NOx Limite CO
53
Nota-se que para respeitar a emissão máxima de NOx é necessário operar a
caldeira a uma temperatura em torno ou menor que 1000°C. Nessa condição a
emissão de CO está bem longe do limite, devido ao excesso de oxigênio utilizado que
favorece a combustão completa.
5.2 SISTEMA 2 – BIODIGESTÃO E CICLO RANKINE
Com torta de mamona alimentada foi possível produzir por volta de 2010 Nm³/h
de biogás e 164 m³/h de digestato, cujas composições mássicas são mostradas na
Tabela 16. O componente DIGEST é o NC usado na simulação para representar toda
a matéria orgânica que não foi convertida em biogás, como substrato residual,
biomassa microbiana e produtos metabólicos.
O desempenho da produção de energia pode ser avaliado com os dados das
Tabela 17 e Tabela 18.
Tabela 16. Composição percentual mássica das correntes de digestato e biogás.
DIGEST H2O CO2 H2S CH4
Digestato 2,28 97,3 0,44 0,02 0,02
Biogás - 3,29 61,9 0,53 34,3
Fonte: Autoria própria.
Tabela 17. Taxas de energia gerada do Sistema 2, em MW.
Biodigestor Caldeira CHP Sistema
𝐐𝐚𝐪 Qvap Qproc Wlíq Qrecup Ėutil
2,13 9,39 7,62 1,41 5,49 6,89
Sendo Qaq: demanda de calor do biodigestor; Qproc: calor usado no processo industrial.
Fonte: Autoria própria.
Tabela 18. Parâmetros de desempenho por etapa e global do Sistema 2.
Biodigestor Caldeira CHP Sistema
𝛈𝐃𝐀 ηcald ηel ηCHP Wlíq/Qrecup ηtot
33,1% 93,0% 15,0% 73,4% 0,26 22,6%
Fonte: Autoria própria.
Nota-se que a eficiência elétrica é exatamente a mesma da Tabela 12, porque
o ciclo Rankine nesta simulação é idêntico ao da 1-A e o comportamento do circuito é
linear, i.e., independe da vazão de água/vapor. A eficiência do CHP e a razão
trabalho/calor também seriam iguais aos do Sistema 1-A, contudo, observou-se um
54
consumo de calor de 2,13 MW para aquecimento no biodigestor, que foi descontado
do calor recuperado (Qrecup = Qproc − Qaq) pois se trata de um consumo do próprio
sistema de produção de energia e não uma demanda da fábrica.
Por outro lado, a eficiência da caldeira de biogás foi bem maior que as
observadas na caldeira de biomassa, em virtude da menor vazão de combustível e de
ar (apenas 7% de excesso) que resultam em menor calor perdido na massa de gás
quente na exaustão, além da maior eficiência de queima considerada.
Na temperatura operada (1000°C) obteve-se concentrações de NOx de 180
mg/Nm3 e CO de 0,15 mg/Nm3, abaixo dos limites especificados no Quadro 9. O NOx
é mais baixo e o CO mais alto que os obtidos no Sistema 1 nessa mesma temperatura
(230 e 0,10 mg/Nm3) em decorrência do reduzido excesso de O2.
Vale observar da Tabela 17 que a energia produzida nesse sistema é menor,
mas ainda atenderia à demanda da indústria de processamento de mamona. Dessa
forma, mesmo que nenhuma quantidade de palha/casca seja carregada da lavoura
até a fábrica, a indústria pode alcançar a autossuficiência energética apenas com a
torta, que é um resíduo gerado in loco.
Observando o calor de combustão da torta (PCLb ⋅ ṁb = 31 MW), é seguro
estimar que a energia gerada pela sua queima direta seria próxima do Sistema 1-A,
porém com a digestão anaeróbia não seria necessário abrir mão da sua aplicação
como biofertilizante, visto que o digestato tem potencial para fertirrigação, pois os
minerais e nitrogênio da torta permanecem nele. O que é uma grande vantagem do
ponto de vista ambiental, por evitar a substituição da torta por fertilizantes de origem
fóssil, que têm uma pegada ecológica muito elevada.
Entretanto, no sistema proposto a DA é realizada a uma baixa concentração de
sólidos, resultando em um alto volume de digestato devido à adição de água. Este
volume pode inviabilizar o transporte do biofertilizante ao campo. Também é preciso
avaliar a concentração adequada do ponto de vista agrícola. Rahimi e Shafiei (2019)
operaram com a digestão seca termofílica – a 25% de sólidos e 55°C – com pré-
tratamento alcalino dos resíduos. Nesse modo, o volume do digestato produzido é
cerca de 7 vezes menor.
55
5.3 SISTEMA 3 – BIODIGESTÃO E CICLO BRAYTON
5.3.1 Análise de sensibilidade da temperatura de combustão
Nos sistemas anteriores, a escolha da temperatura da combustão (Tcomb) não
interfere no trabalho gerado, porque o controle de temperatura é feito através da troca
de calor da seção de combustão com o vapor que posteriormente é usado na turbina.
Na simulação isso é representado pela soma de Q-COMB e Q-GAS para inseri-los na
CALDVAP.
No ciclo Brayton o controle de temperatura também é feito com o vapor da
caldeira, mas nesse caso o vapor não passa pela turbina, então o calor removido não
pode gerar trabalho, podendo apenas ser aproveitado para aquecimento na indústria.
Desse modo, no Sistema 3 a temperatura de combustão tem influência significativa
na geração de energia elétrica.
Contudo, como observado no item 5.1.4, a temperatura também interfere nas
emissões de NOx e CO. A fim de observar esses efeitos, foi realizada a análise de
sensibilidade da Tcomb apresentada na Tabela 19.
Tabela 19. Concentrações de NOx e CO no gás de combustão e trabalho líquido obtido
em função da temperatura de combustão.
Tcomb (°C) NOx (mg/Nm³) CO (mg/Nm³) Wlíq (MW)
900 87 0,01 0,14
1000 180 0,05 0,30
1100 334 0,34 0,46
1200 570 1,8 0,62
1300 908 7,7 0,78
1400 1366 27,9 0,95
1500 1961 86,8 1,11
1600 2707 239 1,27
1700 3623 591 1,43
1800 4737 1330 1,60
1900 6101 2742 1,76
2000 7803 5198 1,92
Fonte: Autoria própria.
A legislação brasileira não restringe as emissões para sistemas de geração de
energia elétrica a partir de turbinas a gás com potência elétrica menor que 100 MW
(“Resolução CONAMA nº 382”, 2006). Portanto, seria possível operar com altas
temperaturas em prol da geração de energia, porém as emissões seriam altíssimas
quando comparadas aos limites para caldeiras de geração de vapor no Quadro 9.
56
Assim, foi adotada a temperatura de 1100°C, que manteria um nível de emissão de
NOx razoável, reduzindo o impacto ambiental e evitando possível custo adicional de
aquisição dos equipamentos resistentes a alta temperatura (especialmente da
turbina).
5.3.2 Estudo da pressão e número de estágios dos compressores
Foram variados a pressão e o número de estágios dos compressores e
observado o trabalho líquido em cada ponto, resultando no Gráfico 8. As faixas de
pressão para cada número de estágio foram definidas de modo ser possível observar
a tendência e o máximo de cada curva. O trabalho líquido é a soma 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 − 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝,
sendo o primeiro termo o trabalho gerado na turbina e o segundo, o gasto pelos
compressores.
Gráfico 8. Trabalho líquido em função da pressão e números de estágios dos compressores.
Fonte: Autoria própria.
O trabalho gerado na turbina sobe com o aumento de pressão, em
contrapartida o trabalho consumido pelos compressores também aumenta. O ponto
máximo do trabalho líquido é aquele no qual as taxas de crescimento se igualam, a
partir dele o aumento de pressão prejudica a produção de energia.
Observa-se saltos na geração de trabalho entre as curvas de 1, 2 e 3, mas o
ponto máximo da curva de 4 estágios não representa ganho significativo em relação
ao de 3 estágios. Assim, o caso ótimo adotado foi o de 3 estágios, a pressão de 13
bar que resulta em um trabalho líquido de 0,78 MW.
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 5 10 15 20 25 30
T
ra
b
a
lh
o
l
íq
u
id
o
(
M
W
)
Pressão (bar)
1 estágio
2 estágios
3 estágios
4 estágios
57
5.3.3 Geração de energia no caso ótimo
Os resultados do caso ótimo foram dispostos na Tabela 20 e Tabela 21. Na
qual Qresf é o calor removido no resfriamento entre estágios de compressão do ar e
do biogás. O resfriamento nos condensadores pode ser feito com a água usada no
biodigestor, assim esta seria preaquecida de 30 a 37°C. Com essa consideração o
calor recuperado é 𝑄𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝 = 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑐 − 𝑄𝐷𝐴 + 𝑄𝑟𝑒𝑠𝑓.
Tabela 20. Taxas de geração e consumo de energia no Sistema 3 caso ótimo, em MW.
Biodigestor Compressores CHP Sistema
𝐐𝐚𝐪 Qresf Wcomp Qproc Wturb Qrecup Wliq Ėutil
2,13 1,04 1,51 7,30 2,29 6,20 0,78 6,99
Fonte: Autoria própria.
Tabela 21. Parâmetros de desempenho do Sistema 3 caso ótimo.
CHP Sistema
𝐖𝐥í𝐪/𝐐𝐫𝐞𝐜𝐮𝐩 ηtot
0,13 22,9%
Fonte: Autoria própria.
Na Tabela 21 a eficiência global do sistema se manteve próxima da obtida no
Sistema 2. Contudo, a razão trabalho/calor diminuiu significativamente, ou seja, o ciclo
Brayton teve rendimento em energia elétrica menor que o Rankine, porém com maior
recuperação de calor.
De acordo com a análise feita no item 5.3.1, o sistema com turbina a gás tem
potencial para gerar mais trabalho que o da turbina a vapor, contudo isso só é atingido
com o aumento de temperatura do gás de combustão. Assim, caberia avaliar com o
órgão regulador os limites de emissão que seriam de fato aplicados a esse sistema.
Ou ainda, implementar um sistema de abatimento do NOx gerado.
Uma alternativa para reduzir a temperatura sem perda na geração de trabalho
seria promover a recirculação de parte do gás de exaustão. Este, por outro lado
precisaria ser comprimido, consumindo trabalho, mas possivelmente há uma razão de
reciclo ótima na qual o saldo da operação é positivo.
Outra possibilidade seria a instalação do ciclo combinado. Ou seja, gerar vapor
com pressão mais alta (e em menor vazão) na caldeira para passar por uma segunda
etapa de geração elétrica em uma turbina a vapor.
58
5.3.4 Considerações sobre a presença de H2S
Na seção 3.5.3 foram apresentadas as condições que classificam o “Serviço
com H2S”. No Sistema 3, observa-se que ocorre condensação de água no
resfriamento entre estágios de compressão do biogás (ver perfil no Apêndice). No
caso ótimo, entre o 2º e o 3º estágio, a concentração de H2S no condensado atinge
2172 ppm, que na temperatura de saída do trocador (30°C) tem pH de 4,06, mas na
temperatura máxima do trecho (115°C) o pH seria de 3,83. Além disso, a fase gás no
mesmo trecho tem pressão parcial de 2,4 kPa de H2S chegando, portanto, a
caracterizar Serviço com H2S de Categoria 3.
Dessa forma, seria preciso a adequação dos trocadores de calor intermediários
à especificação de materiais e técnica de fabricação para este serviço, com barreiras
que garantam que não haja arraste de líquido para o compressor. Ou então, que todo
o sistema de compressão de biogás atenda a essa especificação.
Outra solução seria a instalação de um sistema de dessulfurização do biogás
logo após sua produção. A remoção de sulfeto de hidrogênio pode ser feita por
diversos mecanismos físicos (como adsorção e lavagem do gás), químicos (como
inibição por ferro) ou biológicos. Alguns deles promovem também a remoção de água
(secagem), que ajudaria a reduzir (ou eliminar) a corrosão e até a remoção de CO2,
elevando o potencial calorífico do combustível. Entretanto, o processo de purificação
completo: chamado upgrading (ou melhoramento) do biogás a biometano, teria um
custo excessivo não justificado para uma aplicação menos nobre como a cogeração.
59
6 CONCLUSÕES
Nos Sistemas 1-A, 2 e 3 foram obtidos 24,5, 6,9 e 7,0 MW de energia útil
(trabalho + calor recuperado) a uma razão trabalho/calor de 0,18, 0,26, 0,13,
respectivamente. E no caso 1-B, em que o máximo de palha seria disponibilizado para
a queima, a taxa chegou a 91 MW com razão de 0,23.
O Sistema 1-A apresentou a maior eficiência global (81%). Os Sistemas a
biogás (2 e 3) tiveram baixa eficiência total (em torno de 23%) devido à etapa
biológica, que converte apenas uma fração da matéria orgânica em metano.
Entretanto, é importante pontuar que a biodigestão permite o uso do digestato como
biofertilizante nitrogenado, função que seria perdida se fosse feita a queima da torta.
Foi observado que processo de esmagamento de mamona tem baixa demanda
energética, dessa forma, todas as alternativas foram capazes de supri-la. Sendo
então, fundamental a viabilidade da venda e distribuição do excedente.
A temperatura de operação da fornalha adequada para garantir emissões de
poluentes abaixo dos limites da legislação foi entre 1000-1100°C. Decorrido deste
controle de temperatura o ciclo com turbina a gás (Sistema 3) teve pior desempenho
em geração elétrica do que o ciclo a vapor (Sistema 2).
Percebeu-se ainda a formação de fase aquosa com H2S na compressão do
biogás, o que é um ponto de atenção por causa do potencial corrosivo dessa solução.
60
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Tendo em vista as discussões realizadas, são sugeridos como estudos futuros:
• Determinar a proporção ideal entre a quantidade de palha que deve ser
carregada até a indústria para queima e a deixada no campo, considerando
consumo de combustível no transporte e a necessidade de recobrimento
do solo para o plantio;
• Aplicar outras condições de biodigestão, levando em conta a qualidade do
digestato como biofertilizante e do biogás;
• Avaliar alternativas para otimização do trabalho gerado com ciclo Brayton
sem elevar as emissões de poluentes atmosféricos. Algumas sugeridas são
o reciclo de gás de exaustão e a instalação de sistema de abatimento de
NOx. Ou ainda, o uso do ciclo combinado.
• Estudar a adição de um sistema de dessulfurização simples para o biogás
usado na cogeração;
• Realizar a análise econômica dos cenários propostos.
61
8 REFERÊNCIAS
ABM. Associação Brasileira da Mamona: Sobre nós. Disponível em:
. Acesso em: 27 maio. 2023.
ADEBOYEJO, A. R.; USMAN, M. A.; NWABA, K. Cost competitive biodiesel
production from castor oil: Exergy Analysis, Pinch Analysis and Cost Evaluation.
2020.
AGÊNCIA SEBRAE DE NOTÍCIAS. Produzir biodiesel a partir da mamona é possível
só com mistura. Resan, 15 set. 2008.
ALEXOPOULOU, E. et al. Comparative studies on several castor (Ricinus communis
L.) hybrids: Growth, yields, seed oil and biomass characterization. Industrial Crops
and Products, v. 75, p. 8–13, 30 nov. 2015.
ALVISI, P. P. Nota sobre a seleção do aço para o serviço com H2S. Tecnologia em
Metalurgia e Materiais, v. 6, n. 4, p. 192–200, 2010.
AMARAL, P. M. et al. Use of castor oil plant pie for solid biofuel production. Revista
Brasileira de Energias Renováveis, v. 8, n. 3, p. 574–582, 2019.
ARANHA, C. A mamona na berlinda. BiodieselBr, 15 fev. 2008.
ASPENTECH. Getting Started Modeling Processes with Solids Aspen Plus. ,
2013. Disponível em:
ASPENTECH. Characterization of Lignocellulosic Biomass with Specification in
Aspen Properties. , 2021. Disponível em:
BARROS, M. A. L.; RAMOS, G. A. Mamona. Disponível em:
.
Acesso em: 24 maio. 2023.
BARROS, R. Cogeração de energia atinge 11% da matriz do país. Poder360, 9 mar.
2022.
BATENI, H. et al. Castor plant for biodiesel, biogas, and ethanol production with a
biorefinery processing perspective. Applied Energy, v. 136, p. 14–22, 1 dez. 2014.
BRASIL. Resolução CONAMA Nº 382, de 26 de dezembro de 2006. Estabelece os
limites máximos de emissão de poluentes atmosféricos para fontes fixas. Diário
Oficial da União: seção 1, n. 1, p. 131-137, 2 de janeiro de 2007.
CAR. Investimentos e capacitação visam aumento da produtividade da mamona na
Bahia. Companhia de Desenvolvimento e Ação Regional, 9 set. 2020.
62
CARDOSO, T. M. O. Análise dos usos da mamona (Ricinus Comunis) na Bahia:
Indústria ricinoquímica X Indústria do biodiesel. Trabalho de Conclusão de
Curso—Salvador, BA: Universidade Federal da Bahia, 2012.
CHECHETTO, R. G. et al. Energy balance for biodiesel production by the castor
bean crop (Ricinus communis L.). p. 546–553, 2010.
COELHO, S. T. Mecanismos para implementação de cogeração de eletricidade
a partir de biomassa. Um modelo para o estado de São Paulo. Doutorado—São
Paulo: Universidade de São Paulo, 1999.
Comprehensive Castor Oil Derivatives Report. , 2017. Disponível em:
CONAB. Série histórica das safras: Mamona. [s.l: s.n.]. Disponível em:
. Acesso em: 24 maio. 2023.
EPA. Biomass CHP Catalog of Technologies. EPA Combined Heat and Power
Partnership, set. 2007.
ÉRIKA CRISTINE SILVA et al. Construção social do projeto polos de produção de
biodiesel no contexto do PNPB: uma análise perceptiva. Revista Brasileira de
Políticas Públicas, v. 6, p. 230–245, 2016.
GRANDVIEWRESEARCH. Castor Oil & Derivatives Market Size, Share & Trends
Analysis Report. Disponível em: . Acesso em: 29 maio. 2023.
HAKAWATI, R. et al. What is the most energy efficient route for biogas utilization:
Heat, electricity or transport? Applied Energy, v. 206, p. 1076–1087, 2017.
HILIOTI, Z. et al. Characterization of castor plant-derived biochars and their effects
as soil amendments on seedlings. Biomass and Bioenergy, v. 105, p. 96–106,
2017.
HOFFMAN, L. Ricina: Um Impasse para Utilização da Torta de Mamona e suas
Aplicações. Campina Grande, 2007.
KAUR, R. et al. Pyrolysis kinetics and thermodynamic parameters of castor (Ricinus
communis) residue using thermogravimetric analysis. Bioresource Technology, v.
250, p. 422–428, 1 fev. 2018.
KRICH, A. et al. Biomethane from Dairy Waste, a Sourcebook for the Production
and Use of Renewable Natural Gas Publication Date. , 2005.
63
LIMA, R. L. S. et al. Blends of castor meal and castor husks for optimized use as
organic fertilizer. Industrial Crops and Products, v. 33, n. 2, p. 364–368, mar. 2011.
MONDAL, B.; BERA, M.; DAS, S. K. Castor bean cake: A paradox of toxicity and
nutrient source in farm animals and aquaculture. Indian Journal of Animal Health,
v. 58, n. 02, p. 157, 1 dez. 2019.
NEME, I.; GONFA, G.; MASI, C. Preparation and characterization of activated carbon
from castor seed hull by chemical activation with H3PO4. Results in Materials, v.
15, 1 set. 2022.
NUNES, M. Maior produtor de mamona no Brasil, Bahia tem investimento na cultivo
da planta no oeste. G1 BA e TV Bahia, 10 ago. 2019.
ODDONE, D. C. COGERAÇÃO: UMA ALTERNATIVA PARA PRODUÇÃO DE
ELETRICIDADE. Mestrado—São Paulo: Universidade de São Paulo, 2001.
PATEL, V. R. et al. Castor oil: Properties, uses, and optimization of processing
parameters in commercial production. Lipid Insights, v. 9, n. 1, 2016.
PATROCÍNIO, F. J. G. Simulação em Aspen Plus de processos de valorização
de biomassa. Mestrado—Lisboa: Técnico Lisboa, 2017.
QUEZADA-MORALES, D. L. et al. Effect of Pretreatments on the Production of
Biogas from Castor Waste by Anaerobic Digestion. Fermentation, v. 9, n. 4, 1 abr.
2023.
RAHIMI, V.; SHAFIEI, M. Techno-economic assessment of a biorefinery based on
low-impact energy crops: A step towards commercial production of biodiesel, biogas,
and heat. Energy Conversion and Management, v. 183, p. 698–707, 1 mar. 2019.
SANDOVAL-SALAS, F. et al. A Biorefinery Approach to Biodiesel Production from
Castor Plants. Processes, v. 10, n. 6, 1 jun. 2022.
SCHNEIDER, R. C. S. EXTRAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E TRANSFORMAÇÃO
DO ÓLEO DE RÍCINO. [s.l.] Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2003.
SELINA WAMUCII. Castor Oil Prices. Disponível em:
. Acesso em: 29
maio. 2023.
SILVA, A. N. DA; ROMANELLI, T. L.; REICHARDT, K. Energy flow in castor bean
production systems Energy flow in castor bean (Ricinus communis L.) production
systems. Sci. Agric, v. 67, n. 6, p. 737–742, 2010.
64
SILVA, W. A. DA et al. Utilização de casca, torta de mamona e fosfato natural na
fertilização de plantas de mamoneira. IV Congresso Brasileiro de Mamona.
Anais...João pessoa, PB: 2010.
SILVA, L.; FINZER, J.; BEGNINI, M. Cálculo da relação ar/combustível e a
eficiência em caldeira alimentada com bagaço de cana-de-açúcar. XXII
Congresso Brasileiro de Engenharia Química. Anais...2018.
SILVA, R. V. S. et al. Bioproducts from the pyrolysis of castor seed cake: Basic dye
adsorption capacity of biochar and antifungal activity of the aqueous phase. Journal
of Environmental Chemical Engineering, v. 9, n. 1, 1 fev. 2021.
SILVA, A. R. V.; GUEDES, A. E. D. S. Materiais para Vasos de Pressão em Meio
com H2S/H2 Aplicáveis a Unidades de Hidrotratamento em Refinarias.
INTERCORR. Anais...Fortaleza, CE: ABRACO, maio 2014.
SOKOTO, A. M.; BHASKAR, T. Pyrolysis of Waste Castor Seed Cake: A Thermo-
Kinetics Study. European Journal of Sustainable Development Research, v. 2, n.
2, 8 mar. 2018.
THE ENGINEERING TOOLBOX. Combustion Efficiency and Excess Air.
Disponível em: . Acesso em: 18 jul. 2023.
TRIDGE. Export of Castor Oil. Disponível em:
. Acesso em: 29 maio. 2023.
TURTON, R.; BAILIE, R. C.; WHITING, W. B. Analysis, synthesis and design of
chemical processes. United States: Prentice Hall, Old Tappan, NJ (United States),
1998.
YEBOAH, A. et al. Castor oil (Ricinus communis): A review on the chemical
composition and physicochemical properties. Food Science and Technology
(Brazil), v. 41, p. 399–413, 2021.
65
APÊNDICE A
Perfil do compressor de biogás de três estágio, caso ótimo do Sistema 3.
Estágio
Pressão
(bar)
Razão de
compressão
Trabalho
(kW)
Temp
(°C)
Temp pós
resfriamento
(°C)
Demanda
de calor
(kW)
Fração
de vapor
1 2,4 2,34 74 124 30 -111 0,97
2 5,6 2,34 69 116 30 -81 0,99
3 13,0 2,34 68 116 116 0 1
Fonte: Autoria própria
66
ANEXO A
Quadro comparativo das características de diferentes ciclos térmicos para CHP.
Fonte: U. S. Environmental Protection Agency, 2007, p. 64.