XIII-Campani-Brasil-001 DETERMINAÇÃO DO PODER CALORÍFICO DO BIOGÁS GERADO EM ATERROS SANITÁRIOS

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1 6,7 y 8 de mayo de 009 XIII-Campani-Brasil-001 DETERMINAÇÃO DO PODER CALORÍFICO DO BIOGÁS GERADO EM ATERROS SANITÁRIOS Darci Barnech Campani Enenheiro Arônomo, Professor do Departamento de Enenharia Mecânica da niversidade Federal do Rio Grande do Sul. Especialista em Planejamento Enerético e Ambiental. Coordenador de Gestão Ambiental da FRGS. Paulo Smith Schneider Enenheiro Mecânico; Professor do Departamento de Enenharia Mecânica da FRGS. Doutor em Enenharia. Fernando Matos Xavier Enenheiro Mecânico - niversidade Federal do Rio Grande do Sul (FRGS). Endereço: Rua Luiz Enlert, S/N, Sala 6 - Bairro Farroupilha Porto Alere RS CEP: Brasil - Tel: (51) campani@ufrs.br RESMO Este trabalho apresenta os valores obtidos na determinação do poder calorífico do bioás erado em dois aterros sanitários distintos. O primeiro opera desde 001 e já recebeu mais de dois milhões de toneladas de resíduos sólidos, possuindo uma clientela formada por 14 municípios. A captura do bioás é feita através de um sistema de válvulas e tubulações que interliam os drenos de ás. Já o seundo, opera desde 1995 e recebe por ano mais de 40 mil toneladas de resíduos, possuindo também um sistema próprio para a captura e queima do bioás. Em aterros sanitários, o processo de diestão anaeróbia da matéria orânica é responsável pela produção do bioás, que pode ter sua composição alterada dependendo do ponto de captação do ás, visto que, a idade do lixo, o projeto do aterro (impermeabilização, drenaem do chorume, cobertura adequada) e a operação do aterro (compactação, recirculação, cobertura diária) interferem na produção de metano. A determinação do poder calorífico do bioás é feita com o uso de um calorímetro de fluxo contínuo de áua e os resultados são comparados com a quantidade de metano presente nas amostras. Palavras Chaves: poder calorífico, bioás, aterros sanitários, calorímetro.

2 6,7 y 8 de mayo de 009 INTRODÇÃO Alternativas eneréticas por meio de fontes renováveis de eneria tem sido objeto de estudo muito atual. Diminuir a dependência de combustíveis fósseis, além de encontrar soluções ambientalmente sustentáveis para colaborar com a matriz enerética dos países e reduzir impactos lobais provocados pela queima dos mesmos, justificam o tema deste trabalho. O rande volume de resíduos provenientes das explorações arícolas e pecuárias, esotos domésticos e estações de tratamento de resíduos orânicos apresentam uma cara poluente elevada que impõem a utilização de soluções que permitam diminuir os danos provocados por essa poluição, astando o mínimo de eneria possível em todo processo (PECORA, 006). Aliado aos problemas ambientais como a contaminação do solo e da áua, os resíduos orânicos são causadores de maus odores e problemas epidemiolóicos, por isso, o processo de biodiestão anaeróbia, como o realizado em aterros sanitários, tem importante papel no desenvolvimento sustentável das cidades e do campo. Esse processo permite a redução sinificativa do potencial poluidor devido ao confinamento da matéria orânica, o que evita a proliferação de moscas e parasitas e o desprendimento de maus odores. Como resultado deste processo, ainda obtém-se a recuperação da eneria na forma de bioás, que pode ser usado na co-eração de eneria, e o reaproveitamento da fração orânica do resíduo através do processo de compostaem. Nos aterros sanitários estudados o bioás produzido por diestão anaeróbia de resíduos orânicos é canalizado e queimado em tochas ou flares. Entretanto, a eneria liberada na queima do bioás não é aproveitada em um dos aterros, sendo este procedimento realizado apenas com o objetivo de evitar a emissão do ás metano na atmosfera, enquanto no outro aterro, existe o aproveitamento do bioás no tratamento do próprio lixiviado erado pelo aterro. Tendo em vista a necessidade de estudos que busquem identificar o potencial do bioás na eração de eneria e na obtenção de créditos de carbono, desenvolveu-se este trabalho que visa determinar o poder calorífico do bioás produzido em dois diferentes aterros sanitários. METODOLOGIA Amostras do bioás produzido nos aterros sanitários foram armazenadas em cilindros e seu poder calorífico determinado com o uso de um calorímetro. A composição do bioás também foi determinada para uma futura comparação dos resultados obtidos por calorimetria com a quantidade de metano presente na amostra.

3 6,7 y 8 de mayo de 009 Fiura 1: Vista da operação de coleta do ás no Aterro B O calorímetro é um trocador de calor utilizado para medir o poder calorífico dos ases. Os ases são queimados em um bico de Bunsen na base do calorímetro e um fluxo de áua percorre os tubos internos do trocador. As temperaturas de entrada ( t e ) e saída ( t s ) da áua, bem como a vazão mássica de ás ( ás ) e de áua ( áua ) são monitoradas e o poder calorífico inferior (PCI) pode ser obtido através da equação: PCI c t t ) Equação (1) ás = áua páua ( s e onde c é o calor específico da áua (4,178 p áua kj k K ) (INCROPERA, 003). É fundamental que o calorímetro entre em reime permanente, ou seja, que a temperatura de saída da áua estabilize e que a temperatura de saída dos ases provenientes da queima do combustível não exceda mais do que 3 C a temperatura ambiente, arantindo com isso que o calorímetro esteja trabalhando a frio e que todo calor vindo da queima do ás combustível seja transferido à áua. A fiura 1 exemplifica o funcionamento do calorímetro.

4 6,7 y 8 de mayo de 009 Fiura : Vista em corte (esquerda) e foto do calorímetro usado para as medições 1 - Reião de entrada da áua. - Câmara de combustão. 3 - Reião de circulação da áua. 4 - Bico de Bunsen (queima do ás). 5 - Saída dos ases provenientes da queima. 6 - Reião de saída da áua. A - Medição da temperatura de entrada da áua. B - Medição da temperatura de saída da áua. C - Medição da temperatura de entrada dos ases. No laboratório o bioás foi queimado no Bico de Bunsen e os valores das temperaturas de entrada e saída da áua, assim como as vazões mássicas de áua e de ás foram medidos. Com isso, pode-se determinar o poder calorífico inferior PCI do bioás utilizando-se a equação (1). Para a determinação do poder calorífico inferior PCI do bioás a partir da quantidade de metano presente na amostra, foi calculada a massa molar do ás e a massa molar do metano na amostra. Com isso, sabendo-se que o poder calorífico inferior do metano é de aproximadamente 50,05, o PCI do bioás pode ser calculado através da equação: k PCI = 50,05 x (% em massa de metano na amostra) Equação () k

5 6,7 y 8 de mayo de 009 RESLTADOS E DISCSSÕES No primeiro aterro sanitário o bioás coletado apresentava a seuinte composição: Tabela 1: Composição, quantidade e massa molecular do bioás coletado no aterro A. Composição do bioás Quantidade Massa Molecular CH4 43% 16/mol O 4,4% 3/mol N 5,6% 8/mol CO 7% 44/mol O valor do poder calorífico inferior obtido por calorimetria foi de: PCI = 1,671 k seuir: O poder calorífico calculado a partir da quantidade de metano na amostra é apresentado a Massa molar do ás: 7,59 mol CH 4 Massa molar do metano na amostra: 16 x 0,43 = 6,88 mol O metano representa 4,93% em massa na amostra, loo, utilizando-se a equação () temos que: PCI= 1,477 k Embora existam incertezas associadas às medições da vazão de ás, vazão de áua, temperaturas e composição do bioás, o valor do poder calorífico obtido experimentalmente apresentou uma diferença de apenas 1,5% em relação ao valor obtido pela quantidade de metano da amostra. Para a determinação do poder calorífico do seundo aterro empreou-se o mesmo procedimento e a composição dos ases pode ser observada na tabela : Tabela : Composição, quantidade e massa molecular do bioás coletado no aterro B. Composição do bioás Quantidade Massa Molecular CH4 45,5% 16/mol O 0,4% 3/mol N 3,9% 8/mol CO 30,% 44/mol

6 6,7 y 8 de mayo de 009 O valor do poder calorífico inferior obtido por calorimetria foi de: PCI= 13,08 k O poder calorífico calculado levando-se em conta a quantidade de metano na amostra é apresentado a seuir: Massa molar do ás: 7,388 mol Massa molar do metano na amostra: 16 x 0,455 = 7,8 mol CH 4 O metano representa 6,58% em massa na amostra, loo, pela equação () temos que: PCI = 13,303 k A diferença entre o poder calorífico calculado por calorimetria e pela quantidade de metano na amostra foi de 1,66%. tilizando o princípio da propaação de erros proposta pelo método de Kleine e McClintock tem-se uma estimativa das incertezas associadas ao procedimento de medição utilizado Z = ± u + u un Equação (3) 1 n Aplicando este método na equação (1) tem-se que: = ± C p ( T T ) C ( T T ) s e ma & + a p s & m e m & ac p + Te ac p + Ts (4) Para o bioás coletado no aterro sanitário A, tem-se que: Vazão mássica de ás: = 1,095 /min com m & = 5% Vazão mássica de áua: a = 637, /min com ma & = 1% Temperatura de entrada da áua: Te = 5, C com Te = 1% Temperatura de saída da áua: Ts = 30,1 C Incerteza de medição associada a temperatura de saída da áua: Ts = 1%

7 6,7 y 8 de mayo de 009 Resolvendo a equação (4), conclui-se que: = ±1,03 k = ± 9,49% Para o bioás coletado no aterro sanitário B, tem-se que: Vazão mássica de ás: = 1,49 /min Incerteza de medição associada a vazão mássica de ás: m & = 5% Vazão mássica de áua: a = 641,1 /min Incerteza de medição associada a vazão mássica de áua: ma & = 1% Temperatura de entrada da áua: Te = 4,1 C Incerteza de medição associada a temperatura de entrada da áua: Te = 1% Temperatura de saída da áua: Ts = 30, C Incerteza de medição associada a temperatura de saída da áua: Ts = 1% Resolvendo a equação (4), conclui-se que: = ±1,064 k = ± 8,13% A tabela 3 apresenta os resultados finais do poder calorífico do bioás coletado nos dois aterros sanitários. Tabela 3: Resultados finais do poder calorífico do bioás coletado. PCI calculado por Incerteza associada ao calorimetria método de medição Aterro Sanitário A Aterro Sanitário B 1,671 k 13,08 k ±1,03 ±1,064 k k PCI calculado a partir da quantidade de metano na amostra 1,477 k 13,303 k

8 6,7 y 8 de mayo de 009 Os resultados obtidos comprovam o bom poder calorífico do bioás quando comparados, por exemplo, com o ás liquefeito de petróleo que, seundo dados do Centro de Tecnoloia do Gás (CTGÁS), apresenta poder calorífico inferior na ordem de 45,09. k CONCLSÕES A produção de bioás a partir de resíduos orânicos é um tema cada vez mais importante para o desenvolvimento sustentável da sociedade. O processo de biodiestão anaeróbia traz consio benefícios para o meio ambiente que não podem ser menosprezados e, por isso, estudos nesta área devem ser sempre incentivados. A análise do bioás erado em aterros sanitários comprovou a presença de altos índices de metano, deixando claro seu potencial de aproveitamento como forma alternativa na eração de eneria. Além disso, essa rande quantidade de metano presente no bioás produzido em aterros sanitários mostra que é fundamental o uso deste combustível, tanto como medida ambiental, evitando a emissão de metano na atmosfera, quanto como medida econômica, como na obtenção de créditos de carbono e eração de eneria. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AZEVEDO, Márcia Helena. Características, Produção e tilização do Bioás Produzido a Partir de Resíduos Orânicos. Dissertação para obtenção do título de mestre em enenharia. PROMEC. niversidade Federal do Rio Grande do Sul, CTGÁS. Dados e nidades de Conversão. Extraído do endereço na Internet: no dia 30/11/ INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Quinta Edição, p. 4. PECORA, Vanessa. Implantação de uma nidade Demonstrativa de Geração de Eneria Elétrica a Partir do Bioás do Tratamento Residencial de Esoto da SP - Estudo de Caso. Dissertação apresentada para obtenção de titulo de mestre em enenharia, SP, 006.