Gaseificação: método termoquímico para o tratamento sustentável de resíduos

A gaseificação térmica é o processo de conversão de uma matéria-prima sólida em gás de síntese, uma combinação de gases composta principalmente por metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO), hidrogénio (H₂) e alcatrões. Posteriormente, o gás de síntese pode ser utilizado como combustível para motores de combustão interna, como fonte de calor, para gerar eletricidade ou para sínteses químicas (como Fischer-Tropsch e a síntese de álcoois superiores)^[1]. Neste artigo será apresentada uma discussão aprofundada sobre a definição, o funcionamento e as aplicações de gestão de resíduos da gaseificação. Também serão analisadas as vantagens e dificuldades deste método, bem como a sua integração na transição para uma economia circular e de baixo carbono.

O que é a gaseificação?

A gaseificação é uma tecnologia de conversão que transforma qualquer material que contenha carbono, como o carvão ou os próprios plásticos, em gás de síntese através de temperaturas elevadas (acima de 700 ºC) e com uma quantidade controlada de oxigénio para que o material reaja sem combustão. As temperaturas utilizadas e a composição do gás de síntese produzido, bem como as suas aplicações, dependerão do material/resíduo introduzido e do agente gaseificante utilizado, podendo ser: ar, vapor ou plasma. Os produtos maioritários do gás de síntese dependem do resíduo a gaseificar, embora se componha geralmente de CO, H₂, N₂ e CO₂; também se formam hidrocarbonetos (CH₄, C₂H₄, C₂H₆, etc.) e quantidades muito pequenas de H₂S e NH₃. Outros produtos secundários obtidos são o alcatrão e o carvão, sendo produtos indesejados^[2].

Em geral, a gaseificação da biomassa é a conversão termoquímica de matéria-prima orgânica (resíduos) num ambiente de alta temperatura, através do qual a biomassa pode ser convertida não só em gás de síntese para a geração de energia, mas também em produtos químicos, por exemplo, metano, etileno, adesivos, ácidos gordos, tensioativos, detergentes e plastificantes para utilização como nova substância ou produto^[2]. O gás de síntese resultante é formado por uma combinação dos componentes mencionados anteriormente. Os seguintes fatores podem afetar a concentração dos componentes^[3]:

• Tecnologia de gaseificação utilizada: leito fixo, leito fluidizado, leito fluidizado duplo, fluxo arrastado e reatores de plasma.
• Agente de gaseificação: ar, vapor ou plasma.
• Tipo de resíduo introduzido.
• Parâmetros do processo.

Etapas da gaseificação

O processo de gaseificação é realizado num reator fechado onde os resíduos são aquecidos a temperaturas elevadas e controladas e com uma quantidade de oxigénio controlada. As etapas do processo dividem-se em quatro fases^[4]:

1. Secagem

A cerca de 100 °C, inicia-se o processo de desidratação ou secagem. Antes de entrar em pirólise, a humidade do resíduo é eliminada mediante secagem. Antes de iniciar qualquer processo acima dos 100 °C, deve eliminar-se toda a humidade. Quando a humidade do material é muito elevada, é necessária uma pré-secagem do material para eliminar parte da humidade previamente à introdução do resíduo no alimentador do gaseificador.

2. Pirólise.

A temperaturas entre 200 e 500 °C e sem quase presença de oxigénio produz-se a pirólise. Ao aplicar calor ao resíduo na ausência de ar, a pirólise cria carvão vegetal e diferentes vapores e líquidos de alcatrão. Essencialmente, trata-se do processo de carbonização. Perde-se até 70 % do peso do carvão devido à emissão de voláteis e à produção de carvão vegetal. O procedimento define a estrutura e o conteúdo do char (carvão vegetal), que posteriormente passará por processos de gaseificação, e depende das características do material carbonoso.

3. Combustão e craqueamento

A etapa de combustão produz-se quando o carvão e certos produtos voláteis se combinam com o oxigénio para gerar predominantemente dióxido de carbono e vestígios de monóxido de carbono, que serve como calor para os subsequentes processos de gaseificação. Nesta etapa, além de fornecer calor às reações de redução endotérmica para manter a temperatura, também gera o calor necessário para realizar as reações de secagem e pirólise.

O craqueamento é o processo de decomposição de grandes moléculas complexas, como o alcatrão, em gases mais leves por exposição ao calor. O craqueamento também é necessário para garantir uma combustão adequada, já que só se produz uma combustão completa quando os gases combustíveis se misturam completamente com o oxigénio.

4. Redução/Gaseificação

A redução é o processo pelo qual se eliminam os átomos de oxigénio dos produtos da combustão das moléculas de hidrocarbonetos, para devolver as moléculas a formas que possam arder novamente. A redução é o processo inverso direto da combustão. Consiste em eliminar o oxigénio destes resíduos a alta temperatura para produzir gases combustíveis. Mediante este processo, o CO₂ é reduzido pelo carbono para produzir duas moléculas de CO, e o H₂O é reduzido pelo carbono para produzir H₂ e CO. Tanto o H₂ como o CO são gases combustíveis que podem ser conduzidos a outros locais.

Ilustração 1. Etapas do processo de gaseificação.

Aplicações da gaseificação na gestão de resíduos

A gaseificação tem o potencial de transformar a eliminação de resíduos em fontes de rendimento para quem possui e cria produtos florestais, bem como para quem recolhe e produz outros tipos de resíduos, como biomassa, lixo municipal e resíduos industriais e comerciais não perigosos. Além disso, os resíduos comerciais, industriais e municipais são convertidos em matérias-primas químicas mediante a gaseificação, o que elimina a necessidade de uma eliminação dispendiosa. Também há que ter em conta que a gaseificação pode poupar um espaço importante nos aterros ao desviar o lixo de outros métodos menos respeitadores do ambiente. Há um excedente de matérias-primas residuais e uma procura crescente da gama de aplicações que a produção de gás de síntese está agora preparada para satisfazer.

A viabilidade técnica da produção de substâncias químicas como biometano, hidrogénio, biocombustíveis ou outros produtos químicos foi demonstrada por uma série de instalações de gaseificação de segunda geração na Europa. Além disso, já existem instalações comerciais de conversão de resíduos em energia em funcionamento que são rentáveis com os regimes de apoio vigentes^[3].

Ilustração 2. Possíveis utilizações do gás de síntese ^[4.^]

Benefícios e desafios da gaseificação na gestão de resíduos

A gaseificação pode produzir produtos valiosos a partir de resíduos, reduzindo assim a dependência dos recursos naturais. Além disso, a valorização energética dos resíduos ajuda a diversificar a matriz energética e reduzir as emissões de gases com efeito de estufa.

Em contrapartida, devido à falta de uma compreensão completa dos numerosos processos de reação termoquímica que impulsionam a conversão de matérias-primas em condições de alta temperatura e pressão, o design de gaseificadores e a otimização de processos para matérias-primas de biomassa devem ser estudados e analisados com maior detalhe.

Contribuição da gaseificação para a economia circular e de baixo carbono

Os processos de gaseificação são extremamente adaptáveis em termos de resíduos, instalações e produtos obtidos, o que os torna idóneos para a sua integração em diversos contextos industriais. São atrativos para diversas partes interessadas, tanto para os gestores de recursos que procuram mercados para os seus subprodutos como para a indústria que procura alternativas aos combustíveis fósseis em processos de alta temperatura. Além de reduzir as emissões de poluentes e gases com efeito de estufa, esta degradação termoquímica da matéria-prima abre a porta a novas aplicações como a produção de biocombustíveis, hidrogénio e gás natural sintético (GNS).

Os resíduos a que se dirige são os que não podem recuperar-se imediatamente como alimento ou material, como a biomassa residual de diversas operações (florestais, agrícolas, etc.) e os resíduos sólidos que não podem reciclar-se com os métodos habituais, como o combustível sólido recuperado, os móveis usados, os plásticos não recicláveis e os materiais complexos.

Experiência no AIMPLAS

Uma técnica termoquímica atrativa para a reciclagem a longo prazo do lixo é a gaseificação. Este método contribui para uma gestão eficaz dos recursos e para um menor impacto ambiental porque pode converter o lixo em produtos úteis. A gaseificação posiciona-se como um instrumento fundamental para pôr fim ao ciclo de vida dos materiais, produzir energia renovável e fomentar a sustentabilidade ambiental na nossa transição para uma economia circular com baixas emissões de carbono.

Para superar os obstáculos e aproveitar todo o potencial da técnica na gestão de resíduos em todo o mundo, uma das principais atividades do AIMPLAS é continuar a investigar e a melhorar a técnica de gaseificação.

Bibliografia

[1] – Santos, S.M.; Assis, A.C.; Gomes, L.; Nobre, C.; Brito, P. Waste Gasification Technologies: A Brief Overview. Waste 2023, 1, 140–165. https://doi.org/10.3390/ waste1010011

[2] – Zhang, Y.; Cui, Y.; Chen, P.; Liu, S.; Zhou, N.; Ding, K.; Fan, L.; Peng, P.; Min, M.; Cheng, Y.; Wang, Y.; Wan, Y.; Liu, Y.; Li, B.; Ruan, R. Gasification technologies and their energy potentials. 2019. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-444-64200-4.00014-1

[3] – European Biogas Association. (Novembro 2021). Gasification – A Sustainable Technology for Circular Economies. Brussels, Belgium.

[4] – All Power Labs Carbon Negative Power and Products. 2023. How Gasification Works. https://www.allpowerlabs.com/gasification-explained#:~:text=Gasification%20is%20made%20up%20for,Combustion%2C%20Cracking%2C%20and%20Reduction.