Aproveitamento energético de combustíveis derivados de

Aproveitamento energético de combustíveis
derivados de resíduos via co-gasificação térmica
Autores:
Octávio Alves, Paulo Brito, Margarida Gonçalves, Eliseu Monteiro
Novembro de 2015
1. Objetivos
 Identificar a origem e composição de lamas e de combustíveis derivados de
resíduos (CDR).
 Expor os métodos de tratamento dos resíduos e os prós e contras de cada um.
 Apresentar os objetivos e as tarefas a realizar no presente trabalho.
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2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR
 Lamas: geradas por sedimentação de matéria (orgânica e outros sólidos) nas
estações de tratamento de águas residuais (ETAR’s):
Efluente
Tratamento
primário
Gradagem
Filtração
(câmara
areia)
Decantação
primária
Tratamento
secundário
Lamas
ativadas
Decantação
secundária
Lama reutilizada
Lama residual para
valorização / eliminação
Tratamento
avançado
Remoção N
Remoção P
Água
tratada
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2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
 Composição das lamas:
− variável consoante o tratamento e a origem das águas residuais;
− constituição típica:
Elemento
Fração (%)
Lama primária
Lama secundária
Fração sólida
6
0,8 a 1,2
Óleos e gorduras
0,8 a 4,5
0,04 a 0,14
Proteínas
1,2 a 1,8
0,3 a 0,5
Sílica
0,9 a 1,2
-
Celulose
0,5 a 0,9
-
Azoto
0,09 a 0,24
0,02 a 0,06
P2O5
0,05 a 0,17
0,02 a 0,13
(fonte: Metcalf & Eddy, 2004)
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2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
 Combustíveis derivados de resíduos (CDR): matéria orgânica resultante da
triagem de resíduos não perigosos urbanos ou industriais, com elevado PCI.
 50 % a 55 % dos resíduos sólidos urbanos tem potencial para constituir CDR’s.
 Destinos habituais são a incineração e a deposição em aterro.
 Exemplo de composição (resíduo seco):
Composto
Parcela (%)
Alimentos e vegetais
12,3
Papel e cartão
28,6
Plásticos
30,6
Madeira
3,3
Têxteis
8,3
Metal
5,8
Outros
11,1
(fonte: Gallardo et al, 2014)
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2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
 Resíduos gerados em Portugal (2013):
Outros
7,7%
Solo
8,7%
Químico
3,5% Lama
9,0%
Mineral
12,4%
Metálico
21,8%
Construção
e demolição
6,3%
Vidro
3,7%
Triado
3,9%
Não
diferenciado
5,6%
Madeira
6,4%
Plástico
3,9%
Papel e
cartão
7,2%
(fonte: INE)
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2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)
 Discriminação dos resíduos de lamas e CDR (2013):
Lamas
CDR
Tipo
Quantidade (t)
Tipo recolha
Quantidade (t)
Lamas efluentes industriais
226 192
Triagem recicláveis
120
Lamas tratamento resíduos
187 347
31 982
Lamas comuns
595 764
Tratamento mecânico e / ou
biológico
Lamas dragagem
3
Lamas
comuns
59,0%
Lamas
draga.
0,0%
Lamas
indust.
22,4%
Lamas
resíduos
18,6%
(fonte: INE)
Triagem
recicláveis
0,4%
Trat.
mecânico
e/ou
biológico
99,6%
(fonte: APAmbiente)
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3. Processos de valorização de lamas e CDR
 Deposição em aterro: solução de último recurso para eliminação de resíduos,
devido a vários inconvenientes:
- ocupação de grandes áreas de terreno;
- contaminação de águas subterrâneos;
- modificação da fauna e flora locais;
- desperdício de recursos.
 Os esforços são agora canalizados para outras opções:
- prevenção na produção de resíduos;
- reutilização dos materiais;
- valorização energética.
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Possíveis tratamentos de valorização:
Digestão
anaeróbia
Gasificação
Compostagem
Tratamentos
de
valorização
Pirólise
Incineração
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Digestão anaeróbia:
− método: decomposição da matéria orgânica por ação de microrganismos num
ambiente pobre em Oxigénio:
Compostos
orgânicos
complexos
Reações
enzimáticas
Compostos
orgânicos
simples
Ação
microbiológica
(fermentação)
Ácidos
orgânicos
Ação
microbiológica
(metanogénese)
CH4, CO2,
produtos
estáveis
− esquema da tecnologia:
Gases (CH4, CO2)
Biomassa
(lama ou CDR)
Calor
Gases
Lama em
agitação
Tanque
biodigestor
Desidratação
Produto
final seco
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Digestão anaeróbia (cont.):
− aspeto dos tanques de digestão:
− vantagens e desvantagens:
Vantagens
Desvantagens
 Aproveitamento do CH4 para
 Sensibilidade do processo a
produção energia.
variações de temperatura e pH.
 Produto digerido aplicado como
 Restrições legais ao uso como
fertilizante.
fertilizante.
 Menor massa de matéria sólida final.  Odores produzidos.
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Compostagem:
− método: decomposição da matéria orgânica por ação de microrganismos e
pequenos insetos em ambiente oxigenado:
Mistura lamas e
resíduos orgânicos
urbanos
Formação
pilhas para
compostagem
Decomposição
microbiológica
(25 ºC a 70 ºC)
Substrato
digerido
Oxigenação:
rotação pilhas;
ventilação forçada.
− vantagens e desvantagens:
Vantagens
 Utilização do substrato final como
fertilizante.
 Sem grandes requisitos de segurança.
 Secagem parcial das lamas.
Desvantagens
 Processo moroso (meses).
 Substrato pobre em N, P e K.
 Restrições legais ao emprego
como fertilizante.
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Incineração:
− método: combustão da matéria orgânica a alta temperatura (850 ºC a 950 ºC),
com pós-tratamento aos gases libertados:
Biomassa
Combustível
Câmara
combustão
rotativa
Gases
impuros
Câmara
combustão
secundária
Gases
impuros
Purificação
gases:
aspersão água;
ciclone.
Gases
purificados (para
atmosfera)
Cinzas e
outros sólidos
− vantagens e desvantagens:
Vantagens
Desvantagens
Grande redução do volume de lamas
(até 90 %).
Recuperação de energia das câmaras
(aquecimento ou energia elétrica).
Eliminação eficiente de patogénicos.
Necessário tratamento intensivo dos
gases.
Requer pessoal especializado.
Muitos obstáculos contra a localização
das instalações.
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Pirólise:
− método: decomposição térmica da matéria (entre 300 ºC e 900 ºC), num meio
com pouco O2 (até 10 % da quantidade para combustão completa);
− tecnologia e produtos obtidos:
Constituição produtos
Fase
Compostos lamas
Compostos CDR
Gasosa
combustível
H2 (40 %),
CH4 (21 %)
HC's simples (26 %),
CH4 (7 %), H2 (4 %)
Líquida
Óleo, alcatrão,
água, metanol
Óleo
Sólida
Cinzas e char (rico em C)
(fonte: Kluska et al, 2014; Furness et al, 2000)
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Pirólise (cont.):
− estágios do processo:
Char, alcatrão,
gases
Matéria
volátil
Biomassa
desidratada
Compostos
intermédios
Vaporização
Calor (< 200 ºC)
Decomposição
primária
Gases
Compostos
intermédios
Calor (200 ºC a 350 ºC)
Decomposição
secundária e final
Char
final
Calor (350 ºC a 900 ºC)
− vantagens e desvantagens:
Vantagens
Desvantagens
Concentração dos metais pesados no char.
Calor gerado é suficiente para alimentar o
processo.
Maior PCI do gás (13 a 28 MJ/m3).
Necessita de lamas com baixo teor de
humidade (15 %).
Muitos produtos para pós-processamento.
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Gasificação:
− método: transformação por oxidação parcial da matéria orgânica em gases
combustíveis, num meio com:
• conteúdo em O2: 20 % a 40 % do valor para combustão completa;
• temperatura: 800 ºC a 1400 ºC.
− fases do processo:
H2O (g)
H2O (g)
H2O (g)
Biomassa
húmida
Secagem
Pirólise
Biomassa
seca
Calor
(150 ºC)
Reações
gasificação:
oxidação C;
cracking.
Calor
(400 ºC
a 800 ºC)
Cinzas
e char
Gases
Purificação:
ciclone;
filtro;
catalisadores.
Gases
finais
O2
Combustível
para arranque
Calor
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Gasificação (cont.):
− tipos de gasificadores:
Leito fixo co-corrente
Leito fixo contracorrente
Biomassa
Biomassa
Leito fluidizado
Gases
Gases
Zona
pirólise
Ar
Zona
gasificação
Gases
Zona
pirólise
Ar
Cinzas
e char
Biomassa
Ar
Zona
gasificação
Ar
Leito
Cinzas
e char
Cinzas
e char
− produtos resultantes:
Fase
Gasosa combustível
Sólida
Composição
Lamas
CDR
H2 (10 %), CH4 (2 %)
H2 (13 %), CH4 (11 %)
Cinzas e char
(fonte: Manara et al,
2012)
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3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)
 Gasificação (cont.):
− linhas recentes de investigação:
• gasificação água supercrítica → menos energia para secagem;
• mistura lamas com carvão / pellets → maior PCI e menos poluentes gasosos;
• uso de catalisadores (NaOH, Ni, CaO) → mais H2 e menos alcatrão e char.
− vantagens e desvantagens:
Vantagens
Uso de lamas mais húmidas (até 75 %).
Menos produtos gerados (char e gases).
Apropriado para implantação nas ETAR's.
Desvantagens
Gás resultante com menor poder
calorífico (4 a 6 MJ/m3).
Maiores temperaturas → maior
resistência térmica dos equipamentos.
Pode originar mais cinzas nos gases.
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4. Descrição do presente trabalho
 Objetivos a alcançar:
− desenvolver um método para obtenção de um syngas a partir da co-gasificação
de misturas de lamas e CDR.
 Tarefas propostas:
− analisar a composição e o poder calorífico dos resíduos;
− avaliar o efeito da torrefação como pré-tratamento dos resíduos;
− testar a co-gasificação de várias misturas, com e sem catalisadores;
− otimizar o processo com vista à redução de contaminantes;
− projetar e avaliar a viabilidade de uma instalação para tratamento dos resíduos.
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5. Conclusões
 Grande produção de lamas e CDR → potencia maior valorização energética.
 Pirólise e gasificação → tecnologias promissoras, limpas e com muitos aspetos a
investigar ou melhorar.
 Gasificação → processo atrativo para tratamento de lamas + CDR.
 Presente trabalho pode tirar partido de todos estes aspetos.
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FIM
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!
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