TRATAMENTO TÉRMICO DE RESÍDUOS SÓLIDOS
URBANOS COM GERAÇÃO DE ENERGIA
Gilberto Caldeira Bandeira de Melo
DESA/UFMG
Junho/2013
CONCEITUAÇÃO
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;
- 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.
CONCEITUAÇÃO
RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS (RSU)
Tabela 1 - Geração de resíduos sólidos urbanos nos municípios brasileiros por faixa de
população
Classificação
Até 100.000
habitantes
Entre 100.000 e
200.000 habitantes
Entre 200.000 e
500.000 habitantes
Acima de 500.000
habitantes
Total
População
(milhões)
kg.dia-1.hab-1
kt.d-1
%
84.433.133
0,4
33,77
39
16.615.355
0,5
8,30
10
22.040.778
0,6
13,22
15
45.777.000
0,7
32,04
37
169.544.433
0,52
87,35
100
Fonte: Adaptado de Salomon & Lora, 2009
CONCEITUAÇÃO
POSSIBILIDADES PARA GERENCIAMENTO DE RSU
•Compostagem e reciclagem
•Aterros energéticos
CONCEITUAÇÃO
POSSIBILIDADES PARA GERENCIAMENTO DE RSU
•Processamento térmico e mecânico
(RDF, combustíveis composição controlada)
•Incineração
CONCEITUAÇÃO
POSSIBILIDADES PARA GERENCIAMENTO DE RSU
•Pirólise
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;
Pirólise;
Gaseificação.
TRATAMENTO TÉRMICO DE RSU
INCINERAÇÃO
Decomposição térmica da matéria orgânica via oxidação com o ar
atmosférico (queima);
Câmara/grelha principal a temperatura de no mínimo 800°C e os gases
passam por câmara (chama secundária, pós-queima), a 1.200°C.
É o processo térmico mais praticado, com enfoque para resíduos
domiciliares e especiais (ex. patogênicos);
Mereceu maior atenção a partir da identificação dos riscos de emissão de
poluentes persistentes (dioxinas e furanos);
Os maiores riscos em resíduos contendo enxofre, cloro, fluor e bromo;
INCINERAÇÃO
FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE INCINERAÇÃO
chaminé
caldeira
eletrofiltro
silo de lixo
Descarregamento
lavagem de gases
silo de
escória
efluente
líquido
partículas
coletadas
torre de
resfriamento
gesso
lodo
gerador
circuito de aquecimento domiciliar
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
INCINERAÇÃO
Eeee
LEGISLAÇÃO APLICADA: RESOLUÇÃO CONAMA 316
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;
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
LEGISLAÇÃO APLICADA: RESOLUÇÃO CONAMA 316
Estudos técnicos obrigatórios:
Projetos básicos e de detalhamentos;
Estudos Ambientais (EIA/RIMA ou outro);
Análise de risco;
Plano do teste de queima;
Plano de contingência;
Plano de emergência.
INCINERAÇÃO
LIMITAÇÕES E RISCOS DO PROCESSO
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
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;
• 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
Gases
Não combustíveis - CO2
• Principais produtos:
Líquidos
Sólidos
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.
• 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
5-Caldeira
6-Tanques de
Expansão/Compressão
4-Fornalha
3Lavadores
1-Correia
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
carbonizado que possui poder calorífico.”
PIRÓLISE
PROCESSO PYROLIX
Pesagem e carregamento
Sistema primário de lavagem de
gases
PIRÓLISE
PROCESSO PYROLIX
Controlador lógico programável
Descarga 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
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
(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.
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
CICLO ORGÂNICO DE RANKINE (ORC)
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
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);
•
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.
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
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.”
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
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
encaminhado à uma
turbina acoplada a um
gerador
•
O vapor é condensado
e o ciclo se inicia
novamente
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
EFICIÊNCIA DO ORC
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
GERAÇÃO ELÉTRICA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E VAZÃO
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
CICLO ORGÂNICO DE RANKINE
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
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
CICLO ORGÂNICO DE RANKINE
ORC montado em container com capacidade de geração de 46KW, em
propriedade rural de Hedeper, Alemanha. Fabricante: GMK
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
CICLO ORGÂNICO DE RANKINE
Fluxograma do módulo ORC de 46KW com registro das temperaturas
de processo em Hedeper, Alemanha. Fabricante: GMK
GERAÇÃO DE ENERGIA
G
CICLO ORGÂNICO DE RANKINE
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
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 Melo
Professor Associado
Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental – DESA
Escola de Engenharia da UFMG
E-mail: [email protected]