TRATAMENTO TÉRMICO DE RESÍDUOS SÓLIDOS ... - abes … · “Tratamento térmico é um processo que visa a redução do peso , volume e/ou das características de periculosidade

TRATAMENTO TÉRMICO DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS COM GERAÇÃO DE ENERGIA

Junho/2013

Gilberto Caldeira Bandeira de MeloDESA/UFMG

RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU)

• Resíduos domiciliares, originários de atividades domésticas em

residências urbanas, e de resíduos de limpeza urbana, originários da

varrição, limpeza de logradouros e vias públicas e outros serviços de

limpeza urbana.

• Natureza: orgânica ou inorgânica.

-Orgânicos: origem biogênica ou não biogênica;

CONCEITUAÇÃO

-Orgânicos: origem biogênica ou não biogênica;

- Resíduos recicláveis ou não recicláveis.

• Os resíduos de natureza orgânica podem ser convertidos em energia

térmica, sendo esta forma de energia convertida em trabalho e/ou em

energia elétrica.

RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU)CONCEITUAÇÃO

Classificação

População

(milhões) kg.dia-1.hab-1 kt.d-1 %

Até 100.000

habitantes84.433.133 0,4 33,77 39

Entre 100.000 e

200.000 habitantes16.615.355 0,5 8,30 10

Entre 200.000 e 22.040.778 0,6 13,22 15

Tabela 1 - Geração de resíduos sólidos urbanos nos municípios brasileiros por faixa de população

Entre 200.000 e

500.000 habitantes22.040.778 0,6 13,22 15

Acima de 500.000

habitantes45.777.000 0,7 32,04 37

Total 169.544.433 0,52 87,35 100

Fonte: Adaptado de Salomon & Lora, 2009

POSSIBILIDADES PARA GERENCIAMENTO DE RSUCONCEITUAÇÃO

•Compostagem e reciclagem

•Aterros energéticos

CONCEITUAÇÃO

•Processamento térmico e mecânico

(RDF, combustíveis composição controlada)

•Incineração

POSSIBILIDADES PARA GERENCIAMENTO DE RSU

•Incineração

CONCEITUAÇÃO

•Pirólise

POSSIBILIDADES PARA GERENCIAMENTO DE RSU

ALTERNATIVAS DE TRATAMENTO

TRATAMENTO TÉRMICO DE RSU

“Tratamento térmico é um processo que visa a redução do peso, volume

e/ou das características de periculosidade dos resíduos, com a consequente

eliminação da matéria orgânica e/ou características originais, através da

decomposição térmica em ambiente controlado”.

� Incineração;� Incineração;

� Pirólise;

� Gaseificação.

TRATAMENTO TÉRMICO DE RSU

INCINERAÇÃO

� Decomposição térmica da matéria orgânica via oxidação com o aratmosférico (queima);

� Câmara/grelha principal a temperatura de no mínimo 800°C e os gasespassam por câmara (chama secundária, pós-queima), a 1.200°C.

� É o processo térmico mais praticado, com enfoque para resíduosdomiciliares e especiais (ex. patogênicos);

� Mereceu maior atenção a partir da identificação dos riscos de emissão de� Mereceu maior atenção a partir da identificação dos riscos de emissão depoluentes persistentes (dioxinas e furanos);

� Os maiores riscos em resíduos contendo enxofre, cloro, fluor e bromo;

INCINERAÇÃO

FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE INCINERAÇÃO

Descarregamento

silo de lixo

caldeira eletrofiltro

efluente

lavagem de gases

chaminé

silo deescória

circuito de aquecimento domiciliar

gerador

partículascoletadas

gesso lodo

efluentelíquido

torre deresfriamento

circuito de resfriamento

INCINERAÇÃO

ESTRUTURA DE CARREGAMENTO DE RSU - HAMBURGO

INCINERAÇÃO

ESTRUTURA DE CARREGAMENTO DE RSU - HAMBURGO

INCINERAÇÃO

VISTA GERAL DO INCINERADOR DE RSU (540 TON/DIA) HAMBURGO

INCINERAÇÃO

CHAMINÉ DE LANÇAMENTO DO INCINERADOR DE RSU - HAMBURGO

INCINERAÇÃO

FORNALHA DO INCINERADOR DE RSU - HAMBURGO

Eeee

CONTROLES OPERACIONAIS:

Sistema de monitoramento contínuo: O2; CO; temperaturas e pressões.

Intertravamentos obrigatórios:

� Baixa temperatura de combustão na câmara principal e pós queima;

� Falta de indicação de chama;

� Falta de energia elétrica ou queda brusca de tensão;

� Queda do teor de oxigênio;

LEGISLAÇÃO APLICADA: RESOLUÇÃO CONAMA 316

INCINERAÇÃO

� Excesso de monóxido de carbono na chaminé em relação ao limite de emissão estabelecido;

� Mau funcionamento dos monitores e registradores de oxigênio ou monóxido de carbono;

� Interrupção do funcionamento do Equipamento de Controle de Poluição;

� Queda de suprimento do ar de instrumentação;

INCINERAÇÃO

Estudos técnicos obrigatórios:

� Projetos básicos e de detalhamentos;

� Estudos Ambientais (EIA/RIMA ou outro);

� Análise de risco;

� Plano do teste de queima;

LEGISLAÇÃO APLICADA: RESOLUÇÃO CONAMA 316

� Plano do teste de queima;

� Plano de contingência;

� Plano de emergência.

INCINERAÇÃO

� Resistência da vizinhança e licenciadores quanto à instalação dos

incineradores;

� Riscos de emissão de poluentes persistentes: metais pesados,

produtos da combustão incompleta, e poluentes formados a partir de

resíduos contendo cloro (dibenzodioxinas e dibenzofuranos

LIMITAÇÕES E RISCOS DO PROCESSO

policlorados);

� Maior risco de corrosão dos componentes;

� Alto custo das instalações, demanda de tratamento completo e

complexo para emissões atmosféricas.

ALTERNATIVA DE TRATAMENTO TÉRMICO: PROCESSO DE PIRÓLISE DE RSU

PIRÓLISE

CONCEITUAÇÃO DO PROCESSO

• Decomposição térmica de materiais contendo carbono, em atmosfera com

deficiência de oxigênio molecular;

• Processo endotérmico na fase inicial (requer combustível auxiliar);

• Temperaturas de processo moderadas (entre 300oC e 600oC);

• Processo usado em larga escala na produção de carvão vegetal, com

rendimento entre 30 e 40% em peso;rendimento entre 30 e 40% em peso;

• Produtos finais são combustíveis, em três fases: sólida, líquida e gasosa;

• Os produtos podem ser usados como fonte de energia do próprio

processo.

PIRÓLISE

CONTEXTUALIZAÇÃO DA PIRÓLISE

• Processo de decomposição térmica em que a matéria orgânica é

convertida em diferentes subprodutos, sob atmosfera redutora, na

ausência ou deficiência de oxigênio.

• Aplicada em diversos processos produtivos (Carvão vegetal,

coqueificação de carvão mineral, produção de fibra de carbono, etc.);

Combustíveis CH4 , H2, CO, C2H6

• Principais produtos:

Gases

Líquidos

Sólidos

Combustíveis CH4 , H2, CO, C2H6

Não combustíveis - CO2

Água (e pirolenhosos solúveis: ácido acético, metanol, glicose, etc.) e alcatrões insolúveis.

Resíduo carbonizado, inertes

PIRÓLISE

CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROCESSO DE PIRÓLISE

• Tipos de Pirólise

PIRÓLISE

REVISÃO DA LITERATURA

• Malkow (2003) apresenta um estudo com dez tecnologias de pirólise e

gaseificação para o tratamento de RSU → pirólise e gaseificação permitem

a utilização dos subprodutos → reduzem emissões de compostos

perigosos.

• Deng Na et al. (2008) fizeram análise termogravimétrica de 14 diferentes

tipos de RSU em um reator de pirólise → variando a temperatura entre 600

a 1000ºC → as maiores perdas de massa ocorrem entre 310 e 450ºC.a 1000ºC → as maiores perdas de massa ocorrem entre 310 e 450ºC.

• Zhu et al. (2008) desenvolveram um estudo de pirólise de compostos

típicos de RSU usando análise termogravimétrica → temperaturas de até

960ºC. De forma similar ao artigo anterior → maiores perdas mássicas

ocorreram na faixa de 313 - 494ºC.

PIRÓLISE

PLANTA DE PIRÓLISE – PROCESSO PYROLIX

1-Correia

3-Lavadores

4-Fornalha

6-Tanques de Expansão/Compressão

5-Caldeira

2-Reator

PIRÓLISE

LAYOUT DA PLANTA DE PIRÓLISE – PROCESSO PYROLIX

PIRÓLISE

PROCESSO PYROLIX

“Reatores em batelada aquecidos por fluido térmico que circula à

temperatura de 338oC. Fornalha utilizada para queima do

combustível auxiliar (biomassa) e do gás de pirólise gerado nos

reatores, operando a 750oC. Os gases são tratados em lavadores

entre os reatores e a fornalha (sistema primário) e após a fornalha

(sistema secundário). Após o processo, obtém-se um produto(sistema secundário). Após o processo, obtém-se um produto

carbonizado que possui poder calorífico.”

PIRÓLISE

PROCESSO PYROLIX

Pesagem e carregamentoSistema primário de lavagem de

gases

PIRÓLISE

PROCESSO PYROLIX

Controlador lógico programávelDescarga do reator e pesagem do

produto carbonizado

PIRÓLISE

PROCESSO PYROLIX

Visualização do resíduo após o tratamento

PIRÓLISE

VANTAGENS COMPETITIVAS DO PROCESSO

� Redução entre 50% e 90% na massa dos resíduos processados;

� Evita formação de metano e percolados (chorume) nos resíduos

processados, se aterrados;

� Possibilidade de aplicação do produto carbonizado em outros

processos (geração de energia em termoelétricas, sinterização);

� Maior segurança ambiental e menor risco de corrosão dos � Maior segurança ambiental e menor risco de corrosão dos

componentes;

� Menor resistência quanto à implantação/licenciamento;

� Componentes mecânicos com 100% de nacionalização;

� Possibilidade de obtenção de CER’s (certificados de emissões

reduzidas).

GERAÇÃO DE ENERGIA

CICLO DE RANKINE

• Os gases de exaustão trocam calor com a água

em uma caldeira, geração de vapor em pressão

para movimentar a turbina, geração de energia

elétrica;

• O vapor é condensado e retorna à caldeira• O vapor é condensado e retorna à caldeira

(circuito fechado) ou consumo de água (circuito

aberto);

• Pressões usuais na caldeira: 23 a 105 bar;

• Eficiência elétrica de 25 a 33%, aplicação mais

comum em potência acima de 3 MW.

GGERAÇÃO DE ENERGIA

CICLO ORGÂNICO DE RANKINE (ORC)


CICLO ORGÂNICO DE RANKINE

• ORC utiliza um fluido orgânico aquecido ao invés de água a temperaturas inferiores ao ciclo rankine convencial e pressões inferiores a 10 bar;

• A operação é totalmente automatizada, sem necessidade de pessoal para operação;

• Baixo desgaste da turbina e consequentemente menor necessidade de manutenção (3-5 hr/semana);manutenção (3-5 hr/semana);

• Vida útil longa (mais de 50.000 horas de operação);

• Para que o ORC torne-se economicamente viável é conveniente que a planta tenha demanda de calor residual e opere no mínimo 5.000 horas/ano;

• Potência variando entre 30 kW e 2,4 MW.


APLICAÇÕES DE ORC- TURBODEN

Projetos (status até Julho 2010)

• Biomassa – 130

• Gás residual – 11

• Geotermia – 3

“ORC já é utilizado em escala comercial (mais de 200 plantas) na produção de energia em aplicações com biomassa e geotermia. Sua aplicação na área solar e com gás residual tem sido ampliada e vem sendo considerada uma tecnologia promissora.”


ORC COMBINADO COM GÁS RESIDUAL

• Fluido orgânico é

bombeado para um

trocador de calor

onde será aproveitado

o calor proveniente

do gás residual

• Fluido orgânico

aquece e vaporiza

• O vapor é • O vapor é

encaminhado à uma

turbina acoplada a um

gerador

• O vapor é condensado

e o ciclo se inicia

novamente


EFICIÊNCIA DO ORC


GERAÇÃO ELÉTRICA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E VAZÃO



Turbina de ORC com capacidade de geração de 1,8MW em Warndt,

Alemanha.Fabricante: Turboden

Módulo ORC montado sobre chassi com capacidade de geração de

0,6MW em Hidelsheim, Alemanha. Fabricante: Maxxtec



ORC montado em container com capacidade de geração de 46KW, em propriedade rural de Hedeper, Alemanha. Fabricante: GMK



Fluxograma do módulo ORC de 46KW com registro das temperaturas de processo em Hedeper, Alemanha. Fabricante: GMK



Fluxograma de Planta de Pirólise com ciclo orgânico de Rankine

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Principais limitações da geração de energia com processos térmicos:

� Custo elevado das instalações;

� Operação mais tecnificada, exigindo pessoal mais qualificado;

� Alta umidade e natureza biogênica dos RSU no Brasil, menor poder calorífico,

deficiência na combustão ou incremento pela adição de resíduos energéticos

(lenhosos, etc.);

� Poucos fornecedores de equipamentos e alto índice de importação de� Poucos fornecedores de equipamentos e alto índice de importação de

componentes.

Principais vantagens:

� Diversificação da matriz energética;

� Redução dos passivos pelas operações de aterramento;

� Geração de renda / receita pela energia gerada;

� Possibilidade de obtenção de CERs: metano evitado, energia renovável.

OBRIGADO.

Gilberto Caldeira Bandeira de MeloProfessor AssociadoDepartamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – DESAEscola de Engenharia da UFMGE-mail: [email protected]

Documents

TRATAMENTO TÉRMICO DE RESÍDUOS SÓLIDOS ... - abes … · “Tratamento térmico é um processo que visa a redução do peso , volume e/ou das características de periculosidade