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):

3

Tratamento

primário

Gradagem

Filtração

(câmara

areia)

Efluente Decantação

primária

Tratamento

secundário

Lamas

ativadas

Decantação

secundária

Tratamento

avançado

Remoção N

Remoção P

Água

tratada

Lama reutilizada

Lama residual para

valorização / eliminação

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:

4

ElementoFração (%)

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)

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):

5

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)

2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)

Resíduos gerados em Portugal (2013):

6

Químico3,5% Lama

9,0%

Metálico21,8%

Vidro3,7%

Papel e cartão7,2%

Plástico3,9%

Madeira6,4%

Não diferenciado

5,6%

Triado3,9%

Construção e demolição

6,3%

Mineral12,4%

Solo8,7%

Outros7,7%

(fonte: INE)

2. Origem e composição dos resíduos de lamas e de CDR (cont.)

Discriminação dos resíduos de lamas e CDR (2013):

7

Lamas

Tipo Quantidade (t)

Lamas efluentes industriais 226 192

Lamas tratamento resíduos 187 347

Lamas comuns 595 764

Lamas dragagem 3

Lamas indust.22,4%

Lamas resíduos18,6%

Lamas comuns59,0%

Lamas draga.0,0%

CDR

Tipo recolha Quantidade (t)

Triagem recicláveis 120

Tratamento mecânico e / ou

biológico31 982

(fonte: INE)

Triagem recicláveis

0,4%

Trat. mecânico

e/ou biológico99,6%

(fonte: APAmbiente)

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.

8

3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)

Possíveis tratamentos de valorização:

9

Tratamentos de

valorização

Digestão anaeróbia

Compostagem

IncineraçãoPirólise

Gasificação

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:

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Biomassa

(lama ou CDR)

Calor

Gases

Lama em

agitação Desidratação

Tanque

biodigestor

Produto

final seco

Gases (CH4, CO2)

Compostos

orgânicos

complexos

Compostos

orgânicos

simples

Ácidos

orgânicos

CH4, CO2,

produtos

estáveis

Reações

enzimáticas

Ação

microbiológica

(fermentação)

Ação

microbiológica

(metanogénese)

− esquema da tecnologia:

3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)

Digestão anaeróbia (cont.):

− aspeto dos tanques de digestão:

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Vantagens Desvantagens

Aproveitamento do CH4 para

produção energia.

Produto digerido aplicado como

fertilizante.

Menor massa de matéria sólida final.

Sensibilidade do processo a

variações de temperatura e pH.

Restrições legais ao uso como

fertilizante.

Odores produzidos.

− vantagens e desvantagens:

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:

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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 Desvantagens

Utilização do substrato final como

fertilizante.

Sem grandes requisitos de segurança.

Secagem parcial das lamas.

Processo moroso (meses).

Substrato pobre em N, P e K.

Restrições legais ao emprego

como fertilizante.

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:

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Biomassa Câmara

combustão

rotativaCombustível

Câmara

combustão

secundária

Purificação

gases:

aspersão água;

ciclone.

Gases

purificados (para

atmosfera)

Gases

impuros

Cinzas e

outros sólidos

Gases

impuros

− 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.

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:

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Constituição produtos

Fase Compostos lamas Compostos CDR

Gasosa

combustível

H2 (40 %),

CH4 (21 %)

HC's simples (26 %),

CH4 (7 %), H2 (4 %)

LíquidaÓleo, alcatrão,

água, metanolÓleo

Sólida Cinzas e char (rico em C)

(fonte: Kluska et al, 2014; Furness et al, 2000)

3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)

Pirólise (cont.):

− estágios do processo:

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Vaporização

Compostos

intermédiosBiomassa

desidratada

Matéria

volátil

Calor (< 200 ºC)

Decomposição

primária

Char, alcatrão,

gases

Calor (200 ºC a 350 ºC)

Decomposição

secundária e final

Compostos

intermédios

Calor (350 ºC a 900 ºC)

Gases

Char

final

− 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.

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:

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SecagemBiomassa

húmida

Reações

gasificação:

oxidação C;

cracking.Pirólise

Biomassa

seca

H2O (g)

Purificação:

ciclone;

filtro;

catalisadores.

O2

Combustível

para arranque

Cinzas

e char

CalorCalor

(150 ºC)

Calor

(400 ºC

a 800 ºC)

H2O (g)

H2O (g)

Gases Gases

finais

3. Processos de valorização de lamas e CDR (cont.)

Gasificação (cont.):

− tipos de gasificadores:

17

Zona

pirólise

Zona

gasificação

Ar Ar

Biomassa

Gases Cinzas

e char

Leito fixo co-corrente

Zona

pirólise

Zona

gasificação

Biomassa

Ar Cinzas

e char

Leito fixo contracorrente

Gases

Ar

Cinzas

e char

Leito fluidizado

Gases

Biomassa Leito

FaseComposição

Lamas CDR

Gasosa combustível H2 (10 %), CH4 (2 %) H2 (13 %), CH4 (11 %)

Sólida Cinzas e char

− produtos resultantes:

(fonte: Manara et al,

2012)

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:

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Vantagens Desvantagens

Uso de lamas mais húmidas (até 75 %).

Menos produtos gerados (char e gases).

Apropriado para implantação nas ETAR's.

Gás resultante com menor poder

calorífico (4 a 6 MJ/m3).

Maiores temperaturas → maior

resistência térmica dos equipamentos.

Pode originar mais cinzas nos gases.

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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