PRODUÇÃO DE ÁGUA GELADA COMPLEMENTAR PARA UM LATICÍNIO: O USO DO BIOGÁS PRODUZIDO NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES

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1 PRODUÇÃO DE ÁGUA GELADA COMPLEMENTAR PARA UM LATICÍNIO: O USO DO BIOGÁS PRODUZIDO NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES Villela, I. A. C. - iraides@debas.faenquil.br Departaento de Mateática Aplicada Faculdade de Engenaria uíica de Lorena Napoleão, D. A. S. diovana@feg.unesp.br Silveira, J. L. - joseluz@feg.unesp.br Departaento de Energia - UNESP Universidade Estadual Paulista Avenida Dr. Ariberto Pereira da Cuna, Guaratinguetá - SP Resuo - Este trabalo analisa a possibilidade do aproveitaento energético do biogás gerado no Reator Anaeróbico da Estação de Efluentes de u Laticínio de édio porte, localizado no Vale do Paraíba. Neste laticínio a produção de biogás é de 80N 3 /, co ua coposição de istura e base olar de etano (62,5 %), nitrogênio (13,4%), onóxido de carbono (5%), dióxido de carbono (2,4 %), vapor de água (2,4 %) e ácido sulfídrico (14,1%). O biogás gerado é siplesente queiado nu flair, seguindo as noras recoendadas e desperdiçando esse potencial energético para o uso no próprio processo industrial. Nesse sentido, propõe-se nesse trabalo a queia direta desse biogás para acionar u sistea de refrigeração por absorção utilizando coo fluído de trabalo a aônia. O teor de ácido sulfídrico na istura perite a utilização do calor disponível nos gases oriundos da queia do biogás, e níveis de teperatura de até 230º C (pinc point). Este potencial residual perite a produção de cerca de 7,3 kg/s de água gelada copleentar a 1º C. Assi efetua-se análises energéticas e ostra-se a viabilidade técnica da utilização desse biogás para elorar a produção de água gelada no referido laticínio. Palavras-cave: Refrigeração, biogás, áquina de absorção 1. INTRODUÇÃO Até pouco tepo, o biogás era siplesente encarado coo u sub-produto, obtido a partir da decoposição anaeróbia de aterros naturais surgidos do acúulo desordenado de lixo e terra, onde esses gases se acuula e bolsões ou fica dispersos nas partes porosas das substâncias digeridas. A outra fonte geradora de biogás os aterros sanitários se constitue basicaente de resíduos sólidos (orgânicos e inerais) entrepostos e caadas de terra e que, co o correr dos anos se copacta tornando-se ipereáveis à penetração do oxigênio do ar, facilitando o desenvolviento de bactérias anaeróbias e consequenteente, a foração do biogás. No entanto, o desenvolviento econôico dos últios anos e a crescente deanda e o auento do preço dos produtos derivados do petróleo, te incentivado pesquisas e novas fontes alternativas direcionadas para a produção de energia, ais econoicaente viáveis. No setor industrial o processo de biodigestão apresenta aior potencialidade e o biogás te possibilidades de atuar coo alternativa ais eficiente e ais econôica. Entre as atividades industriais ais indicadas à utilização da biodigestão coo geradora de cobustíveis, te-se o trataento antipoluente de

2 resíduos e dejetos e coo produtora de adubos estaria os abatedouros, as indústrias de laticínios, as extratoras de óleos vegetais, as destilarias de álcool e usinas de açúcar, as agroindústrias produtoras de produtos alientícios e ainda as criações de aves, suínos e bovinos. O presente trabalo objetiva o aproveitaento do biogás gerado no Reator Anaeróbio da Estação de Trataento de Efluentes (Fig. 1), que atualente é queiado e jogado ao eio abiente, e que será utilizado coo fonte de energia residual. O cobustor deverá possuir ua válvula de ar de odo a anter a teperatura de queia desses gases e torno de C (valor liite). A vazão desses gases oriundos da cobustão acionará o sistea de refrigeração por absorção (SRA) de NH 3 + H 2 O, para produzir água gelada copleentar a 1 0 C, necessária ao processo. Figura 1- Esquea da instalação proposta 2. A PRODUÇÃO DE BIOGÁS NA ESTAÇÃO DE EFLUENTES Através de aostras fornecidas pela Cooperativa e do uso de u croatógrafo pode-se obter a coposição e base ássica e voluétrica, deterinar o poder calorífico inferior deste biogás: ,80 kj/n 3 ; sendo os valores apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Coposição do biogás da Cooperativa COMPONENTE % VOLUME % MASSA CH 4 62,7 46,79 N 2 13,4 17,46 CO 5,0 6,51 CO 2 2,4 4,91 H 2 O 2,4 2,01 H 2 S 14,1 22,32 A produção ínia e áxia do biogás na Estação de Trataento de Efluentes da Cooperativa apresentara-se entre 58 e 102 N 3 /, respectivaente, para dias norais de operação, perfazendo ua produção édia de 80 N 3 /. 3. DADOS GERAIS DO CONSUMO DE VAPOR, DEMANDAS DE ELETRICIDADE E DE POTÊNCIA FRIGORÍFICA NO PROCESSO Co base nas inforações da Cooperativa de Laticínios, fora obtidos os gráficos do consuo de vapor, deandas da eletricidade e potência frigorífica no processo, e função da ora do dia, ostrados na Fig. 2.

3 (a) (b) Figura 2 - Consuo de vapor no processo (a) e deanda de eletricidade e potência frigorífica (b) No caso da potência frigorífica trata-se da produção de água gelada a 1 o C, para o funcionaento da câara frigorífica da unidade. 4. PROPOSTA DE UM COMBUSTOR DE BIOGÁS O cobustor detalado na Fig. 3 é constituído de ua câara e aço carbono revestida internaente co tijolos refratários e isolantes. Para a vazão édia de produção de biogás (80 N 3 /, a câara possuirá u volue interno de 1,63 3 e para a vazão ínia 58 N 3 / ), de acordo co Silveira et al. (1997). O biogás disponível na unidade será copriido até atingir ua pressão adequada de trabalo para o queiador, que deverá ser projetado e liga etálica especial para a operação e abiente de alta teparatura. O ar de cobustão será provido por u copressor radial e sua vazão deverá ser controlada e edida, de fora a fornecer u excesso e torno de 220% (2,2 vezes a vazão estequioétrica). Esse excesso de ar fornecerá produtos de cobustão na faixa de 1000ºC. Figura 3 - Esquea do cobustor de biogás

4 5. FUNCIONAMENTO DA INSTALAÇÃO DE UMA MÁUINA DE ABSORÇÃO AMÔNIA E ÁGUA Os sisteas de absorção são áquinas de produção de frio ou quente e que opera co u dos princípios ais priitivos de refrigeração. O ciclo usa u absorvente coo u fluído secundário (H 2 O) para absorver u fluído priário, sendo este u refrigerante que é vaporizado (NH 3 ). O processo de evaporação absorve calor, suprindo assi a refrigeração necessária. Geralente os equipaentos de absorção de aônia e água são usados e grandes aplicações industriais, que requere baixas teperaturas para o processo de resfriaento; nestes ciclos utiliza-se aônia coo refrigerante e água coo absorvente (Costa, 1976). O sistea de refrigeração por absorção consiste basicaente de u evaporador, u absorvedor, u condensador, gerador, trocador de calor, ua pequena boba e auxiliares. Noralente, na parte inferior do sistea é localizado o absorvedor e o evaporador, ocupando ua única carcaça, sendo que na parte superior, e ua outra carcaça estão localizados o gerador e o condensador. A Figura 4 apresenta o esquea da instalação de ua áquina de absorção utilizando a istura de aônia e água, proposta para a Cooperativa de Laticínios. No gerador ocorrerá a dissociação da aônia, ediante o calor fornecido pelos gases de exaustão no ponto 20. Essa solução forte de aônia, dissociada no gerador, será então encainada ao retificador, onde ocorrerá seu enriqueciento e aônia, garantindo que ua pequena fração de água seja deslocada para o gerador no ponto 8. Do retificador, a solução rica de aônia, será encainada para o condensador, onde será liquefeita e fluirá para o evaporador; sendo antes expandida isoentalpicaente (válvula de expansão), acarretando u decréscio e sua teperatura e pressão. No absorvedor, a solução fraca de aônia proveniente da solução não dissociada absorverá o vapor de aônia do evaporador, forando-se ua solução forte e aônia, recoeçando-se novaente o ciclo. Ocorre a produção de água quente através da passage de água da rede pelo absorvedor e posteriorente pelo condensador aproveitando os calores cedidos, elevando a teperatura no caso de 25 0 C para 36 0 C. A produção de água gelada que é o objetivo desse trabalo é obtida através da passage de água de retorno do processo, a ua teperatura de 11 0 C pelo evaporador, obtendo-se finalente água gelada a 1 0 C (ponto 19). Figura 4 - Configuração do sistea de refrigeração por absorção

5 Os parâetros terodinâicos do ciclo de absorção estão apresentados na Tabela 2 referentes a Fig. 4. Os dados fora gerados e adaptados segundo as indicações de Herold et al. (1996). Tabela 2 - Dados terodinâicos do sistea de refrigeração por absorção PONTOS P [MPa] T [ O C] [kj/kg] s [kj/kgk] x [kg/kg] 1 0,240 40,00-42,282 0,474 0, ,555 40,50-39,235 0,479 0, , ,70 306,75 1,465 0, , ,00 401,62 1,652 0, ,555 40,50 0,86 0,533 0, ,204 40,70 0,83 0,537 0, , , ,49 4,891 0, , ,00 264,12 1,354 0, ,555 44, ,19 4,173 0, ,555 40,00 190,12 0,659 0, ,240-14,50 190,12 0,763 0, ,240-10, ,27 5,000 0, ,150 25,00 105,00 0,367 0, ,200 25,00 105,05 0,367 0, ,180 31,00 130,11 0,451 0, ,160 36,00 150,97 0,520 0, ,150 11,000 46,340 0,166 0, ,200 11,00 46,39 0,166 0, ,180 1,00 4,34 0,015 0, , , , , ANÁLISE ENERGÉTICA DO SISTEMA A análise de u sistea de refrigeração por absorção é feita através do balanço energético da instalação, o que torna indispensável o coneciento perfeito do equilíbrio entre o fluído refrigerante adotado e a substância absorvente. A seguir são descritos os cálculos necessários, sendo que o equacionaento refere-se ao ciclo da Fig.4 Para os cálculos realizados, utilizou-se o valor de ,80 kj/n 3, coo poder calorífico inferior do biogás. Sabendo que o calor no gerador se refere ao fluxo entregue pelos gases, te-se a seguinte equação: g gases. Cp gases gases. T (1) No SRA o coeficiente de perforance para a produção de frio (e siples estágio) varia entre 0,4-1,0 Petbow (1991). Adotou-se u COP 0,75 obtendo o fluxo de calor do evaporador, segundo a equação: e COP f. g (2) Do balanço de energia deterina-se os fluxos de calor do evaporador e do condensador: + e (3) (4)

6 De acordo co Keating (1993), baseando-se na teperatura édia da água, para se deterinar a vazão de água fria e quente, utilizou-se os valores Cp ag 4,2026 kj/kg K e Cp ag 4,1790 kj/kgk, respectivaente, obtendo-se as seguintes equações: Para o fluxo de água fria: e (5) af Cp. (T T ) ag Para o fluxo de água quente: c (6) aq Cp. ( T T ) ag A vazão ássica de gases de exaustão, nos pontos 20 e 21, é deterinada pela relação estequioétrica deterinada e 21,23 kg ar/kg biogás de acordo co Barclay (1995), Keating (1993) e Wylen (1993): ,23. 22,23. (7) gases b ar b b b Através das equações acia e considerando o aspecto de proporcionalidade, adotou-se a vazão ássica do ponto 8 (Herold et al., 1996), obtendo-se as vazões ássicas correspondentes associadas aos pontos da Fig. 4, confore ostrado na Tabela 3. Tabela 3 - Vazões ássicas do sistea de refrigeração por absorção FLUIDOS PONTOS VAZÕES MÁSSICAS [kg/s] H 2O + NH 3 H 2 O 58 N 3 / 80 N 3 / 1 0,5000 0, ,5000 0, ,5000 0, ,5000 0, ,2928 0, ,2928 0, ,2928 0, ,2283 0, ,0211 0, ,2072 0, ,2072 0, ,2072 0, ,2072 0, , , , , , , , , ,2966 7, ,2966 7, ,2966 7, ,3582 0,4940 GASES DE UEIMA 21 0,3582 0,4940 Para se deterinar o fluxos de calor do absorvedor, gerador e retificador, utiliza-se as equações a seguir, obtidas tabé do balanço energético associado aos respectivos coponentes. a (8) 1 1

7 + + g r Por últio, pode-se definir a potência de boba do sistea: W b (9) (10) (11) Os valores energéticos (fluxos de calor e trabalo de boba) associados a vazão de biogás ínia de 58 N 3 / e édia de 80 N 3 / são ostrados na Tabela 4. Tabela 4 - Dados gerais do sistea ITEM [kw] 58 N 3 / 80 N 3 / a 283,35 391,28 c 228,80 315,58 e 222,60 307,03 g 296,79 409,37 r 79,53 108,72 W b 1,52 2,13 Na Figura 5 teos a variação dos fluxos de calor e função do volue de biogás produzido, variando entre 58 N 3 / (ínio) e 80 N 3 / (édio) 500 F l u x o d e C a l o r [ k W ] a c e g r B i o g á s [ N 3 / ] Figura 5 - Variação dos fluxos de calor e relação ao volue de biogás Através das equações 5 e 6 obté-se os fluxos de água fria e quente cujos resultados são apresentados na Tabela 5, e função da produção de biogás.

8 Tabela 5 - Vazões de água fria e quente na áquina de absorção FLUXOS[kg/g] 58 N 3 / 80 N 3 / af 5,30 7,31 aq 10,95 15,10 Na Figura 6 teos a variação das vazões ássicas de água fria e quente e função da produção de biogás. 16,00 V a z ã o á s s i c a d e á g u a [ k g / s ] 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 á g u a f r i a á g u a q u e n t e Figura 6- Variação das vazões ássicas de água fria e quente e função do volue de biogás 7. CONCLUSÕES Neste trabalo procura-se abordar os aspectos técnicos da utilização do biogás gerado na Estação de Trataento de Efluentes de ua Cooperativa de Laticínio, quantificando os valores energéticos associados e a relativa facilidade de instalação para o real aproveitaento do biogás dispersado através de queias e flair para a atosfera. E geral as áquinas de refrigeração por absorção são utilizadas e grandes aplicações industriais, que requere baixas teperaturas para o processo de resfriaento. Desse odo, a iplantação de ua áquina de refrigeração por absorção analisada neste trabalo tê ua grande vantage, pois utiliza a energia térica (biogás gerado na própria Cooperativa) e lugar de elétrica. Do ponto de vista energético, percebe-se que existe ua aior vantage e projetar u sistea baseado na vazão édia de 80 N 3 / de biogás, associado a ua aior produção de água gelada. Para o próxio trabalo serão abordados aspectos relativos a análise exergética, análise de viabilidade econôica e ainda análise teroeconôica do sistea proposto ao escopo desse artigo. 8. AGRADECIMENTOS 4, B i o g á s [ N 3 / ] Os autores agradece a FAPESP - Fundação de Aparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, pelo suporte financeiro que possibilitou a execução deste trabalo.

9 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SILVEIRA, J. L. e CARVALHO JR, J. A., 1997, aio; "Proposta de Assessoria Técnica: Estudo para elorar e 30% o sistea de geração de água gelada na Leite Paulista". COSTA, Ê. C., 1976; Física Industrial Refrigeração, editora Meridional EMMA, v. II, Porto Alegre, p 175. HEROLD et al., 1996 ; "Absorption Cillers and Heat Pups", 1996, Reinard Raderacer Sanford A. Klein, CRC PRESS, New York, p PETBOW, G. S., 1998 ; Catálogo do Fabricantte, London. KEATING, E. L., 1993 ; "Applied Cobustion", Marcel Dekker, Inc., pp BARCLAY, F. J., 1995 ; "Cobined Power and Process - An Exergy Aproc" Mecanical Engineering Publications Liited, London, p VAN WYLEN, G. J. e SONNTAG, R. E.., 1993 ;"Fundaentos da Terodinâica Clássica", Tradução da 4 a edição Aericana, Editora Edgard Blucer Ltda, São Paulo. Síbolos: NOMENCLATURA Cp ag H af aq ar b a c e g r s T W b T gases - calor específico da água [kj/kg.k]; - entalpia específica [kj/kg]; - vazão ássica [kg/s]; - vazão ássica de água fria [kg/s]; - vazão ássica de água quente [kg/s]; - vazão de ar de adissão [kg/s]; - vazão ássica de biogás [kg/s]; - fluxo de calor do absorvedor [kw]; - fluxo de calor do condensador [kw]; - fluxo de calor do evaporador ou potência frigorífica [kw]; - fluxo de calor do gerador [kw]; - fluxo de calor dos gases de exaustão [kw]; - fluxo de calor do retificador [kw]; - entropia específica [kj/kg/k]; - teperatura [K]; - potência de boba [kw] - variação da teperatura dos gases [ 0 C]. Subscritos af - água fria ag - água aq - água quente Abreviaturas ETE - Estação de Trataento de Efluentes SRA - Sistea de Refrigeração por Absorção

10 COMPLEMENTARY COLD WATER PRODUCTION FOR A DAIRY INDUSTRY: THE USE OF BIOGAS GENERATED IN THE EFFLUENT TREATMENT STATION ABSTRACT In tis paper is analysed te possibility energetic utilization of biogas in te effluent treatent station of a ediu dairy industry located in São Paulo state. In tis station are produced about 80 N 3 / of biogas, wit a olar coposition of 62,5% of CH 4, 13,4% of N 2, 5% of CO, 2,4% of CO 2, 2,4% of stea H 2 O e 14,1% of H 2 S. Te generated biogas is today burning in a flair, according te national rule, wit evident losses of energetic utilization potential.. Te purpose of tis paper is te direct utilization of tis biogas to run an absorption refrigeration syste utilizing H 2 O + NH 3 ixture. Te level of H 2 S in te biogas perits te energy recovery of te available eatin iniu teperature level up to 230º C, according to te pinc point proceding.tis potential of energy recovery perits a copleentation of te cold water production (7,3 kg/s) at 1ºC. So, is ade te energetic analysis of te proposed installation sowning te tecnical feasibility of te actual use of te generated biogas, to produce usefull energy. Keywords: Refrigeration, biogas, absorption acine.