aproveitamento energético de combustíveis derivados de … · triagem de resíduos não perigosos...
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Aproveitamento energético de combustíveis
derivados de resíduos via co-gasificação térmica
Autores:
Octávio Alves, Paulo Brito, Margarida Gonçalves, Eliseu Monteiro
Novembro de 2015
1. Objetivos
Identificar a origem e composição de lamas e de combustíveis derivados de
resíduos (CDR).
Expor os métodos de tratamento dos resíduos e os prós e contras de cada um.
Apresentar os objetivos e as tarefas a realizar no presente trabalho.
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2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR
Lamas: geradas por sedimentação de matéria (orgânica e outros sólidos) nas
estações de tratamento de águas residuais (ETAR’s):
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Tratamento
primário
Gradagem
Filtração
(câmara
areia)
Efluente Decantação
primária
Tratamento
secundário
Lamas
ativadas
Decantação
secundária
Tratamento
avançado
Remoção N
Remoção P
Água
tratada
Lama reutilizada
Lama residual para
valorização / eliminação
2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
Composição das lamas:
− variável consoante o tratamento e a origem das águas residuais;
− constituição típica:
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ElementoFração (%)
Lama primária Lama secundária
Fração sólida 6 0,8 a 1,2
Óleos e gorduras 0,8 a 4,5 0,04 a 0,14
Proteínas 1,2 a 1,8 0,3 a 0,5
Sílica 0,9 a 1,2 -
Celulose 0,5 a 0,9 -
Azoto 0,09 a 0,24 0,02 a 0,06
P2O5 0,05 a 0,17 0,02 a 0,13
(fonte: Metcalf & Eddy, 2004)
2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
Combustíveis derivados de resíduos (CDR): matéria orgânica resultante da
triagem de resíduos não perigosos urbanos ou industriais, com elevado PCI.
50 % a 55 % dos resíduos sólidos urbanos tem potencial para constituir CDR’s.
Destinos habituais são a incineração e a deposição em aterro.
Exemplo de composição (resíduo seco):
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Composto Parcela (%)
Alimentos e vegetais 12,3
Papel e cartão 28,6
Plásticos 30,6
Madeira 3,3
Têxteis 8,3
Metal 5,8
Outros 11,1
(fonte: Gallardo et al, 2014)
2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
Resíduos gerados em Portugal (2013):
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Químico3,5% Lama
9,0%
Metálico21,8%
Vidro3,7%
Papel e cartão7,2%
Plástico3,9%
Madeira6,4%
Não diferenciado
5,6%
Triado3,9%
Construção e demolição
6,3%
Mineral12,4%
Solo8,7%
Outros7,7%
(fonte: INE)
2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
Discriminação dos resíduos de lamas e CDR (2013):
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Lamas
Tipo Quantidade (t)
Lamas efluentes industriais 226 192
Lamas tratamento resíduos 187 347
Lamas comuns 595 764
Lamas dragagem 3
Lamas indust.22,4%
Lamas resíduos18,6%
Lamas comuns59,0%
Lamas draga.0,0%
CDR
Tipo recolha Quantidade (t)
Triagem recicláveis 120
Tratamento mecânico e / ou
biológico31 982
(fonte: INE)
Triagem recicláveis
0,4%
Trat. mecânico
e/ou biológico99,6%
(fonte: APAmbiente)
3. Processos de valorização de lamas e CDR
Deposição em aterro: solução de último recurso para eliminação de resíduos,
devido a vários inconvenientes:
- ocupação de grandes áreas de terreno;
- contaminação de águas subterrâneos;
- modificação da fauna e flora locais;
- desperdício de recursos.
Os esforços são agora canalizados para outras opções:
- prevenção na produção de resíduos;
- reutilização dos materiais;
- valorização energética.
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Possíveis tratamentos de valorização:
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Tratamentos de
valorização
Digestão anaeróbia
Compostagem
IncineraçãoPirólise
Gasificação
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Digestão anaeróbia:
− método: decomposição da matéria orgânica por ação de microrganismos num
ambiente pobre em Oxigénio:
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Biomassa
(lama ou CDR)
Calor
Gases
Lama em
agitação Desidratação
Tanque
biodigestor
Produto
final seco
Gases (CH4, CO2)
Compostos
orgânicos
complexos
Compostos
orgânicos
simples
Ácidos
orgânicos
CH4, CO2,
produtos
estáveis
Reações
enzimáticas
Ação
microbiológica
(fermentação)
Ação
microbiológica
(metanogénese)
− esquema da tecnologia:
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Digestão anaeróbia (cont.):
− aspeto dos tanques de digestão:
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Vantagens Desvantagens
Aproveitamento do CH4 para
produção energia.
Produto digerido aplicado como
fertilizante.
Menor massa de matéria sólida final.
Sensibilidade do processo a
variações de temperatura e pH.
Restrições legais ao uso como
fertilizante.
Odores produzidos.
− vantagens e desvantagens:
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Compostagem:
− método: decomposição da matéria orgânica por ação de microrganismos e
pequenos insetos em ambiente oxigenado:
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Mistura lamas e
resíduos orgânicos
urbanos
Formação
pilhas para
compostagem
Decomposição
microbiológica
(25 ºC a 70 ºC)
Substrato
digerido
Oxigenação:
rotação pilhas;
ventilação forçada.
− vantagens e desvantagens:
Vantagens Desvantagens
Utilização do substrato final como
fertilizante.
Sem grandes requisitos de segurança.
Secagem parcial das lamas.
Processo moroso (meses).
Substrato pobre em N, P e K.
Restrições legais ao emprego
como fertilizante.
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Incineração:
− método: combustão da matéria orgânica a alta temperatura (850 ºC a 950 ºC),
com pós-tratamento aos gases libertados:
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Biomassa Câmara
combustão
rotativaCombustível
Câmara
combustão
secundária
Purificação
gases:
aspersão água;
ciclone.
Gases
purificados (para
atmosfera)
Gases
impuros
Cinzas e
outros sólidos
Gases
impuros
− vantagens e desvantagens:
Vantagens Desvantagens
Grande redução do volume de lamas
(até 90 %).
Recuperação de energia das câmaras
(aquecimento ou energia elétrica).
Eliminação eficiente de patogénicos.
Necessário tratamento intensivo dos
gases.
Requer pessoal especializado.
Muitos obstáculos contra a localização
das instalações.
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Pirólise:
− método: decomposição térmica da matéria (entre 300 ºC e 900 ºC), num meio
com pouco O2 (até 10 % da quantidade para combustão completa);
− tecnologia e produtos obtidos:
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Constituição produtos
Fase Compostos lamas Compostos CDR
Gasosa
combustível
H2 (40 %),
CH4 (21 %)
HC's simples (26 %),
CH4 (7 %), H2 (4 %)
LíquidaÓleo, alcatrão,
água, metanolÓleo
Sólida Cinzas e char (rico em C)
(fonte: Kluska et al, 2014; Furness et al, 2000)
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Pirólise (cont.):
− estágios do processo:
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Vaporização
Compostos
intermédiosBiomassa
desidratada
Matéria
volátil
Calor (< 200 ºC)
Decomposição
primária
Char, alcatrão,
gases
Calor (200 ºC a 350 ºC)
Decomposição
secundária e final
Compostos
intermédios
Calor (350 ºC a 900 ºC)
Gases
Char
final
− vantagens e desvantagens:
Vantagens Desvantagens
Concentração dos metais pesados no char.
Calor gerado é suficiente para alimentar o
processo.
Maior PCI do gás (13 a 28 MJ/m3).
Necessita de lamas com baixo teor de
humidade (15 %).
Muitos produtos para pós-processamento.
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Gasificação:
− método: transformação por oxidação parcial da matéria orgânica em gases
combustíveis, num meio com:
• conteúdo em O2: 20 % a 40 % do valor para combustão completa;
• temperatura: 800 ºC a 1400 ºC.
− fases do processo:
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SecagemBiomassa
húmida
Reações
gasificação:
oxidação C;
cracking.Pirólise
Biomassa
seca
H2O (g)
Purificação:
ciclone;
filtro;
catalisadores.
O2
Combustível
para arranque
Cinzas
e char
CalorCalor
(150 ºC)
Calor
(400 ºC
a 800 ºC)
H2O (g)
H2O (g)
Gases Gases
finais
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Gasificação (cont.):
− tipos de gasificadores:
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Zona
pirólise
Zona
gasificação
Ar Ar
Biomassa
Gases Cinzas
e char
Leito fixo co-corrente
Zona
pirólise
Zona
gasificação
Biomassa
Ar Cinzas
e char
Leito fixo contracorrente
Gases
Ar
Cinzas
e char
Leito fluidizado
Gases
Biomassa Leito
FaseComposição
Lamas CDR
Gasosa combustível H2 (10 %), CH4 (2 %) H2 (13 %), CH4 (11 %)
Sólida Cinzas e char
− produtos resultantes:
(fonte: Manara et al,
2012)
3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
Gasificação (cont.):
− linhas recentes de investigação:
• gasificação água supercrítica → menos energia para secagem;
• mistura lamas com carvão / pellets → maior PCI e menos poluentes gasosos;
• uso de catalisadores (NaOH, Ni, CaO) → mais H2 e menos alcatrão e char.
− vantagens e desvantagens:
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Vantagens Desvantagens
Uso de lamas mais húmidas (até 75 %).
Menos produtos gerados (char e gases).
Apropriado para implantação nas ETAR's.
Gás resultante com menor poder
calorífico (4 a 6 MJ/m3).
Maiores temperaturas → maior
resistência térmica dos equipamentos.
Pode originar mais cinzas nos gases.
4. Descrição do presente trabalho
Objetivos a alcançar:
− desenvolver um método para obtenção de um syngas a partir da co-gasificação
de misturas de lamas e CDR.
Tarefas propostas:
− analisar a composição e o poder calorífico dos resíduos;
− avaliar o efeito da torrefação como pré-tratamento dos resíduos;
− testar a co-gasificação de várias misturas, com e sem catalisadores;
− otimizar o processo com vista à redução de contaminantes;
− projetar e avaliar a viabilidade de uma instalação para tratamento dos resíduos.
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5. Conclusões
Grande produção de lamas e CDR → potencia maior valorização energética.
Pirólise e gasificação → tecnologias promissoras, limpas e com muitos aspetos a
investigar ou melhorar.
Gasificação → processo atrativo para tratamento de lamas + CDR.
Presente trabalho pode tirar partido de todos estes aspetos.
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