Guia técnico DWA-M 361

A utilização do biogás proveniente da fermentação de matéria orgânica continuará tendo um papel pre-ponderante na expansão das energias renováveis. O biogás gerado em ETEs, usinas de biogás agrícolas e estações de tratamento de resíduos, entre outras origens, pode ser utilizado diretamente na respectiva usina ou estação com a fi nalidade de aquecimento ou para a geração de energia. Opcionalmente, o biogás pode ser injetado como biometano na rede de distribuição de gás após ser devidamente tratado, recebendo, as-sim, um uso adicional independente do local de produção. A injeção na rede de gás oferece a vantagem de o aproveitamento energético ocorrer em um local em que tanto a energia elétrica quanto o calor gerado podem ser utilizados com elevada efi ciência. O pré-requisito para esse caminho, porém, é que o biogás seja tratado para atingir um elevado grau de pureza. Contudo, também outros usos do biogás exigem o tratamento do gás na forma bruta. Nos últimos tempos, inúmeras técnicas e processos de tratamento foram desenvolvidos e lançados no mercado alemão.

Esse guia técnico DWA-M 361 “Tratamento do Biogás” dá uma visão geral de processos possíveis e necessários para cada tipo de tratamento de biogás e suas combinações recomendadas. Para o planejamento e operação comercial de sistemas de tratamento, são fornecidas recomendações e informações não apenas relativas à injeção em redes de gás, mas também abrangendo outras destinações do biogás, tais como o uso em motores a gás e células de combustível.

ISBN 978-3-88721-218-6

German Association for Water, Wastewater and WasteDeutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.Theodor-Heuss-Allee 17 · 53773 Hennef · GermanyTel.: +49 2242 872-333 · Fax: +49 2242 872-100E-Mail: info@dwa.de · Internet: www.dwa.de

DWANormas e recomendações técnicas

German Association for Water, Wastewater and WasteDeutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.

Tratamento do Biogás

Outubro de 2011

Aufbereitung von Biogas

Publisher/Marketing:German Association for Water, Wastewater and WasteDeutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.Theodor-Heuss-Allee 17 · 53773 Hennef · GermanyTel.: +49 2242 872-333 · Fax: +49 2242 872-100E-Mail: info@dwa.de · Internet: www.dwa.de

DWANormas e recomendações técnicas

Guia técnico DWA-M 361Tratamento do Biogás

Outubro de 2011

Aufbereitung von Biogas

DWA-M 361

2 Outubro de 2011 Normas e recomendações técnicas – DWA

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 14.000 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 17 53773 Hennef, Alemanha Tel.: +49 2242 872-333 Fax: +49 2242 872-100 E-mail: info@dwa.de Internet: www.dwa.de

Tradução da Norma: Marcos Zattar Versão revista: Janeiro de 2011 Composição: DWA Impressão: Gráfica Köthen ISBN: 978-3-88721-218-6 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.

DWA-M 361

Normas e recomendações técnicas – DWA Outubro de 2011 3

Prefácio Em 2002, a comissão técnica AK-8 "Biogás" da DWA publicou o guia técnico DWA-M 363 "Origem, Tratamento e Utilização do Biogás" compilando os fundamentos técnicos para utilização do biogás de diversas origens. Com o acentuado crescimento do interesse pelo biogás no final dos anos 90, a produção desse recurso aumentou drasticamente. Aconteceu um rápido desenvolvimento das usinas agrícolas de biogás ao mesmo tempo em que se observou a ampliação da capacidade das estações de tratamento de resíduos e a otimização da produção de biogás de ETEs por meio do aproveitamento dos cossubstratos no processo. Com o aumento da produção aconteceu também a ampliação das áreas de aplicação: inicialmente utilizado principalmente em queimadores e motores a gás, hoje em dia há cada vez mais opções de utilização do biogás, como alimentação de células de combustível, combustível para veículos ou utilização do biogás na rede pública de fornecimento de gás – essa novas aplicações são muito mais exigentes quanto aos processos de tratamento.

Devido à crescente importância dos processos de tratamento do biogás, a comissão técnica AK-8 "Biogás" da DWA criou em 2008 o grupo de trabalho AK-8.3 "Tratamento do Biogás" e o incumbiu de elaborar o presente guia técnico DWA-M 361 "Tratamento do Biogás".

DWA-M 361

4 Outubro de 2011 Normas e recomendações técnicas – DWA

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

UFMG

Rotária do Brasil

Rotária do Brasil

Ministério das Cidades

SANEPAR

Hélinah Moreira GIZ

Humberto Belina CAESB

Marcos Montenegro

Mônica da Silva

ADASA-DF

CAESB

Renato Takahashi

Sebastian Rosenfeldt

SeMAE São José do Rio Preto

Rotária do Brasil

Valéria Ferreira COPASA

Victor Valente GIZ

Waldo Villani 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: www.cidades.gov.br/probiogas

DWA-M 361

Normas e recomendações técnicas – DWA Outubro de 2011 5

Autores Esse guia técnico foi elaborado pelo grupo de trabalho AK-8.3 "Tratamento do Biogás", a pedido e com a participação da comissão técnica AK-8 "Biogás" da DWA.

O grupo de trabalho AK-8.3 "Tratamento do Biogás" da DWA é composto pelos seguintes especialistas: BEIL, Michael Engenheiro (FH), Kassel

HEETKAMP, Jörg Engenheiro, Aachen

KLAAS, Uwe Quím., Bonn

POTT, Joachim Engenheiro, Ibbenbühren

ROSSOL, Daniel Geoecologista, Essen

SCHÄFER, Arnold Engenheiro, Hamburg (Porta-voz)

SPRICK, Achim Engenheiro, Lemgo

WÖFFEN, Bernhard Engenheiro, Aachen

A comissão técnica AK-8 "Biogás" da DWA é composta pelos seguintes especialistas:

BÖCKER, Karl Eng., Wuppertal

DICHTL, Norbert Prof. Dr. Eng., Braunschweig (Presidente)

FRECHEN, Franz-Bernd Prof. Dr. Eng., Kassel

HEETKAMP, Jörg Engenheiro, Aachen

KLAAS, Uwe Quím., Bonn

LOLL, Ulrich Dr. Eng., Darmstadt

MÜLLER, Volker Dr. Eng., Dresden

RETTENBERGER, Gerhard Prof. Dr. Eng., Trier

SCHÄFER, Arnold Eng., Hamburg

STEHLE, Roland Dr. rer.-nat., Heilbronn (Vice-presidente)

VOSS, Detlef Eng., Essen

Coordenador de projetos na sucursal nacional da DWA:

REIFENSTUHL, Reinhard Eng., Hennef Setor de Gestão Hídrica, Resíduos e Solos

DWA-M 361

6 Outubro de 2011 Normas e recomendações técnicas – DWA

Índice Prefácio 3 

Autores 4 

Índice 6 

Índice de tabelas .................................................................................................................................................. 8 

Nota ao leitor........................................................................................................................................................ 9 

Introdução ............................................................................................................................................................ 9 

1  Área de aplicação ................................................................................................................................ 9 

2  Conceitos ............................................................................................................................................. 9 

2.1  Definições ................................................................................................................................................9 

2.2  Abreviaturas e símbolos ...........................................................................................................................10 

3  Características do biogás bruto .......................................................................................................... 11 

4  Requisitos de qualidade para o bom aproveitamento do biogás ....................................................... 12 

4.1  Queima para geração de calor ..................................................................................................................12 

4.2  Injeção em redes locais de biogás .............................................................................................................12 

4.3  Injeção na rede pública de gás natural .....................................................................................................12 

4.4  Operação de motores a gás estacionários .................................................................................................14 

4.5  Operação de turbinas ...............................................................................................................................14 

4.5.1  Microturbinas a gás (MTG) ......................................................................................................................14 

4.5.2  Turbinas a gás ..........................................................................................................................................15 

4.6  Postos de abastecimento para utilização em motores de veículos .............................................................15 

4.7  Operação de células de combustível .........................................................................................................17 

5  Processos de tratamento ..................................................................................................................... 17 

5.1  Desumidificação/secagem ........................................................................................................................17 

5.1.1  Filtros de gás ............................................................................................................................................18 

5.1.2  Compressão..............................................................................................................................................18 

5.1.3  Resfriamento ............................................................................................................................................19 

5.1.4  Adsorção ..................................................................................................................................................19 

5.2  Dessulfurização ........................................................................................................................................19 

5.2.1  5.2.1 Biodessulfurização ..........................................................................................................................20 

5.2.1.1  Reator de filtro biológico percolador ................................................................................................. 20 

5.2.1.2  Injeção de ar no biodigestor .....................................................................................................................20 

5.2.2  5.2.2 Processo de dessulfurização químico-físico ......................................................................................21 

5.2.2.1  Dosagem de ferro simultânea ............................................................................................................. 21 

5.2.2.2  Óxido de ferro ..........................................................................................................................................22 

5.2.2.3  Adsorção por carvão ativado .............................................................................................................. 22 

5.2.2.4  Soda cáustica ...................................................................................................................................... 23 

5.2.2.5  Óxido de zinco .........................................................................................................................................23 

5.3  Eliminação do siloxano ............................................................................................................................24 

5.2.3  Adsorção por carvão ativado ....................................................................................................................24 

DWA-M 361

Normas e recomendações técnicas – DWA Outubro de 2011 7

5.2.4  Resfriamento ............................................................................................................................................ 24 

5.2.5  Congelamento (método criogênico) ......................................................................................................... 24 

5.2.6  Lavagem .................................................................................................................................................. 25 

5.3  Enriquecimento de metano ...................................................................................................................... 25 

5.3.1  Adsorção com modulação de pressão (PSA) por meio de peneiras moleculares ....................................... 25 

5.3.2  Lavagem com água pressurizada (LAP) .................................................................................................... 26 

5.3.3  Absorção física com solventes orgânicos .................................................................................................. 26 

5.3.4  Absorção química com solventes orgânicos .............................................................................................. 27 

5.3.5  Processo de separação por membranas .................................................................................................... 29 

5.3.6  Métodos criogênicos ................................................................................................................................. 29 

5.3.7  Tratamento do gás residual ...................................................................................................................... 29 

5.4.7.1  Oxidação térmica regenerativa (RTO) ...................................................................................................... 29 

5.4.7.2  Pós-combustão catalítica .................................................................................................................... 29 

5.4.7.3  Aproveitamento de mistura pobre de gases ....................................................................................... 30 

5.3.8  Custos ...................................................................................................................................................... 30 

5.4  Geração de hidrogênio ............................................................................................................................. 31 

5.5  Resíduos do tratamento ........................................................................................................................... 31 

6  Legislação de licenciamento ............................................................................................................... 32 

Anexo A  Qualidade, requisitos e métodos de tratamento do biogás ................................................................ 33 

Anexo A.1  Qualidades do biogás ............................................................................................................................... 33 

7  Anexo A.2 Requisitos de qualidade do biogás conforme a utilização ................................................ 34 

Anexo A.3  Indicação de processos de tratamento ...................................................................................................... 36 

Anexo B  Auxílios de cálculo .............................................................................................................................. 37 

Anexo B.1  Conversões ............................................................................................................................................... 37 

Anexo B.2  Cálculo do teor de silício no gás de esgoto ............................................................................................... 38 

Anexo B.3  Determinação dos poderes caloríficos inferior e superior ......................................................................... 38 

Anexo B.4  Conversão no caso de variações de temperatura e pressão ....................................................................... 38 

Anexo B.5  Densidade normal e poderes caloríficos inferiores de gases ..................................................................... 40 

Legislação alemã e europeia ................................................................................................................................ 41 

Normas técnicas ................................................................................................................................................... 41 

Normas DIN ............................................................................................................................................................... 41 

Normas e recomendações técnicas - DWA .................................................................................................................. 41 

Normas e recomendações técnicas – DVGW: ............................................................................................................... 41 

Literatura 42 

Aquisição 42 

DWA-M 361

8 Outubro de 2011 Normas e recomendações técnicas – DWA

Índice de figuras Figura 1: Tratamento necessário para aproveitamento do biogás de esgoto de acordo com o tipo de célula de

combustível (DWA-M 299) ............................................................................................................................. 18

Figura 2: Fluxograma de processos – adsorção com modulação de pressão com quatro unidades de adsorção (ISET 2008) .............................................................................................................................................................. 26

Figura 3: Fluxograma de processos – lavagem com água pressurizada e regeneração (ISET 2008) ................................ 27

Figura 4: Fluxograma de processos – absorção química com solventes orgânicos (ISET 2008) ....................................... 28

Figura B.1: Volume de 1 m3n de ar a pressão constante em função da temperatura ....................................................... 39

Figura B.2: Volume de 1 m3n de ar a temperatura constante em função da pressão ....................................................... 39

Índice de tabelas Tabela 1: Requisitos de gases combustíveis ricos em metano ........................................................................................ 13

Tabela 2: Requisitos da norma DIN 51624 para o uso de gás natural como combustível ............................................. 16

Tabela 3: Custos de investimento de métodos selecionados para o tratamento de biogás com diferentes capacidades .................................................................................................................................. 30

Tabela B.1: Volume molar de gases ideais ........................................................................................................................ 37

DWA-M 361

Normas e recomendações técnicas – DWA Outubro de 2011 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.

Introdução Para que a energia do biogás possa ser aproveitada, normalmente é necessário que ele seja submetido a um processo de tratamento. Devido ao especial crescimento das áreas de utilização do biogás nos últimos anos e a exigências cada vez maiores da indústria, além dos métodos de tratamento já consagrados existem diversas novas técnicas desenvolvidas e introduzidas no mercado.

O grupo de trabalho da AK-8.3 "Tratamento do Biogás" da DWA apresenta esse guia técnico com uma visão geral sobre os procedimentos técnicos possíveis e necessários e suas combinações. Este guia descreve o estado atual da técnica e sua utilização prática.

1 Área de aplicação O guia técnico contém recomendações e informações para o planejamento de sistemas de tratamento de biogás funcionais e sua operação comercial.

Para isso, a seguir são apresentadas as indicações relevantes para o planejamento e operação na área de aplicação de tratamento de biogás. São indicadas faixas de valores utilizadas na 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

2 Conceitos

2.1 Definições

Gás substituto

Mistura gasosa que apresenta comportamento de queima equivalente ao do gás básico, embora apresente composição e dados característicos distintos do gás básico, quando sob pressão igual e configuração equivalente de equipamentos. O gás substituto pode ser utilizado no lugar do gás básico.

Biometano

Biogás tratado com qualidade equivalente à do gás natural.

Quimiolitotrofia

Reação química de massa inorgânica para produção de energia.

Gás básico

Gás normalmente distribuído em uma área de abastecimento.

Escape de metano

Escape de metano é o percentual do metano presente no biogás bruto que não é transferido para o gás resultante durante o tratamento.

Perda de metano

Perda de metano é o percentual do metano presente no biogás bruto que não é transferido para o gás final durante todo o processo (geração de biogás, tratamento e injeção).