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 Quarta Parte: Potencial e Tratamento do Biogás 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 Estimativa do potencial energético Composição do biogás: estudo de caso Componente ETE com UASB ETE com digestor anaeróbio Oxigênio 0,2% 0,5% Nitrogênio 10,7% 0,5% Dióxido de carbono 7,7% 30,5% Metano 78,8% 66,5% Sulfeto de hidrogênio 604 ppm 134 ppm

4 Estimativa do potencial energético Cálculo simplificado teórico da vazão de gás UASB com: Q CH4 = DQO CH4 f C CH4 DQO CH4 = carga de DQO convertida em metano [kg DQO/d] f = fator de conversão [m³ CH4 /kg DQO] C CH4 = concentração de metano no biogás [%] Estoquiometricamente: f = 0,35 m³ CH4 /kg DQO Recomendado por Universidade de Hannover, 2009: f = 0,32 m³ CH4 /kg DQO

5 Estimativa do potencial energético Cálculo simplificado teórico da vazão de gás UASB Assumindo-se 65% de eliminação de DQO e 0,32 l CH4 /g DQO : Q CH4 = 108 g DQO/hab/d 0,65 0,32 ln,ch4/g DQO 0,7 ~ 59% do DQO de entrada = 32 l N,biogás /hab/d

6 Estimativa do potencial energético Balanço de DQO (UASB) Em relação a DQO de entrada (baseado em Souza, 2010) 10-20% no lodo efluente 8-10% no lodo retido 24-30% no metano da linha de gás 16-18% no metano do efluente 4,5-5% consumidos na redução do sulfato 14-24% solúvel no efluente 5-12% não atribuído a nenhum processo específico

7 Estimativa do potencial energético Cálculo através de balanço da vazão de gás UASB Assumindo-se 44% de DQO convertido e 0,35 l CH4 /g DQO : Q CH4 = 108 g DQO/hab/d 0,44 0,35 ln,ch4/g DQO 0,7 = 24 l N,biogás /hab/d De onde vem essa diferença???

8 Estimativa do potencial energético Balanço de DQO Em relação a DQO de entrada (baseado em Souza, 2010) 10-20% no lodo efluente OK! 8-10% no lodo retido (vs. ~6%) 24-30% no metano da linha de gás 16-18% no metano do efluente 4,5-5% consumidos na redução do sulfato ~ 44% (vs. ~59%) não considerado! 14-24% solúvel no efluente OK! 5-12% não atribuído a nenhum processo específico não considerado! atribuído a perdas!

9 Estimativa do potencial energético Cálculo simplificado ajustado da vazão de gás Assumindo-se redução de sulfato de 7% e incorporação na biomassa de 12% (em relação a DQO convertido): Q CH4 = DQO CH4 com: (1 0,07 0,12) f C CH4 = DQO CH4 0,28 C CH4 DQO CH4 = carga de DQO convertida [kg DQO/d] f = fator de conversão [m³ CH4 /kg DQO] = 0,35 m³ CH4 /kg DQO C CH4 = concentração de metano no biogás [%]

10 Estimativa do potencial energético Cálculo simplificado ajustado da vazão de gás UASB Assumindo-se 65% de eliminação de DQO: Q CH4 = 108 g DQO/hab/d 0,65 0,28 ln,ch4/g DQO 0,7 = 28 l N,biogás /hab/d ~ 52% do DQO de entrada

11 Fonte: Hinken et al., 2009 Estimativa do potencial energético Perdas pelo efluente (UASB)

12 Estimativa do potencial energético Estudo de caso (UASB) Assumindo-se 40% de perdas pelo efluente: 17 l biogás /hab/d captados 12 l biogás /hab/d perdidos 29 l biogás /hab/d 5 W/hab captados 3 W/hab perdidos 8 W/hab

13 Estimativa do potencial energético Considerações iniciais (UASB) Os sistemas atuais não são estanques em relação ao biogás Uma quantidade considerável de metano não consegue se desprender da fase líquida para a fase gasosa discussão acadêmica Há incerteza em relação à quantidade de biogás produzido através da estabilização anaeróbia do lodo em cada ETE tema pouco discutido Diminuição das eficiências de tratamento devido a deficiências nos sistemas preliminares e reatores anaeróbios As eficiências de tratamento podem diminuir consideravelmente / drasticamente em períodos de chuva

14 Medidas para mitigação de perdas Perdas por falta de estanqueidade

15 Medidas para mitigação de perdas Perdas por falta de estanqueidade

16 Estimativa do potencial energético Cálculo da vazão de gás (digestores de lodo) Lodo primário: l N /kg otr degradado ou l N /kg otr inserido Lodo secundário (lodos ativados): l N /kg otr degradado ou l N /kg otr inserido Concentração vol. de metano: 60 a 70% em volume

17 Estimativa do potencial energético Cálculo da vazão de gás (digestores de lodo) Ensaios laboratoriais

18 Estimativa do potencial energético Cálculo da vazão de gás (digestores de lodo) Ensaios laboratoriais Lodo primário

19 Estimativa do potencial energético Cálculo da vazão de gás (digestores de lodo) Ensaios laboratoriais Lodo secundário

20 Estimativa do potencial energético Cálculo da vazão de gás (digestores de lodo) Ensaios laboratoriais Lodo misturado

21 Estimativa do potencial energético Cálculo da vazão de gás (digestores de lodo) DWA M-363 (2010)

22 Estimativa do potencial energético Discussão e perguntas

23 Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Possibilidades técnicas Turbulência Stripping do biogás Degasificação a vácuo Aumento da temperatura Tratamento biológico: desnitrificação oxidação

24 Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Turbulência chicanes cascadas agitador tanque centrifugador (exemplo instalado em ETE) 160 l/s 5 min. tempo de retenção aprox. 50 m³

25 Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Stripping: aeração por cascadas (Universidade Delft)

26 Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Stripping: aeração forçada com a corrente contra a corrente cruzado água ar água ar água ar ar água água ar água ar

27 Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Stripping: exemplo em ETE

28 (PONDUS) Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Degasificação a vácuo

29 Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Comparação Processo Potencial de recuperação do processo Potencial de recuperação total O&M Segurança Custos Turbulência 30% 72% Degasificação 50% 80% Stripping > 90% 96%

30 Medidas para mitigação de perdas Recuperação do metano no efluente Resumo Investigação para retirada do metano no efluente Definição de processo e parâmetros de dimensionamento: Turbulência ou degasificação Concentrações de metano Até agora: potencial de = 21 l biogás /hab/d

31 Recuperação do metano no efluente Discussão e perguntas

32 Medição, tratamento e queima do biogás Situação atual: desafios Selo-hídrico Purgas Corta-chamas Queimador de baixa eficiência Não há medição

33 Medição, tratamento e queima do biogás Sistema proposto Aumento e controle de pressão Retirada de partículas Retirada de água condensada (Compressores) Gasômetro Corta-chamas Queimador de alta eficiência Medições: vazão, pressão, temperatura, CH 4, O 2

34 Medição, tratamento e queima do biogás Aumento e controle de pressão Funções: Evitar pressões negativas (entrada de O 2 ) Garantir fluxo mínimo e direcionamento de gás Viabilizar queima de alta eficiência Selo-hídrico: Simples e econômico Pressão após selo-hídrico muito pequena Queima ineficiente Compressor: Possível de controlar Perigo de pressões negativas (entrada de O 2 ) Gasômetro sob pressão: Todo o sistema é mantido sob pressão constante

35 Fonte: Sattler Fonte: Lipp Fonte: Eisenbau Heilbronn Medição, tratamento e queima do biogás Gasômetros Garantir alimentação uniforme dos pontos de consumo Garantir pressão mínima no sistema pressurizado: compressor entre membranas despressurizado pressurizado: lastro sobre membrana

36 Medição, tratamento e queima do biogás Gasômetro por lastro

37 Medição, tratamento e queima do biogás Gasômetro por lastro

38 Medição, tratamento e queima do biogás Gasômetro de dupla-membrana

39 Medição, tratamento e queima do biogás Aumento e controle de pressão Queda de pressão com gasômetro pressurizado

40 Medição, tratamento e queima do biogás Aumento e controle de pressão Queda de pressão com gasômetro despressurizado

41 Medição, tratamento e queima do biogás Sistema proposto para ETEs existentes Filtros de pedra e cerâmica c/ remoção de condensado Queimador c/ faiscador autom. (20 mbar) Estação de compressores UASB c/ dispositivo de segurança (~5 mbar) FIR Extensão p/ aproveitamento energético Gasômetro despressurizado CH 4,O 2 QIR PI TI Remoção de condensado

42 Medição, tratamento e queima do biogás Sistema proposto para ETEs novas Filtros de pedra e cerâmica c/ remoção de condensado Queimador c/ faiscador autom. (40 mbar) UASB c/ dispositivo de segurança (50 mbar) FIR QIR PI TI CH 4,O 2 Extensão para aproveitamento energético Gasômetro à pressão constante Remoção de condensado

43 Vazão afluente [l/s] Medição, tratamento e queima do biogás Estudo de caso: dimensionam/o gasômetro 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

44 Volume acumulado no dia [m³] Medição, tratamento e queima do biogás Estudo de caso: dimensionam/o gasômetro Biogás produzido pelos reatores anaeróbios Biogás consumido pelo motogerador Volume utilizado do gasômetro Volume escolhido = 450 m³ 0 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Horas do dia

45 Medição, tratamento e queima do biogás Dispositivo de controle de pressão A ser instalado na câmara de gás Proteger o reator anaeróbio Não deve ser danificado em casos de acionamento Fonte: DWA-M 212, 2008

46 Medição, tratamento e queima do biogás Filtros Retirar partículas Proteger os medidores Melhorar a qualidade de medição Evitar acúmulo no armazenamento Fonte: DWA-M 212, 2008

47 Medição, tratamento e queima do biogás Tecnologias de medição de vazão de gás Medidores por queda de pressão Volume proporcional à queda de pressão num ponto de estrangulamento definido Medidores térmicos Massa de gás proporcional à diferença de temperatura ou de potência térmica Medidores por vórtice Volume proporcional à freqüência de rotação em um vórtice

48 Fonte: Flammer Medição, tratamento e queima do biogás Corta-chamas Proteger a tubulação em casos de: Deflagração Detonação Instalado sempre antes (e depois) de dispositivos que podem acionar uma chama: Queimador Compressores Motores de cogeração Caldeiras Etc.

49 Medição, tratamento e queima do biogás Queimador Aberto ou fechado: Inspeção visual Influência de zona de calor Alta eficiência: > 20 mbar (para mistura entre oxigênio e metano) Queimadores de alta temperatura: Para gases tóxicos Queimadores de gases fracos : p.ex. do tipo FLOX

50 Medição, tratamento e queima do biogás Estudo de caso: esquema

51 Medição, tratamento e queima do biogás Remoção de enxofre com carvão ativado

52 Medição, tratamento e queima do biogás Remoção de enxofre Outros processos: Esponja de aço (Adsorção) Carvão ativado Microbiológicos Peneiras moleculares

53 Medição, tratamento e queima do biogás Remoção de siloxanos com carvão ativado

54 Medição, tratamento e queima do biogás Deposição siloxanos

55 Medição, tratamento e queima do biogás Discussão e perguntas