Normas e recomendações técnicas

Transcrição

1 DWA Normas e recomendações técnicas Guia técnico DWA-M 363 Origem, Tratamento e Utilização do Biogás Novembro de 2010 Herkunft, Aufbereitung und Verwertung von Biogasen German Association for Water, Wastewater and Waste Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.

2 DWA Normas e recomendações técnicas Guia técnico DWA-M 363 Origem, Tratamento e Utilização do Biogás Novembro de 2010 Herkunft, Aufbereitung und Verwertung von Biogasen Publisher/Marketing: German Association for Water, Wastewater and Waste Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee Hennef Germany Tel.: Fax: info@dwa.de Internet:

3 A Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) empreende grandes esforços para contribuir com o desenvolvimento da gestão hídrica sustentável e segura. Sendo uma organização com independência política e econômica, ela atua nas áreas de gestão hídrica, de efluentes, resíduos e proteção dos solos. Na Europa, a DWA é a organização que conta com o maior número de associados nessa área, e sua competência técnica em implantação de regulamentos, educação e informação lhe confere reconhecimento pela opinião pública. O corpo de mais de associados conta com especialistas e lideranças da administração pública, universidades, escritórios de engenharia, autoridades e empresas. Notas legais Edição e distribuição: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee Hennef, Alemanha Tel.: Fax: info@dwa.de Internet: Tradução da Norma: Marcos Zattar Versão revista: Janeiro de 2011 Composição: DWA Impressão: DWA ISBN: Impresso em papel 100% reciclado DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef 2014 Todos os direitos reservados, inclusive os direitos de traduções em outros idiomas. É proibida a reprodução de toda e qualquer parte deste guia técnico sem a autorização escrita do editor, seja ela fotocópia, digitalização ou qualquer outra técnica, ou transmitida em idioma utilizado por máquinas, principalmente máquinas de processamento de dados. 2 Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas DWA

4 Prefácio A comissão técnica da DWA AK-8 "Biogás" publicou em agosto de 2002 a primeira edição deste guia técnico com o mesmo título. Em 2010, a comissão técnica atualizou o guia técnico em função do avanço tecnológico e da legislação da área do biogás, que se beneficiou de importantes inovações. Tradução da Norma: Marcos Zattar. Revisão da Versão Traduzida: Grupo de trabalho coordenado pelo Projeto DKTI Biogás (PROBIOGÁS). Apoio para realização da tradução: Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH. O trabalho de tradução e revisão desta norma foi realizado por uma equipe multidisciplinar composta por membros de prestadoras de serviço de saneamento brasileiras, empresas de consultoria e universidade, juntamente com o Ministério das Cidades brasileiro e a Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH. Os membros do grupo de trabalho são os seguintes: Carlos Chernicharo Carolina Cabral Christoph Platzer Gilson Silva Gustavo Possetti Hélinah Moreira Humberto Belina Marcos Montenegro Mônica da Silva Renato Takahashi Sebastian Rosenfeldt Valéria Ferreira Victor Valente Waldo Villani UFMG Rotária do Brasil Rotária do Brasil Ministério das Cidades SANEPAR GIZ CAESB ADASA-DF CAESB SeMAE São José do Rio Preto Rotária do Brasil COPASA GIZ SeMAE São José do Rio Preto Esta atividade fez parte do escopo do Projeto Brasil-Alemanha de Fomento ao Aproveitamento Energético de Biogás (PROBIOGÁS-DKTI Biogás), coordenado pelo Ministério das Cidades e a Cooperação Alemã para o Desenvolvimento Sustentável, por meio da GIZ. A tradução de Normas Técnicas Alemãs voltadas para eficiência energética e aproveitamento energético de biogás em Estações de Tratamento de Esgotos é um passo importante para facilitar a implantação de medidas similares no Brasil. Esta iniciativa contou com o apoio da Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA). Mais informações: Normas e recomendações técnicas DWA Novembro de

5 Autores Este guia técnico foi elaborado pela comissão técnica AK-8 "Biogás" da DWA. A comissão se compõe dos seguintes membros: BERGMANN, Dieter BÖCKER, Karl DICHTL, Norbert FRECHEN, Franz-Bernd HEETKAMP, Jörg KLAAS, Uwe LOLL, Ulrich MÜLLER, Volker RETTENBERGER, Gerhard SCHÄFER, Arnold STEHLE, Roland Dr. Eng., Dresden (Vice-Presidente) Engenheiro, Wuppertal Prof. Eng., Braunschweig (Presidente) Prof. Dr. Eng., Kassel Engenheiro, Aachen Quím., Bonn Dr. Eng., Darmstadt Dr. Eng., Dresden Prof. Dr. Eng., Trier Engenheiro, Hamburg Dr. rer.-nat., Heilbronn Coordenador de projetos na sucursal nacional da DWA: REIFENSTUHL, Reinhard Eng., Hennef Setor de Gestão Hídrica, Resíduos e Solos 4 Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas DWA

6 Índice 1 Prefácio Autores... 3 Índice de figuras... 7 Índice de Tabelas... 7 Nota ao leitor Área de aplicação Conceitos Definições Abreviaturas e símbolos Composição do biogás Composição do biogás do ponto de vista da conversão energética Impacto ambiental do biogás e seus componentes Poluentes do biogás relevantes para o meio ambiente Produção de biogás Taxa de produção de biogás de tratamento anaeróbio de lodo Taxa de produção de biogás no tratamento anaeróbio de esgotos de elevada concentração orgânica Taxa de produção de biogás em biodigestores agrícolas Taxa de produção de biogás na digestão de culturas energéticas (biomassa dedicada) Taxa de produção de biogás em estações de tratamento de resíduos Taxa de produção de biogás da deposição de resíduos sólidos urbanos (RSU) Taxa de produção de biogás na codigestão Tratamento do biogás Generalidades Métodos de tratamento do biogás Separação de líquidos e sólidos Eliminação de sulfetos de hidrogênio Remoção de compostos orgânicos halogenados Separação de dióxido de carbono Separação dos siloxanos Armazenamento do biogás Armazenamento de biogás para utilização em caldeiras Armazenamento de biogás em usina de cogeração Métodos de armazenamento de biogás Utilização do biogás Generalidades Aproveitamento em caldeiras a gás Utilização em máquinas a gás Inf ormações gerais sobre conversão de energia Motores a gás Turbinas a gás Normas e recomendações técnicas DWA Novembro de

7 7.3.4 Célula de combustível como usina de cogeração Uso da energia Uso na operação de veículos Cessão do biogás a terceiros/injeção na rede de gás natural Legislação Legislação de proteção contra imissões A classificação no âmbito legal conforme a origem das matérias-primas Gás de escape Substâncias do gás de escape de motores a gás Abordagens para a mitigação de emissões em usinas de cogeração com motores a gás Combustão de misturas pobres para a redução de emissões em motores do ciclo Otto Catalisador de três vias Catalisador SCR Catalisador de oxidação Sistema de pós-combustão de gases de escape Princípios técnicos de segurança do manuseio de biogás Generalidades Perigo de asfixia e ação tóxica dos componentes do biogás Perigo de explosão Pré-condições Medidas de proteção Notas sobre os equipamentos Equipamentos de medição Monitoramento da composição do biogás Monitoração do ar em edificações e poços Medição de gases combustíveis Medição do oxigênio Fatores de custo Legislação alemã e europeia Normas técnicas Normas DIN/VDE Normas e recomendações técnicas - DWA Normas de segurança e proteção da saúde Outras normas técnicas Literatura Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas DWA

8 Índice de figuras Figura 1: Diagrama de métodos de tratamento do biogás para a separação do CO 2 (BEIL, 2008) Figura 2: Figura 3: Produção qualitativa de biogás com alimentação de lodo bruto única, dupla e (semi) contínua em um digestor de m³ Gasômetro com membrana com carga de peso e lastros com cordas/cilindro telescópico (gasômetro de gás seco) Figura 4: Gasômetro tubos infláveis (com lastro) Figura 5: Tanque de biogás com membrana dupla submetida a ar comprimido (tanque de contrapressão) Figura 6: Reservatório de biogás não pressurizado Figura 7: Célula de combustível como reversão da eletrólise Figura 8: Emissões de NOx e CO em dependência do fator lambda (λ) Figura 9: Diagrama ternário da faixa explosiva de misturas de metano/ar/dióxido de carbono e misturas de metano/ar/nitrogênio Índice de Tabelas Tabela 1: Valores de referência do teor de metano e poder calorífico inferior de tipos de biogás Tabela 2: Tipos de biogás de aterros sanitários Tabela 3: Propriedades dos componentes do biogás Tabela 4: Taxa de produção de biogás na decomposição completa dos constituintes orgânicos Tabela 5: Tecnologia de processo do tratamento de esgoto e sua influência sobre a quantidade de biogás esperado (conforme KAPP 1984, complementado) Tabela 6: Resultado operacional de usinas de biogás industriais Tabela 7: Taxas de produção de biogás frequentes em usinas de biogás agrícolas Tabela 8: Propriedades e taxa de produção de biogás de substratos relevantes (conforme o guia técnico DWA-M 380) Tabela 9: Métodos de tratamento do biogás Tabela 10: Influência do modo de operação de equipamentos de utilização de biogás sobre o dimensionamento de gasômetros Tabela 11: Equipamentos de usinas de biogás sujeitos ao licenciamento pelo processo de concessão simplificado (excerto resumido da 4ª BImSchV) Tabela 12: Requisitos especiais de determinados equipamentos de usinas de biogás (conforme a Diretriz Técnica Alemã para o Controle da Poluição Atmosférica TA Luft) Tabela 13: Efeitos do dióxido de carbono Tabela 14: Efeitos do sulfeto de hidrogênio Tabela 15: Fatores de custo importantes na construção e operação de usinas de biogás Normas e recomendações técnicas DWA Novembro de

9 Nota ao leitor Este guia técnico é o produto do esforço conjunto técnico, científico e econômico, em caráter voluntário, originado conforme os princípios vigentes (estatuto, regulamento da DWA e a norma DWA-A 400). Conforme a jurisprudência, existe presunção real de que o teor desta norma de trabalho esteja correto e tecnicamente adequado. Qualquer pessoa é livre para utilizar o guia técnico. No entanto, seu uso pode estar sujeito a regulamentos, leis, contratos ou quaisquer bases legais que a tornem obrigatória. Este guia técnico é, entre outras, uma importante fonte de conhecimento para soluções tecnicamente adequadas. A sua utilização não isenta ninguém da responsabilidade pelos próprios atos ou pela utilização correta na prática. Isso se aplica principalmente à correta utilização dos intervalos admitidos no guia técnico. 1 Área de aplicação O guia técnico contém recomendações e informações para o planejamento de usinas de biogás funcionais e sua operação comercial. No guia se encontram compilados dados sobre a origem, quantidade e qualidade do biogás produzido, bem como sobre a sua purificação e aproveitamento. São indicadas faixas de valores apoiados na experiência prática em um grande número de usinas. Se, no caso particular, forem aplicados valores de projeto significativamente divergentes, recomenda-se verificar esse valores por meio de experimentos e análises com base nas características do projeto e local de instalação. O guia técnico refere-se a usinas para tratamento e utilização de biogás com as seguintes origens: Digestão anaeróbia de lodo (biogás de esgoto) Tratamento anaeróbio de esgotos com elevada carga orgânica (gás do tratamento de esgoto) Fermentação de substratos agrícolas Fermentação de biomassas dedicadas Usinas de digestão anaeróbia de resíduos Deposição de resíduos (gás de aterros sanitários) Usinas de codigestão 2 Conceitos 1) 2.1 Definições Com o objetivo de trazer mais clareza à área de biogás, a comissão técnica definiu os conceitos abaixo. Anteriormente, não existia uniformidade na conceituação. Biogás Biogás é uma mistura gasosa produzida durante a decomposição anaeróbia de substâncias orgânicas e composta quase exclusivamente de metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). O biogás contém também pequenas quantidades de sulfeto de hidrogênio (H 2 S), nitrogênio (N 2 ) e outros gases traço. Biogás de estações de tratamento de lodo Esse tipo de biogás (biogás de esgoto), obtido pelo processo de estabilização anaeróbia do lodo do tratamento de esgoto urbano, é constituído de CH 4 e CO 2, pequenas quantidades de N 2, O 2 e H 2 S, e traços de outras substâncias. Tratamento anaeróbio de esgotos com elevada carga orgânica O biogás (gás do tratamento de efluentes) se origina da decomposição anaeróbia de efluentes de elevada concentração de matéria orgânica, tais como os 1) Em algumas leis como a BImSchG e a EEG, termos como "gás do tratamento de esgoto" são definidos diferentemente da terminologia técnica correta, adotada neste trabalho. Os parágrafos das seções 2 em diante, portanto, utilizam a conceituação correta. Nas leis mencionadas acima, o biogás de esgoto é denominado de gás do tratamento de esgoto. Segundo essas leis, nenhum deles é considerado biogás. 8 Novembro de 2010 Normas e recomendações técnicas DWA