Valorização das cinzas de combustão de biomassa na calagem e reciclagem de nutrientes no solo

Abstract

As políticas públicas em energia evoluíram na última década para o incentivo à promoção e diversificação das fontes de energia renovável, entre as quais a bioenergia produzida a partir da combustão de biomassa florestal residual. Esta prática disseminou e abrangeu diversos territórios e sectores industriais, tais como a pasta e papel, produção de energia térmica e eléctrica, construção e mobiliário, entre outros, que têm vindo a valorizar energeticamente os resíduos provenientes do processamento de madeira de povoamentos de pinheiro-bravo e eucalipto em Portugal. Por conseguinte, uma série de novas centrais termoeléctricas foram edificadas na perspectiva de cumprir as ambiciosas metas de reduzir a dependência em relação aos combustíveis fósseis e, também, no contexto de prevenção de incêndios florestais, promovendo melhores práticas de gestão florestal, bem como mitigando as emissões de gases com efeito de estufa. Neste contexto, as indústrias têm vindo a debater-se com a necessidade premente de gerir ambientalmente a produção crescente das cinzas de combustão de biomassa, procurando soluções que promovam a valorização destes resíduos sólidos em detrimento da deposição em aterro, reduzindo desta forma, os custos e outros impactes sobre o ambiente e saúde pública. Este trabalho de investigação surge neste contexto, procurando demonstrar que a valorização das cinzas provenientes da conversão termoquímica da biomassa, em processos de calagem e reciclagem de nutrientes no solo, é uma alternativa adequada, contribuindo para a sustentabilidade da cadeia de valor de biomassa para a energia, desde a extracção da biomassa dos ecossistemas florestais até à reposição dos nutrientes, que compõem as cinzas, novamente no solo. Como tal, foi concretizado um conjunto de tarefas com vista a identificar e a avaliar o efeito da utilização das cinzas de fundo e volantes recolhidas ao longo de um ano em cinco unidades industriais de combustão (três termoeléctricas dedicadas e duas de co-geração) com potência instalada de 30 a 120 MWth, sendo que quatro correspondem a leitos fluidizados borbulhantes e uma a fornalha de grelha. O estudo sobre a variabilidade das características físico-químicas dos vários tipos de biomassa utilizados como combustível demonstrou que uma quantidade significativa de material do solo se encontrava misturado e/ou agregado à biomassa durante a recolha, transporte e armazenamento, o que contribui para o aumento da quantidade de cinzas descarregadas nos sistemas de conversão de energia. Este aspecto associado ao elevado teor de humidade da biomassa promove uma redução significativa até 50% no poder calorífico inferior do combustível e, consequentemente, aumenta a ineficiência do processo de conversão de energia e os custos de operação e de manutenção das tecnologias das centrais. Este fenómeno permite compreender o baixo teor em nutrientes nas cinzas, sendo que as volantes acumulam preferencialmente maior quantidade de matéria orgânica inqueimada, em especial nas volantes de grelha (10% massa bs), e maior teor em Ca, Mg, K, Na, S, P, Mn e metais pesados (Zn, Cu, Pb, Cd, Cr e Ni). Como consequência, as cargas de cinza necessárias à calagem e fertilização do solo, para melhor desenvolvimento de culturas, foram estimadas como sendo substancialmente superiores às praticadas em outros países europeus, em resultado do alto teor em Si (20 a 40% bs) e dos respectivos minerais associados nas cinzas, como quartzo, micas, aluminossilicatos e feldspatos. Ensaios de lixiviação de cinzas endurecidas naturalmente ao longo de 2 anos evidenciaram que o pH, condutividade e a concentração de alguns metais (Cl >> Ca > K >> Na) nos lixiviados produzidos diminuíram, em resultado da hidratação e carbonatação das cinzas por exposição ao ar atmosférico, sendo esse efeito mais pronunciado nas cinzas volantes. Estas condições reproduzem o efeito de períodos prolongados de recolha, transporte e armazenamento da cinza que podem alterar as suas características iniciais. Além disso, este fenómeno é semelhante ao que acontece aquando do espalhamento das cinzas tal e qual no solo e que, na ausência de qualquer estabilização prévia das cinzas (com pH na gama 12 a 13), pode causar efeitos adversos nas plantas e a iluviação de nutrientes do solo dentro de uma semana após a chuva ou rega. As cinzas volantes, em especial as produzidas durante a combustão de casca de eucalipto misturada com resíduos agrícolas, foram as que exibiram maior potencial na calagem e fertilização do solo. Através da incubação de um arenossolo háplico com cinzas ao longo de 35 dias e em atmosfera controlada, determinaram-se como cargas óptimas de cinzas volantes valores na ordem de 13 a 67 ton/ha, sem risco de salinidade, aumentando para mais do dobro a capacidade de troca catiónica (dominada 74% pelo Ca) do solo. O potencial evidenciado pelas cinzas volantes correlaciona-se com o dobro do poder neutralizante (50% bs CaCO3) em relação às cinzas de fundo. Assim, as cinzas de fundo poderão ter outras opções de valorização mais adequadas, como por exemplo na incorporação em argamassas, ou então na mistura com volantes, quando possuem elevado teor em metais pesados, com o objectivo de valorização enquanto correctivo do solo. Os resultados de campo demonstraram que as cinzas devem ser estabilizadas previamente, com vista a reduzir a taxa de lixiviação das bases e nutrientes, permitindo a correcção de acidez do solo e a biodisponibilidade de nutrientes por um período de tempo superior a 6 meses. Por esta razão, a mistura de lamas biológicas (por exemplo, do tratamento biológico de efluentes industrias do sector da pasta e papel) com cinzas, em proporção equivalente, sob a forma de grânulos ou pellets mostraram ser uma solução passível de garantir estas condições. A utilização das cinzas no solo não revelou perigo de fitotoxicidade por bioacumulação de metais pesados numa cultura de eucalipto durante 2 anos. Após a aplicação de cargas de cinzas volantes até 7,5 ton/ha, com ou sem lamas e suplemento azotado, a nutrição, crescimento e produtividade da biomassa responderam ao aumento de Ca >> K > Mg > Mn >> Zn, Cu no solo, registando uma redução do efeito ecotóxico de Al e Fe. Este trabalho fornece um importante contributo para o desenvolvimento de melhores práticas na gestão de cinzas resultantes da combustão de biomassa, sendo de particular interesse para o sector industrial da biomassa para a energia, na medida em que avança com soluções que podem traduzir-se numa redução dos custos de gestão ambiental, promovendo a sustentabilidade desta actividade industrial através da valorização das cinzas no solo donde a biomassa, a capacidade tampão e os nutrientes foram exportados. Trata-se, portanto, de uma mais-valia para a definição e implementação de políticas públicas e de melhores práticas na gestão de cinzas, colmatando a ausência de regulamentação específica em Portugal para este sector.

Public policies regarding energy have evolved during the last decade towards the incentive to the promotion and to the diversification of renewable energy sources, among which the bioenergy produced from the combustion of residual forest biomass. This practice has been disseminated and has covered several territories and industrial activities, such as pulp and paper, production of thermal and electrical energy, construction and furniture, among others, that have valorised in energy the wastes produced from processing of wood from the pinus and eucalyptus stands in Portugal. Therefore, a large number of new power plants have been established with the aim of accomplishing the ambitious targets of reducing the dependence from fossil fuels, as well as contributing to the prevention of forest fires, promoting better forest management practices and mitigating the greenhouse emissions. In this sense, industries have been struggling with the need to environmentally manage the increasing of ash production from the biomass combustion, searching for solutions that may promote the valorisation of these solid wastes instead of choosing the landfill option, reducing the costs and other impacts on environment and public health. This research emerges in this context, aiming at demonstrating that the valorisation of ashes from the biomass thermochemical conversion, in processes of liming and recycling of nutrients to the soil, is an adequate alternative, at the same time contributing for the sustainability of the biomass’s value chain to the energy since the biomass extraction from the forest ecosystems till the reposition of nutrients, that compound the ashes, back again to the soil. As such, a group of tasks has been performed in order to identify and to evaluate the effect of the use of bottom and fly ashes sampled over a year in five industry units of combustion (three dedicated power plants and two of co-generation) with installed power of 30 to 120 MWth. Four corresponding to bubbling fluidised beds and one to a grate boiler. The study, about the variability of physical-chemical characteristics of several types of biomasses used as fuel, demonstrated that a significant quantity of soil material was mixed and/or aggregated in the biomass during the collection, transport and storage, which contributed for the increasing of ash quantity discharged in the energy conversion systems. This aspect associated with the high moisture content of the biomass leads to a significant reduction up to 50% in the lower heating value of the fuel and, consequently, increases the inefficiency of the energy conversion process, as well as the operating and maintenance costs of the power plant’s technologies. This phenomenon allows to understand the low content of nutrients in the ashes, being that the fly ones preferably accumulate higher quantity of unburned organic matter, especially in the grate fly ashes (10% mass db), and higher contents of Ca, Mg, K, Na, S, P, Mn and heavy metals (Zn, Cu, Pb, Cd, Cr and Ni). As a consequence, the ash loads required for the liming and fertilisation of the soil, for better development of cultures, were estimated as being substantially higher than to the practiced in other European countries, in result of the high Si content (20 to 40% db) and its minerals associated in the ashes, like quartz, mica, aluminosilicates and feldspars. Leaching tests of self-hardening ashes performed in natural conditions over 2 years showed that the pH, conductivity and some metal concentrations (Cl >> Ca > K >> Na) in the leachates decreased, in result of hydration and carbonation of the ashes by exposure to atmospheric air, being this effect more pronounced in the fly ashes. These conditions reproduce the effect of long periods of collection, transport and storage of ashes may modify their raw characteristics. Furthermore, this phenomenon is similar when the raw-ashes are spread on the soil and, in the absence of any preview stabilisation of the ashes (with pH in the range of 12 to 13), can cause adverse effects in the plants and the nutrient leaching of the soil in a week after raining or irrigation. The fly ashes, especially the ones produced from the combustion of eucalyptus bark mixed with agriculture wastes, were the type of ashes that possess higher liming and fertilisation potentials to use in the soil. Through incubation of a haplic arenosol with ashes during 35 days and in a controlled atmosphere, were determined the optimal loads of fly ashes in the range of 13 to 67 ton/ha, without risk of salinity, increasing to more than twice of the soil cation exchange capacity (dominated 74% by Ca). The potential evidenced by the fly ashes is correlated to the double of neutralising value (50% db CaCO3) in comparison to the bottom ashes. Thus, the bottom ashes can have alternative valorisation options more adequate, such as the incorporation in motars, or in the mixture with fly ashes, when they have high contents of heavy metals, with the aim of valorisation as soil amendment. The results from the collection of data from the fieldwork show that the ashes must be stabilised beforehand in order to reduce the leaching rate of bases and nutrients, allowing the amendment of soil acidity and the bioavailability of nutrients for more than 6 months. For this reason, the mixture of biological sludge (e.g., from the biological treatment of effluents form the pulp and paper industry) with ashes, at equivalent ratio, in the form of granules or pellets showed to be a solution to ensure these conditions. The use of ashes in the soil revealed no danger in terms of phytotoxicity by heavy metal bioaccumulation in eucalyptus culture over 2 years. After applying fly ash loads up to 7,5 ton/ha, with or without sludges or nitrogen supplement, the nutrition, growing and productivity of biomass answered to the increasing of Ca >> K > Mg > Mn >> Zn, Cu in the soil, registering a reduction of ecotoxic effect of Al and Fe. This research provides an important contribution to the development of best practices regarding the management of ashes from biomass combustion, which have a particular interest for the industrial sector of “biomass to energy”. The thesis presents some solutions that can contribute in an effective way to the reduction of costs in environmental management of the ashes, promoting the sustainability of this industrial activity through ash valorisation in the soil where the biomass, buffering capacity and nutrients were exported. In this sense, the results may constitute an added-value to the definition and implementation of public policies and best practices in the management of ashes, bridging the absence of specific regulations in Portugal regarding this sector.