Susana Sequeira Simão

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1 Susana Sequeira Simão Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia Orientador: Doutor Pedro Abelha Co Orientador: Professor Doutor Nuno Lapa Nov/2011

2 Problemática Produção de 300 mil toneladas/ano (matéria húmida) de lamas no sector da indústria de pasta e papel; Destinos possíveis para as lamas: deposição em aterro, valorização agrícola, compostagem, combustão; 2

3 Combustão vs outras alternativas Possibilidade de aproveitamento de energia por recuperação do calor da combustão; Redução do volume final de material a tratar (cinzas), baixando consequentemente os custos de manuseamento, preparação e transporte das lamas; Destruição dos compostos orgânicos. 3

4 Verificação da viabilidade técnica da valorização energética de lamas resultantes do processo de produção de pasta e papel por incorporação no processo de combustão de biomassa 4

5 Quantidade anual média de lamas produzidas vs Quantidade anual média de biomassa queimada (LF) < 10% Realização de 4 ensaios de combustão numa caldeira de leito fluizidado borbulhante: 100% de biomassa florestal; 80% de biomassa florestal + 20% de lamas secundárias; 80% de biomassa florestal + 10% de lamas primárias + 10% de lamas secundárias; 90% de biomassa florestal + 5% de lamas primárias + 5% de lamas secundárias. 5

6 Combustíveis Resíduos Materiais Biomassa Lamas Digeridos de biomassa Digeridos de lamas primárias e secundárias Digeridos de cinzas Lixiviados de cinzas Efluentes atmosféricos Análises Caracterização elementar e imediata Caracterização química Caracterização química Caracterização química e Exotoxicológica Determinação de O 2, CO 2, CO, NO x, SO 2, partículas totais em suspensão, halogéneos (expressos em Cl e F ), e metais pesados 6

7 Valores de PCS e PCI dos combustíveis utilizados (base seca) PCI kj/kg Biomassa Lamas 1ª Lamas 2ª PCS PCI Biomassa Lamas secundárias Lamas primárias 7

8 Humidade dos combustíveis utilizados (tal como recebidos) 100% Humidade 80% 60% 40% 20% 0% Biomassa Lamas 1ª Lamas 2ª Humidade Lamas secundárias Lamas primárias Biomassa 8

9 Resultados da análise imediata aos combustíveis utilizados (base seca) 100% 80% 60% 40% Biomassa > teor em matéria volátil Lamas primárias > teor em cinzas 20% 0% Biomassa Lamas 1ª Lamas 2ª Cinzas Matéria volátil Carbono fixo 9

10 Biomassa florestal Humidade tal como recebida 45% Humidade após secagem 13,5% Granulometria tal como recebida < 100 mm Granulometria após trituração < 10 mm Cinzas 3,1% (bs) Lamas primárias Humidade tal como recebida 68,5% Humidade após secagem 2 3% Cinzas 45,2% (bs) Lamas secundárias Humidade tal como recebida 88,15% Humidade após secagem 2 3% Cinzas 23,8% (bs) 10

11 Perfil de temperatura dentro do reactor nos 4 ensaios de combustão 6 5 Temperaturas mais elevadas no ensaio com 100% biomassa 4 Altura do 3 reactor (m) Temperatura ( C) 100B 80B 20L2ª 80B 10L1ª 10L2ª 90B 5L1ª 5L2ª Altura do leito Biomassa > PCI > Teor em matéria volátil 11

12 Quantidade (kg) Distribuição relativa das cinzas obtidas 100B 80B 20L 2ª 80B 10L 1ª 10L 2ª 90B 5L 1ª 5L 2ª Cinzas do leito 16,4% 28,9% 55,8% 61,2% Cinzas do 1º ciclone 83,4% 20,3% 37,4% 31,7% Cinzas do 2º ciclone 0,23% 50,8% 6,80% 7,19% Biomassa: > % de cinzas do 1º ciclone Lamas primárias: > % de cinzas do leito Lamas secundárias: > % de cinzas do 2º ciclone 12

13 Variação mais significativa de Ca nos ensaios realizados com lamas, sobretudo lamas primárias; Variação pouco significativa dos metais pesados analisados. Comparativo dos valores limite de concentração de metais pesados nas lamas destinadas à aplicação no solo agrícola, com os valores de concentração obtidos para as cinzas do leito Parâmetros Valores limite mg/kg Valores obtidos p/ cinzas do leito mg/kg 100B 80B 20L 2ª 80B 10L 1ª 10L 2ª 90B 5L 1ª 5L 2ª Cd 200 <LQ=4,0 <LQ=4,0 <LQ=4,0 <LQ=4,0 Cu 1000 <LQ=10 <LQ=10 <LQ=10 <LQ=10 Ni <LQ=10 <LQ=10 <LQ=10 Pb 750 <LQ=10 <LQ=10 <LQ=10 <LQ=10 Zn ,7 9,6 12,6 10,4 Hg 16 <LQ=0,006 <LQ=0,006 <LQ=0,006 <LQ=0,006 Pb Valores de metais pesados nas cinzas do leito abaixo dos VL definidos 13

14 Ensaios com incorporação de lamas primárias: cinzas do 1º ciclone apresentaram maior teor em C e em Ca lamas primárias menos reactivas com O e com maior teor em cinzas; maior teor em Ca; Ensaio com incorporação de maior % lamas secundárias: maior teor em Mg, P e S lamas secundárias maior teor em Mg, P e S; Variação significativa de alguns dos metais pesados analisados ensaios com incorporação de lamas sem influência nos teores de Cd, Cu, Sb e Se; ensaios realizados com lamas: cinzas do 1º ciclone apresentaram maior teor em Pb; ensaio com incorporação de maior % lamas secundárias: cinzas do 1º ciclone apresentaram maior teor Zn, As, Hg e Mn; 14

15 Ensaios com incorporação de lamas sem influência no teor de C das cinzas do 2º ciclone; Ensaios com incorporação de lamas primárias: cinzas do 2º ciclone apresentaram maior teor em Ca lamas primárias maior teor em Ca; Ensaio com incorporação de maior % lamas secundárias: cinzas do 2º ciclone apresentaram maior teor em Al, Ti, Fe, S e P lamas secundárias maior teor em Al, Ti, Fe, S e P; Variação significativa de alguns dos metais pesados analisados ensaios com incorporação de lamas sem influência nos teores de Cd, Cu, Sb e Se; ensaios realizados com lamas primárias: cinzas do 2º ciclone maior teor em Mn ensaio com incorporação de maior % lamas secundárias: cinzas do 2º ciclone maior teor em Ba, As e Hg; 15

16 Ensaio com incorporação de maior % lamas secundárias: maior teor em COD nos lixiviados de cinzas do 1º e 2º ciclone; Ensaios com incorporação de lamas: lixiviados de cinzas do leito e do 1º ciclone apresentaram maior teor em SO 4 2, Al, Ca e K; Variação pouco significativa dos metais pesados analisados ensaios com incorporação de lamas sem influência nos teores de Cd, Cu, Mn, Ni, Sb, Se, Pb, Zn, As; ensaios com incorporação de lamas: variações pouco significativas no teor de Cr, Mo e Ba; 16

17 Não foi detectada ecotoxicidade nos lixiviados de cinzas resultantes do ensaio realizado com 100% de biomassa; Não foi detectada ecotoxicidade nos lixiviados de cinzas do leito resultantes dos 4 ensaios; Os lixiviados resultantes das cinzas do 1º e do 2º ciclone dos ensaios com incorporação de lamas primárias apresentaram os efeitos mais tóxicos. 17

18 Comparativo da concentração de CO, NO x, SO 2 e COV com os valores limites de emissão estipulados para uma caldeira de leito fluidizado de uma fábrica de produção de pasta e de papel (1) Ensaio CO NO x SO 2 COV Emissão VLE Emissão VLE Emissão VLE Emissão VLE mg/m 3 6%O 2 100B <LD 80B 20L 2ª < LD 80B 10L 1ª 10L 2ª < LD 50 90B 5L 1ª 5L 2ª < LD Ensaio com maior % incorporação de lamas secundárias ultrapassa valores limite de emissão de NO x e SO 2 18

19 Ensaios com incorporação de lamas, sobretudo secundárias: > teor de NO x lamas secundárias: > teor em N biomassa: > conversão de N em NO x aumento de NO x não linear relativamente ao teor de N no combustível Incorporação de maior % de lamas secundárias: > teor de SO 2 lamas secundárias: maior teor em S incorporação de lamas primárias: maior retenção de S Emissões NO x mg/m 3 (n) 6%O % 15% 10% 1 0% 100B 80B 20L2ª 80B 10L1ª 90B 5L1ª 10L2ª 5L2ª NO2 max (mg/m3(n)) NOx emitido (mg/m3(n)) Conversão de N em NO2 5% Conversão de N em NO x Emissões SO 2 (mg/m 3 (n)) 6%O B 80B 20L2ª 80B 10L1ª 10L2ª 90B 5L1ª 5L2ª 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% Retenção de S SO2 max (mg/m3(n)) SO2 emitido (mg/m3(n)) Retenção S 19

20 Variação de CO não significativa Eficiência de combustão superior a 99% em todos os ensaios; Ensaio com incorporação de maior % de lamas secundárias: maior teor em Cl ; Incorporação de lamas com efeito positivo na emissão de partículas totais em suspensão (PTS); Comparativo da concentração de partículas totais em suspensão presentes nos efluentes atmosféricos do LFB e os valores limites de emissão estipulados para a caldeira de leito fluidizado de uma fábrica de produção de pasta e de papel (1) Ensaio PTS 100B 99 80B 20L 2ª 77 80B 10L 1ª 10L 2ª 54 90B 5L 1ª 5L 2ª 87 VLE mg/m 3 6%O 2 95 Incorporação de lamas sem influência significativa nos metais pesados analisados. 20

21 Combustíveis utilizados apresentaram características significativamente diferentes biomassa: maior valor de PCI, menor teor em cinzas e menor teor em humidade; lamas primárias: > teor em cinzas; lamas secundárias: > teor humidade Incorporação de lamas sem influência significativa na eficiência de combustão A distribuição de cinzas é influenciada com incorporação de lamas biomassa: cinzas do 1º ciclone lamas primárias: cinzas do leito lamas secundárias: cinzas do 2º ciclone Cinzas do leito ensaios com incorporação de lamas maior teor em Ca teores dos metais pesados analisados abaixo dos valores limite estipulados para deposição de lamas no solo 21

22 Cinzas do 1º ciclone variação significativa de alguns elementos e metais pesados analisados no ensaio realizado com maior % de lamas secundárias Cinzas do 2º ciclone variação significativa de alguns elementos e metais pesados analisados no ensaio realizado com maior % de lamas secundárias; Lixiviados de cinzas ensaios com incorporação de lamas maior teor em COD, SO 4 2,Al, Ca e K nos lixiviados de cinzas do leito e 1º ciclone; ensaios com incorporação de lamas: níveis de ecotoxicidade detectados nos lixiviados de cinzas do 1º e 2º ciclone; 22

23 Efluentes atmosféricos Teores em CO, NO x,so 2 e COV abaixo dos valores limite, excepto no ensaio com maior % de lamas secundárias Aumento de NOx não linear relativamente ao teor de N no combustível; Incorporação de lamas primárias com efeito positivo na retenção de S; Incorporação de lamas com efeito positivo na emissão de PTS; De um modo geral, a incorporação em percentagens baixas de lamas primárias e secundárias, parece não ter influenciado significativamente as cinzas resultantes e os efluentes atmosféricos. Foram no entanto detectados, níveis de ecotoxicidade nos lixiviados de cinzas do 1º e do 2º ciclone resultantes dos ensaios de combustão realizados com incorporação de lamas. 23

24 Susana Sequeira Simão Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia Orientador: Doutor Pedro Abelha Co Orientador: Professor Doutor Nuno Lapa 24