msc_cabvsilva - suldouro

UNIVERSIDADE DE TRS TRS-OS-MONTES E ALTO DOURO MONTES

ESCOLA DE CINCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS

Limpeza e Purificao de Biogs

Cludio Alexandre Batista Veloso e Silva

Julho de 2009

Dissertao apresentada Universidade de Trs-os-Montes e Alto Douro para obteno do grau de Mestre em Engenharia Mecnica, realizada sob a orientao cientfica do Professor Nuno Afonso Moreira e Co-orientao cientfica do Professor Doutor Amadeu Borges, ambos do Departamento de Engenharias da Escola de Cincias e Tecnologia da Universidade de Trs-os-Montes e Alto Douro.

Dedico este trabalho aos meus pais, Jos Silva e Ana Batista, Pois a vocs, devo tudo o que sou hoje s minhas manas, Solange e Vanda Continuem sempre assim minha querida Martha, Obrigado por toda a pacincia dedicao e compreenso Obrigado por seres assim to especial

A todos o meu Muito Obrigado

Agradecimentos

Ao Prof. Nuno Moreira, expresso a minha gratido pelo interesse e dedicao que sempre demonstrou durante a realizao deste trabalho, pelos comentrios sempre oportunos e pela completa disponibilidade que sempre demonstrou. Ao Prof. Doutor Amadeu Borges, que sempre que possvel se mostrou disponvel para aconselhamento e esclarecimento de todas as dvidas existentes durante a realizao deste trabalho. Suldouro, por fornecimento de material, o qual permitiu valorizar de forma significativa o presente trabalho. A todos os Professores do Departamento de Engenharia Mecnica, pelo exemplo e pela sua excelente relao com os alunos. A todos os colegas e amigos que ajudaram de forma directa ou indirecta na realizao do presente trabalho.

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Resumo

A intensa participao das fontes no renovveis na oferta mundial de energia constitui um desafio para a sociedade, na busca por fontes alternativas de energia. E isso no pode demorar a ocorrer, sob o risco de o mundo, literalmente, entrar em colapso, pelo menos se for mantido o actual modelo de desenvolvimento, em que o petrleo tem uma importncia vital. Actualmente, despontam novas fontes de energia que podero, no futuro, desempenhar o papel que o petrleo desempenhou at o momento, tais como: a energia solar, o hidrognio, a elica, a biomassa, biogs, entre outras. Uma das formas mais interessantes a utilizao do biogs como fonte alternativa de energia, principalmente em plos agro-pecurios, aterros, etars, nos quais, h uma imensa disponibilidade de resduos que poderiam ser transformados em bioenergia, reduzindo, assim, os custos de produo e os impactos ambientais gerados pelo despejo directo desses resduos na natureza. Nestes sistemas, existem diversas formas de aproveitamento do biogs tanto na gerao de calor quanto na gerao de energia elctrica, em conjuntos motogerador. Entretanto, necessita-se de um maior desenvolvimento tecnolgico no sentido de um melhor aproveitamento e melhoria da eficincia durante o uso do biogs. Uma das formas utilizadas para melhoria do aproveitamento do biogs consiste em eliminar da sua composio substncias corrosivas, como o cido sulfdrico e que reduzam o poder calorfico, como o CO2 (dixido de carbono). Para uma maior eficincia e rentabilidade da utilizao desta fonte de energia renovvel, necessrio saber qual a sua utilizao final, para desta forma se poder seleccionar um dos processos de purificao e limpeza que seja o mais adequado.

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Abstract

The intense involvement of non-renewable sources in global energy supply is a challenge to society in the search for alternative energy sources. This fact can not take the place, under the risk of the world, literally go into collapse, at least currently, were the development model shows the oil as vital. Today, new sources of energy emerge, for the future to play the role of oil, such as solar energy, hydrogen, wind, biomass, biogas, among others. One of the most interesting of these sources its the use of biogas as an alternative source of energy, especially in agro-livestock centers, landfills, where there is a huge availability of waste that could be turned into bioenergy, reducing the costs of production and environmental impacts generated by the direct dumping of waste in nature. In these systems, there are various forms of exploitation of biogas to generate heat as well as to generate electricity in generator. However, need is a further technological development towards a better recovery and improved efficiency in the use of biogas. One of the ways used to improve the use of biogas is to eliminate the composition of corrosive substances such as hydrogen sulphide that reduce the calorific value of biogs, such as CO2 (carbon dioxide). For greater efficiency and profitability of the use of this renewable energy source, we must know what their purpose, thus being able to select one of the processes of purification and cleansing that is most appropriate.

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ndice

Agradecimentos..............................................................................................i Resumo..........................................................................................................ii Abstract ........................................................................................................iii ndice ............................................................................................................iv ndice de tabelas ..........................................................................................vii ndice de figuras .........................................................................................viii

Captulo 1 Politicas de Renovveis e Biogs.................................................................. 11.1 Directiva 55/2003................................................................................................................ 3 1.2 Objectivos para 2020........................................................................................................... 4 1.3 Objectivos ........................................................................................................................... 6 1.4 Contedo do trabalho .......................................................................................................... 6

Captulo 2 Bio-recursos................................................................................................... 82.1 Biomassa animal ................................................................................................................. 9 2.2 Biomassa florestal ............................................................................................................. 10 2.3 Biomassa agrcola ............................................................................................................. 10 2.4 Biomassa do sector pesqueiro ........................................................................................... 11

Captulo 3 Biodigestores...............................................................................................12iv

3.1 Biodigestor de abastecimento contnuo............................................................................. 15 3.1.1 Modelo indiano .......................................................................................................... 15 3.1.2 Modelo chins ............................................................................................................ 17 3.2 Biodigestor de batelada ou de fluxo no contnuo ............................................................ 19

Captulo 4 Biodigesto..................................................................................................214.1 Fases da digesto anaerbia .............................................................................................. 23 4.1.1 Hidrlise..................................................................................................................... 23 4.1.2 Acidognese ............................................................................................................... 23 4.1.3 Acetognese ............................................................................................................... 24 4.1.4 Metanognese............................................................................................................. 25 4.2 Estudos referentes digesto anaerbia............................................................................ 27

Captulo 5 Biogs..........................................................................................................285.1 Biogs de aterro................................................................................................................. 31 5.2 Biogs de etar.................................................................................................................... 37 5.3 Biogs de exploraes agro-pecurias .............................................................................. 38 5.4 Biogs de CVO ................................................................................................................. 39 5.5 Produo de biogs............................................................................................................ 39 5.6 Aproveitamento de biogs e sua valorizao .................................................................... 40 5.6.1 Energia injectada na rede nacional de energia elctrica............................................. 41 5.6.2 Biometano injectado na rede nacional de gs natural ................................................ 42 5.6.3 Biogs liquefeito para utilizao em veculos adaptados ........................................... 47 5.7 Entidades envolvidas na produo e distribuio do biometano....................................... 51 5.7.1 Fornecimento de biomassa ......................................................................................... 52 5.7.2 Produo de Biogs.................................................................................................... 52 5.7.3 Comercializador de biogs ......................................................................................... 52 5.7.4 Operador da rede de distribuio................................................................................ 53 v

5.8 Produo de biogs na Europa .......................................................................................... 54

Captulo 6 Processos de purificao de biogs ............................................................. 576.1 Purificao por membrana ................................................................................................ 58 6.2 Purificao utilizando WS................................................................................................. 59 6.3 Purificao utilizando PSA ............................................................................................... 60 6.4 Purificao utilizando tecnologia criognica .................................................................... 62 6.5 Purificao utilizando CO2 Wash...................................................................................... 65

Captulo 7 Caso de estudo............................................................................................. 707.1 Requisitos para CVO......................................................................................................... 70 7.2 Proposta de instalao ....................................................................................................... 72 7.3 Estudo de viabilidade ........................................................................................................ 82 7.3.1 Custo de produo do biogs...................................................................................... 82 7.3.2 Investimento ............................................................................................................... 83 7.3.3 Venda de Biometano .................................................................................................. 84

Captulo 8 Concluses................................................................................................... 86 Anexos.........................................................................................................91

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ndice de tabelas

Tabela 1 - Potencial energtico mximo de biomassa animal em Portugal. .................. 9 Tabela 2 - Potencial disponvel de biomassa florestal em Portugal............................ 10 Tabela 3 - Energia potencial contida em resduos agrcolas em Portugal. .................. 11 Tabela 4 - Desenvolvimento histrico da tecnologia de biodigesto anaerbia. .......... 27 Tabela 5 - Composio qumica do biogs tpico. ................................................... 28 Tabela 6 - Composio de biogs de diferentes fontes............................................. 30 Tabela 7 - Relao comparativa de 1m3 de biogs com combustveis usuais. ............. 30 Tabela 8 - Contribuio do biogs para o efeito de estufa. ....................................... 36 Tabela 9 - Necessidade de remoo de gases e de outros componentes do biogs....... 41 Tabela 10 - Estado da utilizao e abastecimento de LBG em veculos. .................... 51 Tabela 11 - Empresas nacionais a operar no SNGN. ............................................... 54 Tabela 12 - Temperaturas de condensao presso atmosfrica, para os diferentes constituintes do biogs......................................................................................... 63 Tabela 13 - Garantias de produo e composio do biogs. .................................... 71 Tabela 14 - Tarifa paga mediante a finalidade do biogs. ........................................ 87 Tabela 15 - Receita para o presente caso de estudo, mediante a finalidade do biogs. . 87

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ndice de figuras

Figura 1 - Montagem de um biodigestor. ............................................................... 13 Figura 2 - Biodigestor em funcionamento. ............................................................. 13 Figura 3 - Esquema biodigestor, ........................................................................... 14 Figura 4 - Vista frontal de um biodigestor, modelo Indiano. .................................... 16 Figura 5 - Vista em corte de um biodigestor, modelo Indiano................................... 17 Figura 6 - Vista frontal de um biodigestor, modelo chins. ...................................... 18 Figura 7 - Vista em corte de um biodigestor, modelo chins. ................................... 19 Figura 8, Vista frontal de um biodigestor de batelada.............................................. 20 Figura 9 - Vista em corte de um biodigestor de batelada.......................................... 20 Figura 10 - Processo de digesto anaerbia. ........................................................... 21 Figura 11 - Esquema da digesto anaerbia da matria orgnica............................... 22 Figura 12 - Vista gerar de um aterro sanitrio......................................................... 32 Figura 13 - Colocao de geomembrana de PEAD em aterro sanitrio. ..................... 33 Figura 14, Recolha de biogs nos poos de drenagem. ............................................ 33 Figura 15 - Rede de colecta de biogs. .................................................................. 34 Figura 16 - Grupo de geradores a biogs................................................................ 35 Figura 17 - Diagrama de um sistema de cogerao.................................................. 37 Figura 18 - Grupo motogerador a biogs................................................................ 38 Figura 19 - Sistema nacional de gs natural (SNGN). ............................................. 43 Figura 20 - Redes de distribuio abastecidas por UAC........................................... 46viii

Figura 21 - Redes de distribuio ligadas rede de transporte.................................. 47 Figura 22 - Abastecimento de veculo movido a LBG. Fonte: .................................. 50 Figura 23 - Pormenor do veculo movido a LBG. ................................................... 50 Figura 24 - Produo de biogs na Europa. ............................................................ 55 Figura 25 - Centrais de purificao de biogs com injeco na rede de Gs natural na Europa. .............................................................................................................. 56 Figura 26 - Esquema de um filtro de membrana. .................................................... 59 Figura 27 - Esquema de purificao (Water scrubbin). ............................................ 60 Figura 28 - Esquema de captao de impurezas do biogs PSA (Pressure Swing Adsorption). ....................................................................................................... 61 Figura 29 - Esquema de purificao PSA (Pressure Swing Adsorption). ................... 62 Figura 30 - Esquema de purificao (CBG & LBG Cryogenic technology) ............... 64 Figura 31 - Esquema de purificao (CO2 Wash).................................................... 65 Figura 32 - Comparao da perda de CH4 em processos de purificao..................... 68 Figura 33 - Poupana de Energia (%) utilizando Cryogenic Technology. .................. 69 Figura 34 - Localizao da implementao da CVO no aterro de Sermonde. ............. 70 Figura 35 - Unidade de enriquecimento de biogs, BGA 500. .................................. 81 Figura 36 - Esquema de uma unidade de enriquecimento de biogs, 2x BGA 1000. ... 81

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Captulo 1

Politicas de Renovveis e Biogs

Aps a ratificao do Protocolo de Quioto, onde assumiu o compromisso de reduzir a emisso de gases que contribuem para o efeito de estufa, a Unio Europeia fixou como objectivo duplicar, no espao de dez anos, a quota de utilizao de energias renovveis. Estabeleceu, deste modo, as seguintes metas indicativas globais para a produo de energia, em 2010, a partir de fontes renovveis: 12% do consumo nacional bruto de energia; 22,1% da electricidade produzida. Como o potencial de explorao de fontes de energia renovveis no se encontra suficientemente aproveitado na Unio Europeia, esta reconhece, atravs da Directiva 2001/77/CE, a necessidade de se promover sua produo, tanto mais que essa explorao contribui para a proteco do ambiente e o desenvolvimento sustentvel. Alm disso, a explorao dessas energias pode gerar novos postos de trabalho a nvel local (e, por essa via, apresentar impactos positivos ao nvel da coeso econmica, social e territorial), contribuir para a segurana do abastecimento, tornando, ento, possvel a consecuo dos objectivos estabelecidos em Quioto. Assim sendo, cada Estado Membro deve tomar as medidas apropriadas para promover o aumento do consumo de electricidade produzida a partir de fontes de energia renovveis. Por sua vez, em 2003, a Directiva 2003/30/CE relativa promoo da utilizao de biocombustveis ou de outros combustveis renovveis nos transportes, considera que os Estados Membros devero assegurar a colocao nos seus mercados de uma proporo mnima de biocombustveis e de outros combustveis renovveis e estabelece, mesmo, metas indicativas para esse efeito:1


At 2005 2% de toda a gasolina e gasleo utilizados ao nvel dos transportes; At final 2010 5,75% de toda a gasolina e gasleo utilizados para efeitos de transportes.

Ficaram, desta forma, estabelecidos objectivos concretos no que respeita produo de energia elctrica e de biocombustveis. Tendo em vista, por outro lado, a diminuio das emisses de CO2, a Unio Europeia comprometeu-se a reduzir em 8%, em relao ao nvel de 1990, estas emisses no perodo compreendido entre 2008 e 2012 e, atravs dessa reduo, vir a atingir os objectivos a que se props aquando da ratificao do protocolo de Quioto. O aumento da utilizao de energias renovveis imprescindvel, no s por questes de natureza ambiental, mas tambm, de natureza econmica. nesse sentido que a utilizao da biomassa, como fonte de energia, deve ser equacionada e fomentada, pois, para alm de, por essa via, se incrementar o aparecimento e desenvolvimento de empresas locais, o que constitui uma fonte de rendimento alternativa (Direco regional de agricultura entre Douro e Minho).

O Parlamento Europeu j tinha exigido, no contexto da adopo das duas directivas relativas concretizao do mercado interno da energia (Directiva 54/2003 e Directiva 55/2003), que a abertura total dos mercados energticos fosse complementada obrigatoriamente por medidas do lado da procura. Por isso, a proposta da Comisso em apreo tem de ser encarada como parte de uma srie de medidas legislativas no domnio da poltica energtica, cujo objectivo consiste, em ltima anlise, garantir o aprovisionamento energtico na Europa. Alm das duas directivas mencionadas, relativas ao mercado interno da energia, estas medidas incluem diversos actos jurdicos que visam o melhoramento da eficincia energtica, como, por exemplo, a Directiva relativa cogerao, a Directiva relativa melhoria do rendimento energtico em edifcios, a proposta da denominada Directiva "Eco-Design", relativa aos requisitos de concepo ecolgica dos produtos que consomem energia, a presente proposta de directiva relativa eficincia na utilizao2


final de energia e aos servios energticos, assim como a Directiva 2001/77/CE, relativa promoo da electricidade produzida a partir de fontes de energia renovveis no mercado interno da electricidade. Para se alcanarem os objectivos estabelecidos para as energias renovveis na Directiva 2001/77/CE at 2010 e um objectivo de 20 % de energias renovveis no consumo total de energia da UE no ano 2020, imprescindvel actuar tambm no domnio da eficincia energtica e da poupana de energia. O presente projecto de directiva representa um contributo importante para a consecuo dos objectivos do Protocolo de Quioto, (Comisso da Indstria, do Comrcio Externo, da Investigao e da Energia).

Tendo em conta todos os objectivos impostos e propostos por Portugal, a produo de biometano uma soluo que, para alm de diminuir significativamente a emisso de CH4 para a atmosfera, originada pela decomposio no controlada de resduos orgnicos, faz o seu aproveitamento energtico atravs da captao do CH4. Assim sendo, h a necessidade de proporcionar a esta forma de aproveitamento energtico todas as condies possveis para a sua explorao, sem discriminao.

1.1 Directiva 55/2003

Os Estados-Membros devero garantir que, tendo em conta as necessrias exigncias de qualidade, o biogs e o gs proveniente da biomassa ou outros tipos de gs beneficiem de acesso no discriminatrio rede de gs, desde que esse acesso seja permanentemente compatvel com a regulamentao tcnica e as normas de segurana relevantes. Essa regulamentao e normas devem garantir que os referidos gases possam ser injectados e transportados na rede de gs natural, do ponto de vista tcnico e de segurana, e devem abranger igualmente as caractersticas qumicas desses gases, (Directiva 55/2003/CE).

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1.2 Objectivos para 2020

A deciso do Conselho Europeu, de Maro de 2007, de fixar objectivos precisos juridicamente vinculativos traduz de forma clara a determinao da Unio Europeia. Esta deciso no foi tomada de nimo leve, uma vez que a procura de solues adequadas condiciona a prosperidade da economia europeia. Dispomos hoje de provas irrefutveis de que os custos da inaco seriam devastadores para a economia mundial, dado que acarretariam uma perda do PIB mundial compreendida entre 5 e 20%, segundo dados do Relatrio Stern2. Paralelamente, os recentes aumentos dos preos do petrleo e do gs evidenciaram a que ponto a concorrncia no sector energtico est a aumentar de ano para ano e que a eficincia energtica e as energias renovveis podem constituir investimentos rentveis. neste contexto que se inscreve a deciso dos responsveis da UE de se comprometerem a transformar a economia europeia, desafio que pressupe importantes esforos polticos, sociais e econmicos. Simultaneamente, a mudana pode servir de trampolim para a modernizao da economia europeia, orientando-a para a construo de um futuro no qual as tecnologias e a sociedade estejam adaptadas s novas necessidades e no qual sejam criadas novas oportunidades de crescimento e de emprego. O Conselho Europeu fixou dois objectivos principais: Reduzir, at 2020, as emisses de gases com efeito de estufa, G.E.E., em pelo menos 20%, aumentando at 30% caso se obtenha um acordo internacional que vincule outros pases desenvolvidos a "atingir redues de emisses comparveis, e os pases em desenvolvimento economicamente mais avanados contribuam adequadamente, de acordo com as suas responsabilidades e respectivas capacidades". Elevar para 20% a parte das energias renovveis no consumo energtico da UE at 2020.4


O Conselho Europeu acordou que a melhor forma de atingir objectivos to ambiciosos consiste em assegurar que cada Estado-Membro saiba exactamente o que se espera e que os objectivos sejam juridicamente vinculativos. Tal permitir accionar plenamente os mecanismos pblicos e dar ao sector privado uma confiana a longo prazo, indispensvel realizao dos investimentos necessrios para converter a Europa numa economia de baixo teor de carbono e com uma elevada eficincia energtica. A determinao de que deu provas o Conselho Europeu mostrou aos nossos parceiros internacionais que a UE est verdadeiramente decidida a passar da palavra aco. Esta estratgia deu os seus frutos na Conferncia das Naes Unidas sobre alteraes climticas realizada em Bali, em Dezembro de 2007, na qual a Unio Europeia desempenhou um papel essencial na obteno de um acordo sobre o roteiro, que visa conseguir, at 2009, um novo acordo global sobre a reduo de emisses.

Esta situao veio reforar a determinao da EU de avanar com o seu compromisso de luta contra as alteraes climticas, para mostrar que est disposta a dar fora sua convico de que os pases desenvolvidos podem e devem comprometer-se a reduzir em 30% o nvel das suas emisses at 2020. A UE dever continuar a assumir uma posio de liderana na negociao de um acordo internacional ambicioso, (COM, 2008).

A produo de biogs, poder representar uma ajuda importante no que se refere s polticas de eficincia energtica e reduo de emisses de G.E.E., para que Portugal atinja com sucesso as metas a que se props. Atravs do seu aproveitamento energtico, atenua-se significativamente as emisses de G.E.E., tais como CH4, CO2, e diminui-se ainda a necessidade de consumo de combustveis tradicionais. Assim sendo, verifica-se que o aproveitamento energtico de resduos orgnicos para produo de biometano , sem dvida um caminho com elevado potencial que dever ser explorado.

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1.3 Objectivos

O objectivo do presente Trabalho avaliar e dar a conhecer as potencialidades presentes nos resduos orgnicos provenientes de diversas fontes, das quais h a possibilidade de se extrair gs combustvel, denominado de biogs. Em alguns pases da EU, muito que esta fonte de energia, considerada renovvel, aproveitada, o que demonstra o significativo avano destes pases em relao a Portugal. sabido que Portugal, apenas recentemente comeou a fazer o aproveitamento de biogs, em grande escala, resultante da decomposio de resduos provenientes de Aterros, Etars e exploraes Agro-pecurias. Embora actualmente, j se verifica um maior interesse pelo desenvolvimento de novas tecnologias e de implementao de estaes de captao, tratamento e distribuio de biogs, a nvel nacional. Desta forma, tendo como objectivo informar e sensibilizar a populao em geral, os interessados do sector, bem como potenciais investidores, para as potencialidades desta fonte de energia renovvel, evidenciando as vantagens e as possibilidades desta aplicao. Ser efectuada uma descrio acerca das potencialidades do biogs, do que j feito no resto do mundo para o seu aproveitamento, tendo em conta a provenincia e tratamento de resduos, tecnologias de captao, limpeza e purificao do Biogs, bem como a finalidade desta fonte de energia renovvel.

1.4 Contedo do trabalho

O presente trabalho divide-se em 8 (oito) captulos, incluindo este de Introduo, com o objectivo de dar a conhecer as polticas energticas adoptadas pela Unio Europeia, bem como por Portugal. Polticas essas, que possibilitam a que se atinjam as metas impostas na reduo de emisses de G.E.E., bem como no consumo de combustveis tradicionais. ainda constitudo por um ltimo captulo onde so apresentadas as concluses principais do trabalho e propostas de trabalho futuro.6


O Captulo 2 faz uma descrio acerca da variedade de bio-recursos que tm viabilidade para produo de biogs. So apresentados breves de resumos dos vrios sectores, bem como quantidades disponveis biomassa em Portugal. O Captulo 3 d a conhecer a diversidade de biodigestores utilizados na produo de biogs. Desta forma, descrito cada um deles isoladamente, salientando caractersticas e qual a sua melhor aplicao. O Captulo 4 descreve sucintamente todo o processo de digesto anaerbia, isolando cada um dos seus passos, para uma melhor compreenso acerca desta transformao. O Captulo 5 explica o que o biogs, dando a conhecer a sua composio tpica. descrito o processo de produo de biogs, tendo em conta a sua provenincia, bem como as possibilidades do seu aproveitamento energtico. efectuada uma breve apresentao da produo de biogs na Europa. ainda apresentada uma breve descrio acerca das entidades envolvidas na produo e distribuio de biometano. O captulo 6 descreve pormenorizadamente os processos de limpeza e purificao mais utilizados em grande escala. apresentado, a ttulo de curiosidade um estudo comparativo de processos de limpeza e purificao, mostrando as perdas de CH4 bem como eficincia energtica. O Captulo 7 apresenta um caso de estudo de uma CVO, com uma proposta de equipamento para limpeza e purificao de biometano para posterior injeco na rede de gs natural. ainda efectuado um estudo de viabilidade econmica para este caso prtico.

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Captulo 2

Bio-recursos

Os possveis resduos a ser utilizados, geralmente denominados de biomassa, podem ser quaisquer materiais passveis de serem decompostos por causas biolgicas, ou seja, pela aco de diferentes tipos de bactrias. A biomassa decomposta sob a aco de bactrias metanognicas, (produtoras de metano), produz biogs em maior ou menor quantidade, em virtude de diversos factores, tais como: temperatura, nvel de ph, relao Carbono/Nitrognio, presena ou no de oxignio, nvel de humidade, quantidade de bactrias por volume de biomassa, entre outros. A matria orgnica a ser decomposta existe em quantidades abundantes, em todos os lugares do planeta, existindo uma grande concentrao de seres vivos, (tanto vegetais como animais), haver necessariamente uma quantidade significativa de biomassa disponvel. A biomassa pode ser constituda por apenas um ou um conjunto de resduos, tais como: Madeira e seus resduos; Resduos agrcolas e/ou florestais; Resduos municipais slidos; Resduos de animais; Resduos de produo alimentar; Plantas aquticas e algas.

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de grande importncia salientar que diferentes resduos originam diferentes quantidades de biogs. Em Portugal os sectores que do origem a quantidades avultadas de resduos adequados ao processo da digesto anaerbia so os da agro-pecuria, os resduos slidos urbanos, as lamas das estaes de tratamento dos esgotos domsticos e os efluentes da indstria alimentar e seus derivados.

2.1 Biomassa animal

Na tabela 1 apresentado o potencial energtico mximo de biomassa animal, ou seja proveniente do sector da agro-pecuria.

Tabela 1 - Potencial energtico mximo de biomassa animal em Portugal.

EspcieSuinicultura Matadouros Sunos Bovinicultura Avicultura

Efectivo Pecurio (103 cab.)2 365 1 000 1 324 37 908

Biogs/ano (103 m3)110 000 6 000 386 608 78 433

106 Kcal572 000 31 200 2 010 362 407 850

103 tep52 3 183 37

103 Kw379 184 11 877 2 410

TOTAIS

581 041

3 021 412

275

17 851

(Fonte: Sunos e matadouros de sunos - DGV; Restantes espcies RGA99)

Segundo um estudo efectuado pela DGV, Representado na tabela 5, estima-se em 275 000tep, tonelada equivalente de petrleo, o potencial energtico terico mximo em biomassa animal, resultante do aproveitamento integral dos efluentes do efectivo pecurio total estabulado/sem terra (sunos, aves, bovinos) bem como dos matadouros de sunos, existentes no pas.9


2.2 Biomassa florestal

Sobre o aproveitamento de biomassa florestal para fins energticos, alguns estudos concluram que apesar da abundncia do recurso (38% do territrio nacional coberto pela floresta), existe dificuldade em conseguir a sua concretizao, fundamentalmente por razes sociais, econmicas e tcnicas. No entanto, reconhecida a importncia deste recurso endgeno para aproveitamento energtico, susceptvel de um bvio interesse comercial e oportunidades de negcio. Acresce que a actual poltica de defesa da floresta contra os incndios e at mesmo a ocorrncia de incndios florestais no nosso pas, sustentam, por um lado, a existncia de mercado para a biomassa florestal. A tabela 2 mostra o potencial disponvel de biomassa florestal em Portugal, que pode ser aproveitado para gerao de energia.

Tabela 2 - Potencial disponvel de biomassa florestal em Portugal.

Tipo de florestaMatos Biomassa proveniente de reas ardidas Ramos e Bicadas Industria Transformadora da Madeira

Quantidade [milhes de ton/ano]0,6 0,4 1,0 0,2

Total(Fonte: http://www.igm.ineti.pt)

2,2

2.3 Biomassa agrcola

Portugal dispe de um conjunto vasto de produtos residuais que podem ser aproveitados como fonte de produo de energia.10


Atravs da anlise da tabela 3, possvel ficar com uma ideia acerca da energia potencial disponvel em resduos agrcolas em Portugal.

Tabela 3 - Energia potencial contida em resduos agrcolas em Portugal.

TipoPalha de cereal Bagaos de azeitona Resduos de podas de vinha, fruteiras e oliveira Resduo da amndoa e da vinificao

Energia (Joules1015)5,4 0,6 8,5 1,8

lcool equivalente (106 litros)227 270 25 250 357 740 75 760

Energia (kWh 109)1,5 0,17 2,4 0,5

Total

16,3

686 020

4,5

(Fonte: NUTEK, Swedish National Board for Industrial and Technical Development, 1993. Forecast for biofuel trade in Europe. The Swedish market in 2000 Stockolm)

2.4 Biomassa do sector pesqueiro

Em termos de oferta, na situao actual e a curto prazo, dever ser encarada a possibilidade de aproveitamento dos resduos e desperdcios de produtos da pesca e aquicultura, no destinados a farinhas e leos de peixe, para a produo de biogs, atravs da sua digesto anaerbia. Se do ponto de vista tecnolgico no subsistem dvidas quanto aos resultados positivos de tal aproveitamento, a que acresce referir a atenuao dos problemas de ordem ambiental associados degradao dos resduos. Para se concluir da sua viabilidade econmica, teriam que se pronunciar os industriais de conservas e de processamento de peixe a operar em Portugal. Uma vez que no existe uma grande divulgao de dados acerca da possibilidade de aproveitamento energtico de biomassa proveniente do sector pesqueiro, no apresentada nenhuma estimativa acerca da quantidade de energia possvel de aproveitar.

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Captulo 3

Biodigestores

O local onde se desenvolvem as reaces de decomposio da j referida biomassa, denomina-se de digestor ou biodigestor. Tendo este a possibilidade de operar de modo contnuo, isto , sendo alimentado de matria orgnica durante o funcionamento, simultaneamente retirada de produto de composto, ou em batelada, que carregado apenas uma vez, no incio do perodo de funcionamento, sendo descarregado quando a produo de gs acabar ou atingir nveis muito baixos (NOGUEIRA, 1986). A composio do biogs obtido por biodigesto varia de acordo com as caractersticas do resduo e as condies de funcionamento do processo de digesto. No entanto podemos estimar a sua composio como sendo cerca de 60% de Metano, 20% de Dixido de carbono, vestgios de Sulfitos de Hidrognio e vapor de gua. Para que o biogs possa ser utilizado como combustvel necessrio identificar a sua composio qumica e o seu poder calorfico. Estes parmetros determinam o real potencial de gerao de energia, alm de permitir tambm dimensionar os processos de prtratamento do biogs, com o propsito de evitar danos nos equipamentos e tambm aumentar o seu poder calorfico. A caracterizao dos resduos ser um aspecto de grande relevncia, uma vez que a qualidade e o potencial de produo de biogs depende directamente do tipo de matria orgnica disponvel. A qualidade e o potencial da produo de biogs dependem tambm do tipo de equipamento utilizado no processo de biodigesto. Assim, ser tambm necessrio avaliar o funcionamento dos diferentes tipos de biodigestores, tendo sempre em conta factores como: custo inicial, custo de funcionamento, custo de manuteno, qualidade e12


quantidade do biogs produzido, melhorando as suas propriedades de acordo com a sua posterior utilizao. Um biodigestor, (Figura 1 e Figura 2), compe-se, basicamente por uma cmara fechada, na qual a biomassa fermentada anaerobicamente, isto , sem a presena de oxignio. Como resultado desta fermentao ocorrem a libertao de biogs e h a possibilidade de aproveitamento dos resduos como bio-fertilizantes. possvel, portanto, definir biodigestor como um aparelho destinado a conter a biomassa e seu produto. A sua funo fornecer as condies propcias para que um grupo especial de bactrias, as metanognicas, degrade o material orgnico, com a consequente liberao do gs.

Figura 1 - Montagem de um biodigestor. (Fonte: www.estadao.com.br/noticias)

Figura 2 - Biodigestor em funcionamento. (Fonte: www.estadao.com.br/noticias)

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Existem vrios tipos de biodigestor, mas, em geral, todos so compostos, basicamente, por duas partes: um recipiente, (tanque), para abrigar e permitir a digesto da biomassa, e o gasmetro, (campnula), para armazenar o biogs, como se pode verificar atravs do esquema representado pela figura 3. Em relao ao abastecimento de biomassa, o biodigestor pode ser classificado como contnuo, abastecimento dirio de biomassa, com descarga proporcional entrada de biomassa, ou intermitente, quando utiliza a sua capacidade mxima de armazenamento de biomassa, retendo-a at efectuar a completa biodigesto.

Figura 3 - Esquema biodigestor, (Fonte: http://www.tede.ufsc.br/teses/PGEA0210.pdf)

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Biodigestor anaerbio;

O biodigestor anaerbio um equipamento usado para a produo de biogs. Uma mistura de gases, maioritariamente metano, produzida por bactrias que digerem matria orgnica em condies anaerbicas (isto , em ausncia de oxignio). Um biodigestor nada mais que um reactor qumico, em que as reaces qumicas tm origem biolgica.

3.1 Biodigestor de abastecimento contnuo

De entre os biodigestores de sistema de abastecimento contnuo mais conhecidos, esto os modelos, chins e indiano.

3.1.1 Modelo indiano

O modelo indiano um dos mais usados devido sua funcionalidade. Quando construdo, apresenta o formato de um poo, que o local onde ocorre a digesto da biomassa, coberto por uma tampa cnica, A tampa contem uma campnula flutuante, como gasmetro, que controla a presso do biogs e permite a regulao da emisso do mesmo. Outra razo para sua maior difuso est no facto do outro modelo, o chins, exigir a observao de muitos detalhes para sua construo. Uma das vantagens do modelo indiano a sua campnula flutuante, que permite manter a presso de escape de biogs estvel, no sendo necessrio regular constantemente os aparelhos que utilizam o metano. Uma desvantagem, razoavelmente significativa, o preo da construo da campnula, normalmente moldada em ferro.

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Este modelo oferece, em relao ao modelo chins, algumas vantagens no momento da construo, pois pode ser adaptado ao clima local e ao tipo de solo. No h necessidade de se estabelecer medidas fixas para o dimetro e profundidade, bastando que se observe a relao de capacidade do tanque digestor e da campnula. Como j foi referido, o modelo indiano possui presso de operao constante, ou seja, medida que o volume de gs produzido no consumido de imediato, o gasmetro tende a deslocar-se verticalmente, aumentando o volume deste, portanto, mantendo a presso no interior constante. O facto de o gasmetro estar disposto sobre o substrato, faz com que se reduza as perdas durante o processo de produo do biogs. O resduo a ser utilizado para alimentar o biodigestor indiano, dever apresentar uma concentrao de slidos totais (ST) no superior a 8%, para facilitar a circulao do resduo pelo interior da cmara de fermentao e evitar entupimentos dos canos de entrada e sada do material. O abastecimento tambm dever ser contnuo. A figura 4 e a figura 5, mostram a vista frontal e tridimensional em corte, respectivamente, do biodigestor, realando os elementos fundamentais para sua construo, (DEGANUTTI et all, 1995).

Figura 4 - Vista frontal de um biodigestor, modelo Indiano. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)

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Figura 5 - Vista em corte de um biodigestor, modelo Indiano. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)

3.1.2 Modelo chins

O modelo chins mais rstico e econmico, completamente construdo em alvenaria, (tijolo), ficando este praticamente todo enterrado no cho. Funciona, normalmente, com alta presso, a qual varia em funo da produo e consumo do biogs. formado por uma cmara cilndrica em alvenaria para a fermentao, com teto abobadado, impermevel, destinado ao armazenamento do biogs. Este biodigestor funciona com base no princpio de prensa hidrulica, de modo que aumentos de presso em seu interior resultantes da acumulao de biogs resultaro em deslocamentos do efluente da cmara de fermentao para a caixa de sada, e em sentido contrrio quando ocorre descompresso.

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Este modelo dispensa o uso de gasmetro em chapa de ao, reduzindo desta forma o custo de construo, contudo podem ocorrer problemas com fugas do biogs caso a estrutura no seja bem vedada e impermeabilizada. Neste tipo de biodigestor uma parcela do gs formado na caixa de sada libertado para a atmosfera, reduzindo parcialmente a presso interna do gs, por este motivo as construes de biodigestor tipo chins no so utilizadas para instalaes de grande porte. Semelhante ao modelo indiano, o substrato dever ser fornecido continuamente, com a concentrao de slidos totais em torno de 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e facilitar a circulao do material. A figura 6, mostra a vista frontal em corte do biodigestor, realando os elementos fundamentais para sua construo. A figura 7 a representao tridimensional em corte, mostra de forma clara todo o interior do biodigestor, (DEGANUTTI et all, 1995).

Figura 6 - Vista frontal de um biodigestor, modelo chins. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)

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Figura 7 - Vista em corte de um biodigestor, modelo chins. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)

3.2 Biodigestor de batelada ou de fluxo no contnuo

O biodigestor de batelada indicado para pequenas produes de biogs. Trata-se de um sistema bastante simples e de pequena exigncia operacional. A sua instalao poder ser apenas um tanque anaerbico, ou vrios tanques em srie. Este tipo de biodigestor abastecido de uma nica vez, portanto no um biodigestor contnuo, mantendo-se em fermentao por um perodo conveniente, sendo o material descarregado posteriormente aps o trmino do perodo efectivo da produo de biogs. Por exemplo, um biodigestor com esterco bovino fica em mdia trinta a quarenta dias fechado, sem oxignio, ocorrendo somente a obteno do gs. Depois aberto, os resduos restantes so retirados, podendo ser utilizados como bio-fertilizantes. Posteriormente repetindo todo o processo.

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A figura 8 e a figura 9, mostra a vista frontal e tridimensional em corte do biodigestor, respectivamente, realando os elementos fundamentais para sua construo, (DEGANUTTI et all, 1995).

Figura 8, Vista frontal de um biodigestor de batelada. Fonte: (ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)

Figura 9 - Vista em corte de um biodigestor de batelada. (Fonte: ORTOLANI, A.F.; BENINCASA, M.; LUCAS JUNIOR, J. Biodigestores rurais, 1991)

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Captulo 4

Biodigesto

Pode-se, resumidamente, dizer que a biodigesto anaerbia de resduos orgnicos um processo bioqumico de utilizao bacteriana para racionar compostos complexos e produzir um gs combustvel, denominado biogs, composto em maior proporo de metano e dixido de carbono. Os produtos resultantes deste processo so o biogs, como aproveitamento energtico, a biomassa, com a possibilidade de ser utilizada como fertilizante em agricultura e efluentes tratados, como se pode verificar atravs do esquema representado pela figura 10.

Figura 10 - Processo de digesto anaerbia. (Fonte: Digesto anaerbia de resduos alimentares, Universidade do Minho)

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Por outras palavras, a biodigesto anaerbia no mais do que o processo pelo qual o metano produzido, uma das formas naturais de se obter esse hidrocarboneto, alm das jazidas subterrneas, onde este se encontra, na maior parte das vezes, associado ao petrleo. Alm da ndia e China, diversos pases tm procurado aplicar a tecnologia da biodigesto anaerbia, sobretudo no chamado terceiro mundo. Nos ltimos anos, tm sido desenvolvidos mtodos e processos de pesquisa fundamentais a aplicar nessa rea, tendo contribudo significativamente para a sua evoluo e para uma maior disseminao da tecnologia de tratamento anaerbio em todo o mundo. Atravs da anlise efectuada pelo esquema representado pela figura 11, de fcil identificao as diferentes fazes ou etapas por que passa o processo de digesto anaerbia.

Figura 11 - Esquema da digesto anaerbia da matria orgnica. (Fonte: MAUNOIR, 1991)

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Maunoir (1991) prope o esquema mostrado na Figura 11, para a degradao anaerbia da matria orgnica. No processo global de converso da matria orgnica, atravs da digesto anaerbia, podem-se distinguir quatro fases distintas para formao do metano.

4.1 Fases da digesto anaerbia

4.1.1 Hidrlise

Nesta fase, ocorre a liquefaco do meio. O material orgnico articulado ou complexo convertido em compostos dissolvidos ou materiais orgnicos simples, ou seja, os polmeros orgnicos so convertidos em compostos simples e solveis de menor peso molecular (monmeros). O processo requer a interferncia das chamadas exoenzimas que so excretadas pelas bactrias fermentativas (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994). As matrias complexas (celulose, hemicelulose, amido, pectinas, protenas, lipdios) so convertidas pelas bactrias hidrolticas em compostos solveis, tais como aminocidos, peptdeos de cadeia curta, mono e dissacardeos (MARTIN, 1985, apud BELLI F, 1995).

4.1.2 Acidognese

Os compostos dissolvidos ou liquefeitos, gerados no processo de hidrlise, so absorvidos nas clulas das bactrias fermentativas e, aps a acidognese, excretados como substncias orgnicas simples como cidos graxos volteis (AGV), lcoois, cido lctico, e compostos minerais como CO2, H2, NH3, H2S, etc, (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994).23


Na acidognese os produtos da hidrlise so metabolizados pelas bactrias fermentativas em compostos orgnicos simples como lcoois, aldedos, cetonas e cidos graxos de cadeia curta, CO2 e H2 (BELLI F, 1995). A maior parte dos produtos finais da acidognese e da acetognese so o cido frmico e cido actico, o hidrognio e dixido de carbono (FOX & POHLAND, 1994, apud BELLI F, 1995). Conforme Van Haandel & Lettinga (1994), apesar de minoria, algumas bactrias da acidognese so facultativas e podem metabolizar o material orgnico pela via oxidativa, removendo o oxignio dissolvido (O2), porque a presena desta substncia, eventualmente, poderia ser txica se no fosse removida.

4.1.3 Acetognese

A acetognese uma etapa reguladora do processo que permite a transformao dos produtos da acidognese em cido actico, precursor do metano, impedindo a acumulao de cidos graxos volteis, alm do cido actico. Estes, em concentraes relativamente altas, inibem a etapa final da digesto anaerbia. A transformao dos cidos graxos e dos lcoois em cido actico feita pelas bactrias produtoras de hidrognio (VERSTRAETE et all, 1981, apud BELLI F, 1995). Durante a acetognese, os cidos graxos volteis, bem como os lcoois, so transformados em cido actico pelas bactrias produtoras de hidrognio conforme Philippi (1992 apud BELLI F, 1995). Segundo Gosmann (1997), citando Harper & Pohland (1986), na acetognese, os produtos finais de decomposio so o hidrognio, o dixido de carbono e o cido actico. Dependendo do estado de oxidao do material orgnico a ser digerido, a formao de cido actico pode ser acompanhada pelo surgimento de dixido de carbono ou hidrognio (VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994).

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De acordo com Belli F (1995), citando Fox & Pohland (1994), as reaces da acidognese, em ph 7,0 e a 1 atm, que conduzem formao de cido actico, so explicadas da seguinte forma: Propiniato Acetato CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2 Etanol Acetato CH3CH2OH + H2O CH3COOH + 2H2

4.1.4 Metanognese

O cido actico, CO2 e H2 produzidos pela acetognese so convertidos em gs metano (CH4) e em CO2. Nesse estgio bactrias anaerbias metanognicas convertem cidos orgnicos simples em Metano e Dixido de Carbono, com perodo de durao de dez dias a 20 C. A metanognese em geral o passo que limita a velocidade do processo de digesto como um todo, embora a temperatura abaixo dos 20 C, a hidrlise se possa tornar limitada (GUJER & ZEHNDER, 1983, apud VAN HAANDEL & LETTINGA, 1994). O metano produzido pelas bactrias acetotrficas a partir da reduo ou descarboxilao do cido actico ou pelas bactrias hidrogenotrficas a partir da reduo do dixido de carbono. Tm-se, portanto, as seguintes reaces catablicas: Metanognese acetotrfica: CH3COOH CH4 + CO2

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Metanognese hidrogenotrfica: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O Teoricamente, 33% do metano pode ser proveniente da reduo de CO2. O cido actico pode produzir pelo menos 67% do metano (MAH et al., 1977, apud BELLI F, 1995). Dos compostos intermedirios, somente H2 e HCOOH e acetato podem ser usados directamente pelas bactrias metanognicas, enquanto os outros precisam, para serem convertidos em produtos finais, de passar pelas bactrias produtoras obrigatrias de hidrognio (VERSTRAETE et al., 1981) A produo de metano (60 a 70% do biogs), depende directamente da degradao dos cidos graxos volteis (AGV), no estando ligada concentrao de cido actico (BELLI F, 1995). Cerca de 70% do metano provm do cido actico, que seu maior precursor (PHILIPPI, 1992), (Alan Henn, 2005).

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4.2 Estudos referentes digesto anaerbia

Como se pode ver atravs da anlise da tabela 4, muito que este tema tem sido objecto de estudo, com o objectivo de ser desenvolvido um processo mais eficiente e fivel para a captao, tratamento e utilizao do biogs.

Tabela 4 - Desenvolvimento histrico da tecnologia de biodigesto anaerbia.

Datas

Descobertas a respeito da Digesto AnaerbiaAlessandro Volta, em Itlia, descobre metano no gs dos pntanos, como resultado da decomposio de restos vegetais em ambientes confinados. Humphrey Davy, em Inglaterra, identifica um gs rico em metano e dixido de carbono, resultante da decomposio de dejectos animais em lugares hmidos. Em Bombaim, na ndia, construda a primeira instalao operacional destinada a produzir gs combustvel, para um hospital. Donald Cameron, em Inglaterra, projecta uma fossa sptica para a cidade de Exeter, sendo o gs produzido utilizado para iluminao pblica. Karl Imhoff, na Alemanha, desenvolve um tanque biodigestor, o tanque Imhoff, uma importante contribuio para o tratamento anaerbio de esgotos residenciais. Ram Bux Singh, em Ajitmal, no norte da ndia, coordena as pesquisas que conduziram a uma enorme difuso do biodigestor, construindo meio milho de unidades do chamado modelo indiano, como forma de tratar o esterco e obter combustvel sem perder o efeito fertilizante. No sul do rio Amarelo, na China, surge uma nova concepo, o modelo chins, com a instalao de 7,2 milhes de biodigestores para produo de biogs.(Fonte: NOGUEIRA, 1986)

1776 1806 1857 1890 1920 1950

1972

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Captulo 5

Biogs

A utilizao e valorizao de resduos incluem qualquer das operaes que permite o reaproveitamento dos resduos que se englobem em duas categorias: reciclagem e valorizao energtica. Assim, as operaes mais comuns na gesto de resduos slidos urbanos so a reciclagem material, a compostagem, a biometanizao (ou digesto anaerbia) e a incinerao. O biogs basicamente composto de uma mistura de gases contendo principalmente metano e dixido de carbono, encontrando-se ainda nesta mistura, mas em menores propores, gs sulfdrico e nitrognio, como se pode verificar atravs da anlise da tabela 5.

Tabela 5 - Composio qumica do biogs tpico.

ParmetrosCH4 CO2 N2 O2 H2S NH3 H2 Outros

Biogs tpico (%)50 80 25 50 0-7 0-2 0-3 0-1 0-1 1-5

(Fonte: Adaptado de: www.ambiente.sp.gov.br/biogas)

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A formao do biogs comum na natureza. Assim, ele pode ser encontrado em pntanos, lamas escuras, locais onde a celulose sofre naturalmente decomposio. O biogs um produto resultante da fermentao, na ausncia do oxignio, de dejectos animais, resduos vegetais e de lixo orgnico industrial ou residencial, em condies adequadas de humidade e temperatura. A reaco desta natureza denominada digesto anaerbica. O principal componente do biogs o metano representando cerca de 50 a 80% na composio do total de mistura, como j foi referido anteriormente. O metano um gs incolor, altamente combustvel, queimado com chama azul lils, sem deixar fuligem e com um mnimo de poluio. Em funo da percentagem com que o metano participa na composio do biogs, o poder calorfico deste pode variar de 5.000 a 7.000 kcal/m3 (por metro cbico). Esse poder calorfico pode chegar s 12.000 kcal/m3, uma vez eliminado o dixido de carbono e outros contaminantes da mistura. Tendo em conta a provenincia do biogs, este vai apresentar diferentes composies, essencialmente no que se refere a percentagens de CH4, CO2 e de impurezas. Actualmente, a provenincia de biogs considerada apenas de duas fontes distintas: Biogs de aterro; Biogs de digesto.

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Atravs da anlise da tabela 6, pode-se facilmente identificar as diferenas, a nvel de composio, entre o biogs de Aterro e o biogs de digesto.

Tabela 6 - Composio de biogs de diferentes fontes.

Parmetros Valor calorfico (MJ/nm3) Densidade (kg/nm3) CH4 (% Mdia) CH4 (% de Variao) CO2 (% Mdia) CO2 (% de Variao) H2S (ppm Mdia) H2S (ppm Variao)

Biogs de aterro16 1.3 45 35 65 40 15 50 < 100 0 100 (Fonte: PERSSON et all, 2006)

Biogs de digesto23 1.2 63 53 70 47 30 47 < 1000 0 - 1000

Traduzindo em termos prticos, seguidamente apresentada uma relao comparativa de equivalncia de 1m3, metro cbico, de biogs com os combustveis usuais, tabela 6.

1 m3 de biogs corresponde a:Tabela 7 - Relao comparativa de 1m3 de biogs com combustveis usuais.

Gasolina0,61 litros

Gasleo0,7 litros

Bio-diesel0,55 litros

GPL0,45 Kg

Electricidade6,9 kWh

Lenha1,538kg

Pellets madeira0,304kg

(Fonte: DEGANUTTI et all, 1995)

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A ttulo de exemplo: Para uma famlia de 5 (cinco) pessoas em termos de uso caseiro temos: Para cozinha 4,30 m3 Para iluminao 0,63 m3 Para banhos 4,00 m3 Total de biogs necessrio: 8,93 m3 (por dia). Essa quantidade de gs corresponde a aproximadamente de uma botija de gs de 13 kg. (DEGANUTTI et all, 1995)

5.1 Biogs de aterro

Para o caso dos aterros, a deposio de resduos orgnicos por via anaerbia denomina-se de biometanizao ou digesto anaerbia. Os principais produtos do metabolismo so o dixido de carbono, CO2, e o metano, CH4, constituintes principais do biogs, sendo ainda produzidos compostos intermedirios, como cidos orgnicos de baixo peso molecular, alguns volteis, que tem um elevado potencial de produo de maus cheiros. Ao chegar da recolha, o lixo pesado e descarregado nas centrais de triagem, onde escolhido e compactado, seguindo para a sua deposio no aterro, o qual ser obrigatoriamente revestido por material impermevel, para impedir a contaminao por infiltrao das reas circundantes. medida que as clulas do aterro so seladas, verifica-se de imediato a degradao da componente orgnica, pelo que aps um curto perodo de tempo se inicia a produo de biogs, com libertao de gases com caractersticas calorficas.

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O aproveitamento energtico do biogs reduz a emisso de metano para a atmosfera, contribuindo igualmente para uma melhoria da qualidade ambiental das zonas envolventes, uma vez que os componentes causadores de odores desagradveis, particularmente os compostos de enxofre, so destrudos durante a combusto do biogs.

Figura 12 - Vista gerar de um aterro sanitrio. (Fonte: www.algar.com.pt)

Para ser possvel e vivel a recuperao de biogs num aterro sanitrio, este dever ter implementado uma serie de sistemas:

Sistema de impermeabilizao

Este sistema dever evitar a fuga do biogs para a atmosfera, bem como impedir a infiltrao de lexiviados no terreno, figura 13. A cobertura superior dos aterros sanitrios normalmente feita com argila de baixa permeabilidade compactada;

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Figura 13 - Colocao de geomembrana de PEAD em aterro sanitrio. (Fonte: SANTEC RESDUOS, 2005)

Poos de drenagem de biogs

Estes poos, escavados na massa de resduos, normalmente so feitos com brita e podem ser verticais ou horizontais. Alguns aterros sanitrios adoptam um sistema de poos misto.

Figura 14, Recolha de biogs nos poos de drenagem. (Fonte: www.gasnet.com)

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Rede de colecta

A rede de colecta de biogs, como se v na figura 15, leva o gs drenado dos poos para a unidade de gerao de energia elctrica e/ou calorfica. Esta rede normalmente constituda por tubos de polietileno de alta densidade e deve ser aterrada, com a finalidade de evitar possveis incidentes.

Figura 15 - Rede de colecta de biogs. (Fonte: www.gasnet.com)

Bombas de vcuo

As bombas de vcuo so extremamente importantes para compensar as perdas de carga nas tubagens e garantir a regular injeco de biogs nas unidades de gerao de energia elctrica e/ou calorfica

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Grupos Geradores

Este tipo de equipamentos, figura 16, utilizam normalmente motores de combusto interna, desenvolvidos especialmente para serem alimentados com o biogs como combustvel.

Figura 16 - Grupo de geradores a biogs. (Fonte: www.gasnet.com)

A implementao de uma unidade de gerao de energia deste tipo, em aterros sanitrios, dever ser acompanhada de um estudo de viabilidade econmica. Este estudo dever obrigatoriamente indicar o potencial de gerao de biogs do aterro em funo da quantidade e da composio dos resduos aterrados, avaliando desta forma o custo de gerao de energia, (Guidance Note on Recuperation of Landfill Gas Municipal Solid Waste Landfills (World Bank). O biogs poder ser utilizado para a produo de energia elctrica, aquecimento ou abastecimento de redes de gs municipais.

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Este ltimo, necessita de mais tecnologia e necessrio um elevado controlo de alguns factores, nomeadamente a temperatura e as emisses, mas em contrapartida tem a vantagem de reduzir o tempo de tratamento e possibilitar a recuperao de energia. As normas relativas aos aterros sanitrios impem, hoje em dia, a drenagem, a extraco, o aproveitamento e, caso este seja possvel, a queima do biogs, em particular porque o metano um gs que tambm contribui para o efeito de estufa, com um impacto 20 vezes superior ao dixido de carbono. Desta forma, o biogs gerado nos aterros sanitrios deve ser drenado e queimado para minimizao dos efeitos causados pelo seu lanamento na atmosfera. Assim sendo, a utilizao do biogs como recurso energtico uma forma de minimizar este efeito negativo para o meio ambiente.

Tabela 8 - Contribuio do biogs para o efeito de estufa.

ParmetrosCO2 CH4 N2O O3 CFC

Concentrao na atmosfera, (ppm)346,0 1,7 0,3 0,02 0,001

Crescimento anual na atmosfera, (%)0,4 1,0 0,3 0,5 5,0

Contribuio relativa para o efeito de estufa, (%)50 19 4 8 17

(Fonte: AMARSUL, Biogs em aterro)

Como se pode verificar atravs da anlise da tabela 8, o metano tem um peso significativo na contribuio para o efeito de estufa. Atravs da utilizao do biogs para fins energticos, consegue-se uma melhoria das condies ambientais, uma vez que se estima que aproximadamente 10% da produo de metano a nvel mundial, seja proveniente de aterros.

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5.2 Biogs de etar

Tal como no caso dos aterros, tambm as Estaes de tratamento de guas residuais, etars, tm a capacidade de produo de gs combustvel, biogs, devido fermentao e decomposio da matria orgnica. Assim sendo, muitas etars a nvel nacional j fazem o aproveitamento desta forma de energia, a finalidade mais comum produzir electricidade e calor, cogerao, figura 17), atravs de um ou mais grupos motor gerador, como os representados na figura 18. A electricidade consumida e ou vendida rede, no que diz respeito ao calor, este essencialmente para consumo interno, tal como aquecimento dos biodigestores, aquecimento de guas e aquecimento ambiente.

Figura 17 - Diagrama de um sistema de cogerao. (Fonte: SMAS de Almada)

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Figura 18 - Grupo motogerador a biogs. (Fonte: SIMLIS Aproveitamento de Biogs)

Este tipo de aproveitamento energtico essencial, mas acima de tudo porque o tratamento das lamas extremamente necessrio. Uma vez que no vivel, ambientalmente, a deposio das lamas em aterros, esta uma forma de as estabilizar e posteriormente serem utilizadas como fertilizante agrcola.

5.3 Biogs de exploraes agro-pecurias

O aproveitamento do biogs proveniente de exploraes agro-pecurias uma das formas mais utilizadas em zonas rurais. Tendo em conta que nestas zonas se verifica a existncia de biomassa em abundncia. sabido que este tipo de exploraes tem alguma dificuldade em efectuar o tratamento dos dejectos animais ou o seu transporte para uma estao de tratamento, o que por vezes origina descargas ilegais muito prejudiciais para o meio ambiente. Desta forma, a existncia de unidades de produo de biogs, ou mesmo a implementao de pequenas unidades nas prprias exploraes, poderiam ser uma

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soluo para este problema. Sendo ainda uma mais valia na gerao de energia, tanto para consumo das prprias instalaes como para venda rede. Quanto ao tipo de equipamentos necessrios para a produo de biogs e aproveitamento energtico, este caso em tudo semelhante ao caso de uma etar ou aterro, tendo em conta, como bvio, a quantidade e a qualidade do biogs que se pretende produzir.

5.4 Biogs de CVO

O aproveitamento energtico atravs de centrais onde possvel o aproveitamento energtico de resduos orgnicos, CVO, poder ser uma soluo para a grande maioria das instalaes onde de alguma maneira se produzem desperdcios orgnicos, com potencial energtico. Assim sendo, pensa-se que este tipo de centrais poder contribuir significativamente para uma melhoria ambiental junto de exploraes agro-pecurias, estaes de tratamento de efluentes municipais e industriais, fazendo o correcto tratamento dos seus resduos orgnicos, bem como de resduos orgnicos recolhidos indiscriminadamente. Para este tipo de centrais de tratamento de resduos orgnicos, a produo de energia poder ser efectuada de uma forma em tudo semelhante as exploraes acima referidas, produo de biogs para gerao de energia elctrica e calor ou purificao e injeco na rede de gs natural.

5.5 Produo de biogs

As propriedades fsico-qumicas do biogs tm natural influncia na tecnologia a ser seleccionada para a sua posterior utilizao. Como mistura varivel de diferentes gases, o biogs tem poder calorfico e densidade variados, tendo em conta a concentrao relativa de cada um dos seus constituintes. Essas propriedades so importantssimas para a engenharia de equipamentos adequados ao biogs (CCE, 2000).39


O poder calorfico do biogs depende da percentagem de metano (CH4) nele existente. Segundo (CCE, 2000), o metano puro, em condies normais (presso a 101,325 kPa e temperatura de 0 C), possui poder calorfico equivalente a 35640 kJ/m3. O biogs, com teor de metano variando entre 50% e 80%, possui poder calorfico inferior entre 17880 e 28440 kJ/m3. Assim para cada 10% de CO2 na mistura gasosa de biogs, este corresponde aproximadamente a 3600 kJ/m3 a menos no seu poder calorfico. Se o biogs proveniente de aterros e etars no for devidamente controlado e tratado, pode apresentar para o ambiente uma serie de riscos, (efeito de estufa causado pelo metano), para a sade e segurana da populao local, (correndo o risco de toxicidade, incndios, exploses, etc). Desta forma, torna-se necessrio efectuar um rigoroso controlo no que diz respeito sua captao, tratamento e armazenamento. O biogs proveniente de aterros sanitrios, etars e exploraes agro-pecurias, resultante da biodegradao de resduos, nem sempre apresenta a mesma quantidade de energia gerada, ou seja, varia ao longo do perodo de produo, no entanto, normalmente produzida entre 150m3 e 200m3 de biogs por tonelada de resduos digerida, (Incio 1995). Para se poder utilizar este gs e tendo em conta a sua finalidade, existe a necessidade de se proceder sua limpeza e melhoria. Desta forma, podero ser utilizados diversos processos, os quais sero descritos mais adiante. O biogs produzido pode ser utilizado de diversas formas: queimado no local e produzir energia elctrica para consumo nas prprias instalaes e/ou venda rede, ou ainda purificado e injectado na rede de gs natural. Para podermos usufruir desta alternativa energtica, necessitamos de todo um conjunto de equipamentos, que nos permita o seu rigoroso tratamento e posterior utilizao.

5.6 Aproveitamento de biogs e sua valorizao

Como j foi referido anteriormente, o biogs proveniente de resduos, pode ter diversas aplicaes. Este vai estar sujeito a diferentes nveis de exigncia, mediante a40


aplicao final qual vai estar sujeito. Assim, a ttulo de resumo, apresentada a tabela 9, a qual mostra a necessidade de remoo de impurezas, de acordo com a finalidade de utilizao do biogs.

Tabela 9 - Necessidade de remoo de gases e de outros componentes do biogs.

AplicaoCaldeira a Gs para aquecimento Utilizao em cozinha Veculos a Gs

H2S 600 horas cada Inspeco posterior Sem danos.

Figura 22 - Abastecimento de veculo movido a LBG. Fonte: (Technologies for cleaning and upgrading biogas, Terracastus Technologies)

Figura 23 - Pormenor do veculo movido a LBG. (Fonte: Technologies for cleaning and upgrading biogas, Terracastus Technologies)

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A ttulo de curiosidade

Tabela 10 - Estado da utilizao e abastecimento de LBG em veculos.

PasSua Sucia

N de veculos a LBG6000

Estaes de abastecimento100

Consumo de LBG (Mm3)2 28

14 500 115 (Fonte: Anneli Petersson, World Bioenergy, 2008)

5.7 Entidades envolvidas na produo e distribuio do biometano

Antes da liberalizao do mercado do gs, tanto o fornecimento como a distribuio desta forma de energia, estariam a cargo de uma mesma companhia. Desta forma, no que se refere ao biogs, uma dada companhia poderia estar encarregue da extraco do dito biogs, proveniente de um aterro, de uma etar, etc, da sua limpeza e purificao, fornecimento e distribuio final. Facto que se poderia tornar economicamente desfavorvel para os consumidores finais, uma vez q haveria competitividade de preos nem de mercados. Felizmente foram criadas algumas regras que se impem ao domnio de todo este mercado, fazendo com que haja maior competitividade entre empresas, o que se pode traduzir em melhores servios e em preos mais atractivos para o consumidor final. Actualmente na produo de biogs, pode-se dividir todo o processo desde ao fornecimento da biomassa at distribuio do biogs, em 4 passos:

Fornecimento de biomassa; Produo de biogs; Comercializador de biogs; Controlador da rede de distribuio.

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5.7.1 Fornecimento de biomassa

Tendo em conta o tipo de instalao de produo de biogs, podemos ter diversas possibilidades para esta entidade. Por exemplo, para o caso de um aterro, a biomassa ser proveniente dos resduos municipais. Mas se tivermos o caso de uma instalao que recebe diversos tipos de resduos, esta entidade pode ser composta por uma associao de exploraes agro-pecurias, onde esta poder efectuar um contracto de fornecimento da dita biomassa, estipulando um preo e uma dada qualidade da biomassa.

5.7.2 Produo de Biogs

A entidade produtora de biogs, a companhia que se dedica a receber a biomassa e a efectuar a sua transformao. O produtor de biogs est encarregue de produzir, limpar e purificar o biogs em quantidade e qualidade, de acordo com um contrato existente entre este e o comercializador. Obviamente que o tipo de biogs a fornecer, vai depender da sua utilizao final, tal como j foi referido anteriormente.

5.7.3 Comercializador de biogs

Para o caso da entidade encarregue do fornecimento de biogs, esta fica com a obrigao de receber o biogs de entidade produtora e fornecimento deste a uma ou varias companhias encarregues da distribuio em rede. O fornecedor poder efectuar uma distribuio do biogs a grosso ou a retalho, mediante as necessidades dos seus52


clientes. Para o caso do fornecimento a uma companhia de distribuio em rede, este fica obrigado elaborao de um contrato que estipula tanto o preo como a qualidade do biogs a ser fornecido.

5.7.4 Operador da rede de distribuio

O controlador da rede de distribuio de biogs, est responsabilizado a garantir a qualidade do biogs que distribui. Este fica obrigado elaborao de contrato com os seus clientes, na sua maioria consumidores finais, que estipula o preo e a boa qualidade do biogs. Esta entidade fica ainda encarregue da anlise e confirmao da boa qualidade do biogs recebido pelo seu fornecedor, bem como assegurar a capacidade de fornecimento e consumo na sua rede de distribuio, para poder ser distribuidor final de biogs.

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A nvel nacional, as empresas que operam no SNGN esto presentes na tabela 11, onde tambm descrita a sua funo.

Tabela 11 - Empresas nacionais a operar no SNGN.

EmpresaBeirags Recurso Tagusgs Sonorgs Dianags Duriensegs Medigs Paxgs Lisboags GDL Lusitaniags Portgs Setgs EDP Gs Servio Universal Lisboags Comercializao Lusitaniags Comercializao Setgs Comercializao REN Gasodutos Transgs REN Atlntico

Agente

Operador da rede de distribuio e comercializador de ltimo recurso;

Operador da rede de distribuio;

Comercializador de ltimo recurso retalhista;

Operador da rede de transporte; Comercializador de ltimo recurso grossista; Operador de terminal de recepo, armazenamento e regaseificao de GNL;

REN Armazenagem Operador de armazenamento subterrneo; Transgs Armazenagem (Fonte: Adaptado de: Relatrio da qualidade de servio do Sector do gs natural ERSE, 2009)

5.8 Produo de biogs na Europa

Actualmente faz sentido definir as preocupaes ambientais e de racionalizao energtica como sendo uma preocupao internacional, ou seja, para se poder fazer face a tais problemas, estritamente necessrio o contributo de todos os estados membros, no que se refere Europa.

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Assim, na rea da produo e desenvolvimento de biogs interessa saber em que situao se encontra a Europa. A IEA, (International Energy Agency), tem como objectivo o desenvolvimento de novas tecnologias de produo de energia com a finalidade de acelerar a mudana para o uso de energias amigas do ambiente. Como se pode verificar atravs do grfico representado pela figura 24, a produo de biogs na Europa entre 2004 e 2006, proveniente de diversas fontes, de uma maneira geral, tem vindo a aumentar, o que significa uma crescente evoluo das tecnologias de produo de biogs.

Figura 24 - Produo de biogs na Europa. (Fonte: Adaptado de: Anneli Petersson, World Bioenergy, 2008)

Tal como j foi referido anteriormente, o biogs extrado das vrias fontes disponveis, pode ter diversas finalidades. Uma dessas finalidades a injeco desse mesmo gs, depois de ser purificado, na rede de gs natural. Desta forma, para se poder ficar com uma ideia mais concreta acerca desta possibilidade, apresentado o seguinte grfico representado pela figura 25, que traduz o nmero de centrais de purificao de biogs, com injeco na rede de gs natural na Europa.

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Figura 25 - Centrais de purificao de biogs com injeco na rede de Gs natural na Europa. (Fonte: Adaptado de: Anneli Petersson, World Bioenergy, 2008)

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Captulo 6:

Processos de purificao de biogs

Tal como j foi referido anteriormente, a utilizao final do biogs, vai ditar a qualidade deste e por consequente o processo de limpeza e purificao a ser empregue para o efeito. Desta forma, qualquer processo de purificao e limpeza, com a finalidade de evitar qualquer dano nos equipamentos de queima e aumentar o seu poder calorfico, consiste essencialmente em isolar o Metano, dos restantes constituintes do biogs. Assim atingida uma reduo nas emisses de CO2 para a atmosfera e ao mesmo tempo um aumento do seu potencial energtico. Os processos de purificao podem ser divididos em vrias etapas. Aps a separao do Dixido de Carbono do biogs, ainda necessrio efectuar uma limpeza do biogs, uma vez que este apresenta diversos tipos de resduos, tais como os que j foram referidos anteriormente. Desta forma, a sua limpeza inevitvel para se poder atingir um biogs livre de CO2 e de impurezas, aproximando-se a sua composio da apresentada pelo gs natural. Assim sendo, para proceder a este tipo de separao, podero ser utilizados diversos mtodos, como os que a seguir so apresentados.

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6.1 Purificao por membrana

No caso dos biocombustveis, um dos processos mais recentes consiste na aplicao de membranas, figura 26, para a purificao e enriquecimento de biogs. Este tipo de membranas estudado h algum tempo, mas apenas recentes desenvolvimentos tornaram vivel o seu uso ao nvel econmico e tcnico. O princpio que alguns componentes do biogs podem ser transportados atravs de uma membrana fina (95%; CO2+O2+N2 13,8kWh/Nm3; Densidade relativa: 0,59

Biogs do digestor: Gama mdia de temperaturas: 15 a 40C; Min/Mx: 5C/45C Presso mdia: 3mbar(g); Min/Mx: 0,0mbar(g)/10mbar(g) Fluxo mdio de gs: 350Nm3/h Min/Mx: 100Nm3/h/370Nm3/h

Composio tpica , base seca, 35C, 3mbar(g) CH4: Mdia: 54%, Gama: 55% a 65 % CO2: Mdia: 45% O2: Mdia: 0,2% Gama: 0% a 0.2 % N2: Mdia: 0,8% Gama: 0% a 0.8 % H2O: Mdia: 0% H2S: Mdia: 500ppm Gama: 100ppm a 1500ppm

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Condensados: Presso atmosfrica Temperatura (Min.): 4C Fluxo (aprx.): 10l/h

Gs a reciclar: Temperaturas (aprx.): 10C a 50C Presso (Mx.): 0,1bar(g) Fluxo (aprx.): 170Nm3/h

Composio (aprx.) CH4: < 4% CO2: > 92% O2 + N2:

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