Aproveitamento Energético do Biogás Aspectos Construtivos de Reatores UASB e Digestores Anaeróbios

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1 Aproveitamento Energético do Biogás Aspectos Construtivos de Reatores UASB e Digestores Anaeróbios Sexta Parte: Aproveitamento Energético Dr.-Ing. Fabio Chui Pressinotti Ribeirão Preto 25 e 26 de Julho de 2016

2 Introdução Conteúdo do curso 1. Introdução DAHLEM ETEs: controle de vazão 2. ETEs: tratamento preliminar, hidráulica, odor 3. Reatores UASB: concreto, separador trifásico, escuma 4. Potencial e tratamento do biogás: estimativa, mitigação e perdas, armazenamento, tratamento e queima Visita à ETE Ribeirão Preto 5. Digestores anaeróbios: tratamento complementar do gás, forma, misturadores, codigestão 6. Aproveitamento energético: cogeração, secagem do lodo, produção de biometano 7. Aspectos gerenciais e segurança de operação, discussão final

3 Cogeração Possibilidades Motogeradores do tipo Otto Motogeradores do tipo Diesel Microturbinas Células combustível Motores Stirling

4 Cogeração Células combustível ETE Köln-Rodenkirchen Reformação do CH 4 em H 2 através de reações químicas em altas temperaturas Com ácido fosfórico (PAFC): rendimento elétrico ~ 38% Com carbonato (MCFC): rendimento elétrico entre 30-40% Pré-tratamento muito intensivo Altos custos Processo pouco-concorrente

5 Cogeração Motores Stirling (Fa. Siemens) Rendimento elétrico < 30% Overhaul após > horas Queima ocorre fora do motor Sem necessidade de óleo lubrificante Sem velas de ignição Insensível a siloxanos Baixas emissões Para pequenas instalações Pouco concorrente economicamente

6 Cogeração Microturbinas Rendimento elétrico entre 25% e 30% Compressão do gás > 4 bar (Fa. Capstone) Espaços entre manutenções ~ horas Rotação ~ rpm Sem necessidade de velas de ignição Sem necessidade de óleo lubrificante Muito sensível a siloxano Menos sensível ao enxofre (não há óleo) Módulos até 200 kw el

7 Kosten in bzw. /a Cogeração Estudo de caso (2009) Microturbinas vs. motogeradores Otto x BHKW; 80 kw(el) BHKW; 180 kw(el) MGT; 200 kw(el) Variante Investkosten netto laufende Jahreskosten Jahreserlöse gesamt Jahreskosten nach LAWA Jahresgewinn = Erlöse - Kosten

8 Cogeração Motogeradores Instalações pequenas, médias ou grandes Altos rendimentos elétricos (33% - 42%) Sensível a siloxano Sensível a enxofre Óleo lubrificante (contaminação por enxofre) Líquido refrigerante (dependendo do fabricante) Baixos períodos de manutenção (a partir de horas) Baixa compressão necessária (compressores radiais) ou gasômetro de baixa pressão Emissões de CO e NO X

9 Cogeração Motogeradores Qualidade normalmente requerida para o gás: (depende do fabricante) DWA-M 361 (2011) Motores com catalisadores necessitam de uma remoção ainda maior de enxofre (< 8 ppm)

10 Cogeração Motogeradores Exemplo de esquema

11 Cogeração Motogeradores Soluções em container Sistema compacto Sistema automático de troca de óleo lubrificante Bacia de contenção integrada a container Obra civil: só fundação Monitoramento remoto Contrato de manutenção recomendado (deve ser licitado juntamente com o equipamento!!!)

12 Rendimento (kwh el /m³) Cogeração Exemplo de curva de rendimento 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Carregamento do motogerador (%)

13 Vazão afluente [l/s] Cogeração Ajuste da produção e consumo de gás Vazão de gás [m³/h] Biogás produzido pelos reatores anaeróbios Vazão afluente da ETE 0 0 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Horas do dia

14 Volume acumulado no dia [m³] Cogeração Ajuste da produção e do consumo de gás Biogás produzido pelos reatores anaeróbios Biogás consumido pelo motogerador Volume utilizado do gasômetro :00 6:00 12:00 18:00 0:00 Horas do dia

15 Secagem de lodo Possibilidades Secadores por radiação Infravermelha Eletromagnética Solar Secadores por convecção (diretos ou indiretos) Secador a tambor Secador por esteira Secador de leito fluidizado Etc. Secadores por contato (indiretos) Secador a disco Secador de filme fino Etc.

16 Secagem de lodo Secador a tambor ATV-DVWK M-379, 2004

17 Secagem de lodo Secador a tambor (indireto)

18 Secagem de lodo Secador a tambor (indireto)

19 Secagem de lodo Secador a tambor (indireto)

20 Secagem de lodo Secador a tambor (indireto) Trocador de calor gás/gás Câmara de combustão

21 Secagem de lodo Secador a tambor (indireto)

22 Secagem de lodo Secador a tambor (direto)

23 Secagem de lodo Secador a tambor (direto)

24 Secagem de lodo Secador a tambor (direto)

25 Secagem de lodo Secador a esteira ATV-DVWK M-379, 2004

26 Secagem de lodo Secador a esteira

27 Secagem de lodo Secador a esteira

28 Secagem de lodo Secador a disco ATV-DVWK M-379, 2004

29 Secagem de lodo Secador a disco

30 Secagem de lodo Secador de filme fino ATV-DVWK M-379, 2004

31 Secagem de lodo Secador de filme fino

32 Secagem de lodo Secador solar

33 Secagem de lodo Secador solar Fatores de influência climáticos: Radiação solar MJ/m 2 /dia Temperaturas do ar C Umidade relativa do ar % Fatores de influência tecnológicos: Superfície de água livre Extensão e profundidade do material exposto na estufa Formato do material (pastoso ou partículas) Exposição à radiação solar e ao ar

34 Secagem de lodo Secador solar Grande demanda de área Rendimento mais baixo no inverno Realtivamente alto CAPEX ~ 1/3 estufas ~ 1/3 concreto ~ 1/3 máquinas Baixo OPEX Entre 20 e 40 kwh el /t H 2 O Até TS = 70% rentável Tratamento do ar geralmente desnecessário Sem água de processo (DQO, nitrogênio amoniacal)

35 Secagem de lodo Secador solar

36 Secagem de lodo Secador solar

37 Secagem de lodo Secador solar

38 Secagem de lodo Secador solar

39 Produção de biometano Estudo de caso Inserção na rede 10,85 kwh/nm³ Limitação para condicionamento com LPG max. 3,5% propano max. 1,5% butano S < 30 mg/nm³ O 2 < 3 % em vol. CO 2 < 6 % em vol. H 2 < 5 % em vol. H 2 O < 30 mg/nm³

40 Produção de biometano Estudo de caso Processos requeridos Retirada de água condensada Secagem do gás Retirada de partículas Remoção de enxofre Enriquecimento de metano Retirada de siloxanos

41 Produção de biometano Possibilidades Adsorção com variação de pressão (PSA) Lavador pressurizado com água (DWW) Absorção química com solventes orgânicos (lavador de amina) Membranas secas de alta pressão Membranas úmidas de baixa pressão Processos criogênicos

42 Produção de biometano Adsorção com variação de pressão (PSA) DWA M-361, 2011

43 Produção de biometano Adsorção com variação de pressão (PSA) Compressão de 4 a 7 bar Adsorção de CO 2 em diferentes etapas com variação de pressão para dessorção de metano retido Peneiras moleculares Zeolite Carvão ativado 0,25 kwh el /Nm³ Fuga de metano 3% a 8% Concentração final de metano 96%

44 Produção de biometano Lavador pressurizado (DWW) DWA M-361, 2011

45 Produção de biometano Lavador pressurizado (DWW) Compressão de 7 a 10 bar Absorção de CO 2 em água seguido de descompressão 0,25 kwh el /Nm³ Fuga de metano 1% a 6% Concentração final de metano 97%

46 Produção de biometano Absorção química com solventes orgânicos (Lavador de amina) DWA M-361, 2011

47 Produção de biometano Absorção química com solventes orgânicos (Lavador de amina) Leve sobrepressão Absorção de CO 2 em solução de monoetanolamina ou dietanolamina Dessorção através de aquecimento ( C) 0,06-0,15 kwh el /Nm³ 0,5-0,8 kwh th /Nm³ Fuga de metano < 0,1% Concentração final de metano 98%

48 Produção de biometano Tratamento do metano restante

49 Produção de biometano Discussão e perguntas