Sistemas Purificação de Biogás de Esgoto para

Sistema de Purificação de Biogás de Esgoto para utilização em
Microturbinas
Velázquez, Sílvia Maria Stortini González [1]
E-mail: [email protected]
Avellar, Luís Henrique Nobre [1]
E-mail:[email protected]
Martins, Osvaldo Stella [1]
E-mail: [email protected]
Costa, David Freire [1]
E-mail: [email protected]
Guardabassi, Patrícia Maria [1]
E-mail: [email protected]
Varkulya, Américo Jr. [1]
E-mail: [email protected]
Pecora, Vanessa [1]
E-mail: [email protected]
[1]
USP – Universidade de São Paulo
CENBIO – Centro Nacional de Referência em Biomassa
Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-010 – São Paulo – SP – Brasil
Fone: +55 11 3483 6983 Fax: +55 11 3091 2649
[1]
Resumo: Nesse artigo pretende-se apresentar considerações voltadas à produção de eletricidade com microturbinas
utilizando biogás gerado no processo de tratamento de esgotos da SABESP – Companhia de Saneamento Básico do
Estado de São Paulo, mais especificamente na Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) de Barueri. Este é um projeto
conjunto com o BUN – Biomass Users Network do Brasil (proponente), em parceria com o CENBIO – Centro Nacional
de Referência em Biomassa (executor), com o apoio da FINEP / CTNERG, mediante o CONVÊNIO No: 23.01.0653.00,
referente ao Projeto ENERG-BIOG – “Instalação e Testes de uma Unidade de Demonstração de Geração de Energia
Elétrica a partir de Biogás de Tratamento de Esgoto”.
Inicialmente serão mostradas atualidades dos sistemas de tratamento de esgotos no Brasil, enfatizando o Estado de São
Paulo e a região metropolitana da Grande São Paulo.
Em continuidade estarão maiores detalhes sobre a produção de biogás em sistemas de tratamento de esgotos, bem como
suas características físico-químicas.
Para o aproveitamento desse combustível, respeitando a legislação brasileira vigente, bem como para uma maior duração
dos equipamentos de produção de eletricidade, é necessário adotar sistemas de purificação de biogás. No artigo,
pretende-se enfatizar principalmente os avanços na área de sistemas específicos de purificação do biogás proveniente
dos esgotos produzidos na ETE de Barueri.
Assim, a contribuição desse artigo estará na apresentação do desenvolvimento de um sistema de purificação do biogás de
esgoto utilizado no projeto, inclusive envolvendo considerações relativas ao dimensionamento de tais equipamentos,
bem como maiores detalhes sobre o sistema de geração de eletricidade propriamente dito (microturbinas a biogás).
Palavras-chaves: biogás; eletricidade; esgoto; purificação.
1. Introdução
A deficiência no tratamento dos efluentes líquidos residenciais, mais conhecidos como esgoto doméstico,
atinge todas as áreas do País. Mesmo no Estado de São Paulo, responsável por aproximadamente 40% do
PIB do país, o esgoto é coletado nas áreas urbanas e na maioria dos casos, não recebe nenhum tipo de
tratamento antes de ser despejado nos cursos de água.
Atualmente, além das questões de saúde da população, outro aspecto que envolve o setor de saneamento
básico consiste na sua interface entre o uso racional da água e de energia elétrica, fator evidenciado pela
crise energética recentemente atravessada pelo país.
A situação do setor de saneamento no Brasil, no que diz respeito à energia elétrica, foi apresentada pelo
Departamento de Desenvolvimento de Projetos Especiais da Eletrobrás. Para perdas da ordem de 40%,
estima-se que o potencial total de conservação de energia elétrica do setor de saneamento seja de 2,82
bilhões de kWh/ano. A realização de 15% deste potencial representaria 423 milhões de kWh/ano, o que
corresponde a R$ 423 milhões/ano para uma tarifa média de R$ 1,07/m3. Em 2000, o mercado brasileiro,
que correspondeu a 47 milhões de consumidores, consumiu 306 bilhões de kWh. As despesas das
concessionárias do setor de saneamento com energia elétrica variam entre 5 e 20%, sendo o segundo item
após as despesas com pessoal (Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 69 – Maio de 2002).
Neste contexto, este paper aborda o aproveitamento energético de um resíduo derivado do processo de
tratamento de efluentes líquidos, objetivando a melhoria do desempenho global do mesmo, reduzindo a
emissão de gases efeito estufa, colaborando para aumentar a eficiência energética global da estação de
tratamento e conseqüentemente a viabilidade do saneamento básico no País.
2. Tratamento de Esgoto no Brasil
A prestação do serviço de saneamento básico no Brasil concentra-se em 27 concessionárias estaduais,
responsáveis pelo atendimento de 75% da população servida por sistemas de abastecimento de água (mais de
4.000 municípios), sendo os demais municípios (cerca de 1.300) atendidos por empresas municipais
autônomas. Desta parcela da população, cerca de 93% reside em áreas urbanas.
Esta estrutura corresponde a uma taxa média de novas ligações de água e de esgotos de 2% ao ano, enquanto
que a taxa de crescimento da população urbana varia em 1,2% ao ano. É importante também considerar o
consumo per capta de água, que varia entre 71 e 278 litros/hab.dia (Revista Controle & Instrumentação –
Edição nº 69 – Maio de 2002).
De maneira geral, apenas 39% da população brasileira é servida com rede de coleta de esgoto, sendo que
somente 10% do esgoto sanitário recebem algum tipo de tratamento, situação ainda agravada quando
consideradas as perdas da água tratada, correspondentes a mais de 40%. Uma visão geral do setor e
tratamento de esgotos no Brasil é ilustrada na tabela 1.
Tabela 1. Situação do Setor de Tratamento de Esgoto no Brasil.
Distritos com coleta de
esgoto sanitário
Regiões
Participação Regional em
relação ao Brasil (%)
Total
Com
tratamento
Sem
tratamento
Com
tratamento
Sem
tratamento
Brasil
4.097
(100%)
1.383
(33,76%)
2.714
(66,24%)
100 %
100 %
Norte
35
(0,85%)
19
(54,29%)
16
(45,71%)
1,37 %
0,59 %
Nordeste
933
(22,77%)
252
(27,01%)
681
(72,99%)
18,22 %
25,09 %
Sudeste
2.544
(62,09%)
795
(31,25%)
1.749
(68,75%)
57,48 %
64,44 %
Sul
501
(12,23%)
260
(51,90%)
241
(48,10%)
18,80 %
8,88 %
Centro Oeste
84
(2,05%)
57
(67,86%)
27
(32,14%)
4,12 %
0,99 %
Fonte: IBGE, 2000.
Estudos realizados pelo Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES) e pela Caixa
Econômica Federal apontam para a necessidade de se investir R$ 6 bilhões por ano no setor de saneamento
do país, garantindo assim, uma demanda futura até o ano de 2010. O mercado para a automação é imenso,
mas, na prática, o setor de saneamento no país não investe nem metade do valor necessário. O domínio
público nas concessionárias trava algumas ações que poderiam melhorar os índices de coleta de esgoto,
tratamento e distribuição de água. Nesse setor pode-se dizer que, em geral, o nível tecnológico é bem maior
nas empresas autônomas ou de economia mista (Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 69 – Maio
de 2002).
Frente ao grande volume de resíduos provenientes das explorações agrícolas e pecuárias, assim como
aqueles produzidos por matadouros, destilarias, fábricas de lacticínios, tratamentos de esgotos domésticos e
aterros sanitários, a conversão energética do biogás se apresenta como uma solução que agrega ganho
ambiental e redução de custos a medida em que reduz o potencial tóxico das emissões de metano ao mesmo
tempo em que produz energia elétrica.
3. Produção de Biogás em Sistemas de Tratamento de Esgoto
O biogás trata-se de uma mistura gasosa combustível, resultante da fermentação anaeróbia de matéria
orgânica, que consiste no lodo, no caso de sistemas de tratamento de esgoto. O lodo é um sub-produto
sólido, gerado no tratamento dos esgotos (junto com sólidos grosseiros, areia e escuma), representando a
maior parcelas entre todos eles, sendo o substrato que deve receber maior importância em relação a seu
tratamento, chamado tratamento da fase sólida, também incluindo sua disposição final.
A proporção de cada gás na mistura depende de vários parâmetros, como o tipo de digestor e o substrato
(matéria orgânica a digerir). De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH4)
e dióxido de carbono (CO2), estando o seu poder calorífico diretamente relacionado com a quantidade de
metano existente na mistura gasosa.
A formação do biogás envolve, basicamente três etapas, sendo elas a fermentação, a acetogênese e a
metanogênese.
O processo de fermentação envolve ainda outras duas etapas, a hidrólise e a acidogênese. A primeira
converte a matéria orgânica em moléculas menores pela ação de bactérias hidrolíticas, que transformam
proteínas em peptídeos e aminoácidos, polissacarídeos em monossacarídeos, gorduras em ácidos graxos,
pela ação de enzimas extracelulares, como a protease, a amilase e a lipase. Em seguida, durante a
acidogênese, as bactérias fermentativas transformam esses produtos em ácidos solúveis (ácido propiônico,
butírico e fórmico, por exemplo), álcoois e outros compostos. Também atuam as chamadas bactérias do
ácido fórmico que degradam as moléculas orgânicas solúveis em dióxido de carbono (CO2), gás hidrogênio
(H2) e ácido acético (CH3COOH) que serão utilizados pelas bactérias metanogênicas na última etapa do
processo de formação de metano.
Uma vez encerrada a fermentação tem início a acetogênese, etapa onde atuam bactérias facultativas, capazes
de agir, tanto em meio aeróbio, quanto anaeróbio. O oxigênio necessário para efetuar essas transformações é
retirado dos compostos que constituem o material orgânico, não necessitando estar no ar. As bactérias
acetogênicas transformam os produtos obtidos na primeira etapa (ácido propiônico e butírico, por exemplo)
em ácido acético (CH3COOH), hidrogênio (H2) e dióxido de carbono (CO2).
A última etapa na produção do biogás, sendo esta a metanogênese, é a formação de metano, onde atuam
obrigatoriamente bactérias anaeróbias e extremamente sensíveis a mudanças no meio, como temperatura e
pH. As bactérias metanogênicas transformam o hidrogênio (H2), o dióxido de carbono (CO2) e o ácido
acético (CH3COOH), obtidos tanto na etapa fermentativa quanto na etapa acetogênica, em metano (CH4) e
dióxido de carbono (CO2) (COSTA et al, 2001).
Na ETE da SABESP em Barueri/SP, a maior da América Latina, encontra-se em fase de testes, um projeto
piloto visando o aproveitamento do biogás como combustível, para a geração de energia elétrica, cujos
primeiros levantamentos indicaram uma produção média de 22.000 m3 (tratamento secundário) por dia de
biogás (chegando a 28.000m3/dia em alguns períodos), com um PCI (poder calorífico inferior, estimado) de
4.850 kcal/Nm3 (20.2 MJ/Nm3), cuja composição (%) é apresentada na tabela 2 e outras características do
biogás, são apresentadas na tabela 3.
Tabela 2. Composição do Biogás em %.
Composição Média da Mistura Gasosa
Metano (CH4)
Dióxido de Carbono (CO2)
Oxigênio (O2) + Nitrogênio (N2)
Fonte: IPT e SABESP, 2001.
62,5%
31%
6,5%
Tabela 3. Outras Características.
Outras Características
Enxofre Total (como S) 3
P.C.I. 1
Densidade 2
Pressão 3
Volume Produzido 3
9,369 mg/m3
5.600 Kcal/m3
0,874 g/l
250 mm c.a. (Medida no Gasômetro)
22.000 m3/dia (aprox.)
Fontes: 1 CENBIO, 2 I.P.T. e 3 SABESP,2001.
4. Tecnologias de Conversão do Biogás
Existem diversas tecnologias para efetuar a conversão energética do biogás. Entende-se por conversão
energética o processo que transforma um tipo de energia em outro. No caso do biogás a energia química
contida em suas moléculas é convertida em energia mecânica por um processo de combustão controlada.
Essa energia mecânica ativa um gerador que a converte em energia elétrica.
As turbinas a gás e os motores de combustão interna do tipo “Ciclo – Otto”, são as tecnologias mais
utilizadas para esse tipo de conversão energética, outras possibilidades, porém ainda não viáveis
comercialmente, consistem na queima direta do biogás em caldeiras para cogeração e o uso de células
combustíveis. Algumas características das tecnologias comerciais são descritas nas tabelas 4 e 5.
Tabela 4. Características das Tecnologias Comerciais.
Motores a Gás
Turbinas a Gás
(Médio Porte)
Microturbinas
(Pequeno Porte)
Potência
Rendimento
30 kW – 20 MW
30% – 40%
500 kW – 150 MW
20% - 30%
30 kW – 100 kW
24% - 28%
Emissões
de NOx
250 ppm – 3.000 ppm
35 ppm – 50 ppm
(gás de aterro)
< 9 ppm
Fonte: CENBIO, 2003.
Tabela 5. Outras Características Comerciais.
Custos O&M
(não incluindo combustíveis)
Tecnologia
Preço dos Combustíveis
Preço
(US$/MWh)
Local
Tipo
Preço
(US$/MWh)
10
Espanha
Gás
Natural
35,40 (Espanha)
46,34 (Brasil)
30
EUA
5
4
Espanha
EUA
Motores
Ciclo Otto (gás)
Motores Dual
(Diesel +
Biogás)
Turbinas
Microturbinas
Diesel
72,20 (Espanha)
95,32 (Brasil)
Custo Médio da Emergia
Elétrica
Ofertados pelas
Concessionárias
Preço
Local
(US$/MWh)
51
Espanha
50 – 120
EUA
42
Brasil
Fonte: CENBIO, 2003.
Outros fatores que devem ser levados em consideração, no que se refere à comparação das opções de
tecnologias para biogás, dizem respeito aos aspectos técnicos e eficiência de conversão.
Vale ressaltar que, embora os motores, de modo geral, possuam maior eficiência de conversão elétrica, as
turbinas a gás podem apresentar um aumento de sua eficiência global de conversão, quando operadas em
sistemas de cogeração (calor e eletricidade) (COSTA et al, 2001).
Com o intuito de melhor avaliar a eficiência das tecnologias acima citadas, foi instalada, em meados do mês
de dezembro de 2002, uma microturbina Capstone de 30 kW de potência (ISO), em conjunto com o sistema
de purificação do biogás, para testes. Os resultados serão comparados com o desempenho dos motores, em
termos técnicos, econômicos e ambientais. O objetivo é, ao final dos testes, avaliar a possibilidade de uso de
microturbinas para geração em municípios de pequeno porte.
5. Limpeza do Biogás
A presença de substâncias não combustíveis no biogás, como água e dióxido de carbono, prejudica o
processo de queima, tornando-o menos eficiente. Estas substâncias misturam-se com o combustível,
absorvendo parte da energia gerada. Além destes, também há a presença de gás sulfídrico (H2S), que pode
acarretar em uma corrosão precoce, diminuindo tanto o rendimento, quanto a vida útil do motor térmico
utilizado.
A maioria dos digestores anaeróbios produz um biogás que contém entre 0,3 e 2% de H2S e significantes
quantidades de mercaptanas, observando-se também a presença de traços de nitrogênio e hidrogênio
(COSTA et al, 2001).
Normalmente, retiram-se os contaminantes, permanecendo CO2 e produzindo um gás de médio poder
calorífico (4000 kcal/kg a 6000 kcal/kg) que alimenta os equipamentos adaptados (CENBIO, 2000).
As técnicas usualmente empregadas na purificação do biogás são mostradas na tabela 6.
Tabela 6. Técnicas de remoção de impurezas do biogás.
Impureza
Descrição geral
Adsorção
Água1
Absorção
Refrigeração
Adsorção
Hidrocarbonetos1
Absorção
Combinação
Absorção
CO2 e H2S1
Adsorção
Siloxina2
Separação por
membranas
Adsorção
Detalhes
Silica gel
Peneira molecular
Alumina
Etileno glicol
(temperatura -6,7oC)
Selexol
Resfriamento a 2oC
Carvão ativado
Óleo leve
Etileno glicol
Selexol
(temperatura entre -6,7oC e -33,9oC)
Refrigeração com Etileno glicol e adsorção em carvão ativado
Solventes orgânicos
Selexol
Flúor
Rectisol
Soluções de sais alcalinos
Potássio quente e potássio quente inibido
Alcanolaminas
Mono, di - tri - etanol amina
Deglicolamina
Ucarsol-CR
Peneiras moleculares
Carvão ativado
Membrana de fibra oca
Carvão ativado
Fontes: 1 Alves,20002; Capstone, 2001.
O biogás gerado na ETE da SABESP em Barueri contém certas impurezas que podem comprometer o bom
funcionamento do sistema de purificação (secadores por refrigeração), de compressão (compressor de
paletas) e de geração de energia elétrica (microturbina), presentes na instalação. As impurezas mais
relevantes encontradas no biogás são basicamente:
•
•
•
•
Umidade: pode comprometer o bom funcionamento das partes internas da microturbina (bicos
injetores, câmara de combustão, paletas da turbina), além de provocar o empobrecimento do Poder
Calorífico do biogás;
H2S: também pode comprometer o bom funcionamento das partes internas dos secadores, do
compressor e da microturbina, pelo efeito da corrosão causada pelo H2S na forma gasosa ou
solubilizado na água;
Presença de ar na tubulação: causa empobrecimento do Poder Calorífico do biogás;
CO2: gás inerte que também causa empobrecimento do Poder Calorífico do biogás, porém, a
microturbina utilizada na instalação, foi projetada para operar com níveis de CO2, entre 30% e 50%.
Devido a este fato, não se tornou necessária a retirada deste elemento do biogás.
Para a retirada da umidade presente no biogás, foram utilizados ao longo da linha, filtros coalescentes e dois
secadores por refrigeração, um antes e outro após o compressor. Quanto a remoção do H2S gasoso, foi
utilizado um filtro de carvão ativado, operando pelo princípio de adsorção, enquanto que, para a remoção do
H2S solubilizado na água, foram utilizados secadores por refrigeração e filtros coalescentes.
Tendo em vista que a microturbina corresponde ao equipamento de maior custo da instalação, o sistema de
purificação empregado neste projeto, piloto na América Latina, foi dimensionado de forma a garantir que as
características do biogás estejam dentro das especificações requeridas pela microturbina.
Os resultados das análises do biogás já realizadas demonstram que o sistema de purificação proposto atende
as necessidades requeridas pelo equipamento de conversão, ou seja, a microturbina a biogás.
A remoção do CO2 do biogás, quando necessária, dá-se pela adsorção física do CO2 na água, sendo este um
processo antigo que utiliza a água como adsorvente, esta pode ser regenerada por despressurização.
Além disso, fabricantes de microturbinas nos EUA perceberam recentemente a presença de impurezas no
biogás até então desconhecida. Trata-se da siloxina, um composto de sílica proveniente de produtos de
higiene pessoal e cosméticos. Sua presença, na ordem de ppb (partes por bilhão) acarreta, ao longo do
tempo, problemas nos rotores de turbinas e motores pela formação de grãos de silica (areia) dentro dos
equipamentos devido à elevada temperatura (CAPSTONE, 2001). Esta substância apresenta baixa
solubilidade em água e se aglomera nos sólidos transferidos aos digestores das estações de tratamento de
esgoto. No ambiente quente dos biodigestores, sua concentração aumenta devido à decomposição de silício e
de outros polímeros que contêm esta substância, cuja fórmula estrutural é mostrada na figura 1.
Figura 1. Fórmula Estrutural da Siloxina (Capstone, 2001).
Como o biogás, que contém siloxina, é queimado, o silício reage com o oxigênio formando dióxido de
silício, mais conhecido como sílica. As partículas de sílica são abrasivas e possuem elevado ponto de fusão.
Quando a siloxina está presente no combustível injetado na Microturbina, finas partículas de sílica se
formam na câmara de combustão. Essas partículas são carregadas pelos gases a velocidades elevadíssimas,
através do rotor da turbina, e saem pelo recuperador e trocador de calor (quando instalados). Com o passar
do tempo, essas partículas abrasivas causam erosão em algumas das superfícies metálicas com que entraram
em contato.
No caso das microturbinas Capstone, as bordas das pás são os componentes mais suscetíveis à corrosão.
Quando a corrosão destas pás progride a uma condição extrema, o gerador da turbina sofre severa perda de
potência e o motor deve ser reformado. Testes feitos pelo fabricante mostram que isto pode ocorrer entre
algumas centenas e milhares de horas de operação, dependendo da concentração de siloxina no combustível.
Em outros equipamentos geradores (motores de combustão interna e turbinas a gás) que utilizam biogás de
aterro e biogás de esgoto, também foram constatados problemas relativos à deposição e erosão em
decorrência da presença de sílica. Estes depósitos costumam ser encontrados na cabeça e anéis dos cilindros
dos motores de combustão interna, e nos tubos do recuperador de calor das turbinas a gás. Manutenção e
reforma tendem a ter custo elevado.
Também devido ao modo como é gerado, o biogás contém alto teor de umidade, sendo necessário a sua
desumidificação. Qualquer resfriamento ou compressão do gás durante o processo, causa condensação da
fase líquida quando o gás entra no equipamento de conversão, sendo crítica a situação ao se tratar de
turbinas a gás. A remoção do condensado, seguida do aquecimento do gás, produz um gás seco cuja
temperatura é superior ao seu ponto de orvalho. O mesmo efeito pode ser criado pelo uso de um dessecante.
Comprimindo o gás seco, e resfriando-o em seguida, é produzida maior quantidade de condensado. Mais
uma vez, o gás deve ser resfriado, separado e reaquecido, ou passado por um dessecante.
O objetivo final é introduzir o gás pressurizado na microturbina na qual o biogás chegará no bloco do
manifold no mínimo 10ºC acima do ponto de orvalho. Este planejamento deve levar em conta as maiores e
menores temperaturas ambiente, as quais o equipamento será exposto.
6. Equipamentos Utilizados
Os equipamentos empregados na ETE de Barueri, bem como suas funções, são descritos na tabela 7. Na
figura 2 é apresentado um esquema das instalações do projeto.
A quantidade de biogás a ser consumida pela microturbina (20 m3/h ou 480 m3/dia, em média) é bastante
reduzida quando comparada com o consumo dos motores (12.430 m3/dia, segundo os estudos da SABESP),
pela própria diferença de escala dos equipamentos.
Tabela 7. Função dos equipamentos da instalação.
Equipamento
Válvula Esfera 1
Manômetro
Plug Reserva 1
Sensor de Pressão 1
Sensor de Temperatura 1
Filtro Coalescente 1
Filtro de Carvão Ativado
Válvula Esfera 2
Secador por Refrigeração 1
Compressor de Palhetas
Válvulas Esfera 3
Separador de Líquido com
Dreno
Filtro Coalescente 2
Sensor de Temperatura 2
Sensor de Pressão 2
Plug Reserva 2
Plug Reserva 3
Válvulas Esfera 4
Secador por Refrigeração 2
Válvula Esfera 5
Filtro Coalescente 3
Filtro de Gás
Válvula Reguladora de
Função
Abertura e fechamento da passagem de biogás no começo da linha
(bancada 1).
Mede a pressão na entrada da linha.
Disponibiliza a coleta de amostra do biogás, antes do sistema de
purificação, para análise em laboratório.
Disponibiliza e armazena dados sobre a pressão na linha, na bancada 1,
para monitoramento pelo computador.
Disponibiliza e armazena dados sobre a temperatura na linha, na bancada 1,
para monitoramento pelo computador.
Retirada de particulados, óleo e parte da umidade presente no biogás.
Retirada de compostos de enxofre (principalmente H2S) e siloxina,
presentes no biogás.
Abertura e fechamento da passagem de biogás antes do Secador por
Refrigeração 1 (final da bancada 1).
Retirada da umidade presente no biogás.
Eleva a pressão na linha para 80 psi, devido a pressão de trabalho exigida
pela microturbina.
Abertura e fechamento da passagem de biogás depois do Compressor de
Palhetas (início da bancada 2).
Retirada do excesso de umidade presente no biogás na entrada da linha.
Retirada de particulados, óleo e parte da umidade presente no biogás após a
compressão do mesmo.
Disponibiliza e armazena dados sobre a temperatura na linha, na bancada 2,
para monitoramento pelo computador.
Disponibiliza e armazena dados sobre a pressão na linha, na bancada 2,
para monitoramento pelo computador.
Disponibiliza a coleta de amostra do biogás, após a compressão do mesmo,
para análise em laboratório.
Reserva para futura implantação de um novo equipamento.
Abertura e fechamento da passagem de biogás antes do Secador por
Refrigeração 2 (final da bancada 2).
Retirada da umidade formada no biogás após a compressão do mesmo.
Abertura e fechamento da passagem de biogás depois do Secador por
Refrigeração 2 (início da bancada 3).
Retirada de particulados, óleo e parte da umidade presente no biogás após a
secagem do mesmo.
Retirada de particulados presentes no biogás, antes da entrada do mesmo na
microturbina.
Regula a pressão de entrada do biogás (entre 75 ~ 80 psi) na microturbina.
Pressão
Sensor de Temperatura 3
Sensor de Pressão 3
Plug Reserva 4
Plug Reserva 5
Medidor de Vazão
Válvula Esfera 6
Microturbina Capstone
Fonte: CENBIO, 2003.
Disponibiliza e armazena dados sobre a pressão na linha, na bancada 3,
para monitoramento pelo computador.
Disponibiliza e armazena dados sobre a pressão na linha, na bancada 3,
para monitoramento pelo computador.
Disponibiliza a coleta de amostra do biogás, após o sistema de purificação
do mesmo, para análise em laboratório.
Reserva para futura implantação de um novo equipamento.
Disponibiliza e armazena dados sobre a vazão na linha, na bancada 3, para
monitoramento pelo computador.
Abertura e fechamento da passagem de biogás antes da entrada do mesmo
na microturbina (final da bancada 3).
Responsável pela geração de energia elétrica e térmica
(pelos gases de exaustão) por meio da combustão do biogás.
Secador por
Refrigeração 1
Secador por
Compressor
Válvula Esfera 2
de Palhetas
Filtro de Carvão
Filtro Coalescente 1
Refrigeração 2
Válvulas
Esfera 5 e 6
Válvulas Esfera 3 e 4
Filtro
Separador de Líquido com
Sensor de Temperatura
Coalescente 3
Plug Reserva 3
Plug Reserva 2
Sensor de Pressão
Medidor
Saída do
de Vazão
Gás de Exaustão
Filtro Coalescente 2
Filtro de Gás
Plug Reserva
Sensor de Pressão 2
4e5
Válvula
Sensor de Temperatura 2
Reguladora de
Plug Reserva 1
Pressão
Sensor de
Pressão 3
Manômetro
Sensor de
Temperatura 3
Tubulação de Aço Inox Rígida
Válvula Esfera 1
Figura 2. Esquema da Instalação (CENBIO, 2003).
Tubulação de Aço Inox Flexível
Microturbina
Capstone
7. Conclusão
O presente trabalho aponta a possibilidade de recuperação e uso energético do biogás gerado pelo tratamento
anaeróbio de esgoto, servindo também como incentivo para a ampliação da prestação deste serviço no
Brasil, integrando o uso sustentável dos recursos naturais renováveis com o uso racional e eficiente de
energia. No entanto, para que isso ocorra, é necessário que o biogás produzido apresente composição e
características adequadas à tecnologia de conversão empregada.
Dessa forma, a tabela 8 exibe uma comparação dos resultados obtidos por meio das análises feitas no biogás
da ETE da SABESP em Barueri, com as especificações do gás combustível de alimentação da microturbina
(Modelo: C30 L/DG), de acordo com o fabricante Capstone.
Tabela 8. Comparação dos resultados das análises do biogás com as especificações definidas pelo fabricante
Capstone.
Variante
O2
N2
CO2
CH4
H2S
H2O (P.O.)*
P.C.I.
Unidade
% Volume
% Volume
% Volume
% Volume
ppm em vol.
% Volume
kJ/m3
Capstone
0 – 10
0 – 50
0 – 50
30 – 100
0 – 70.000
0–5
13.800 – 27.605
Barueri
0,00 - 6,30
0,22 - 23,8
25,0 - 30,8
44,1 - 69,94
0,08 - 230
0,1 - 2,8
14.715 - 23.852
Observações
Aprovado
Aprovado
Aprovado
Aprovado
Aprovado
Aprovado
Aprovado
(*) P.O.: Ponto de Orvalho.
Fonte: CENBIO, 2003.
Dessa forma, é possível concluir que o sistema de purificação projetado atende às especificações técnicas do
combustível, exigidas pela microturbina. Vale ressaltar que a escolha e o dimensionamento dos
equipamentos da linha do sistema de purificação e de compressão do biogás foram feitos de acordo com as
necessidades técnicas da microturbina, ou seja, procurou-se projetar um sistema que atendesse seguramente
aos parâmetros necessários para a operação do equipamento gerador.
Diante disso, com as análises dos resultados de operação, poderiam ser feitas alterações significativas na
configuração do projeto, de modo a otimizar o desempenho do sistema como um todo, além de propiciar o
desenvolvimento de uma instalação semelhante com um menor custo.
8. Bibliografia
ALVES, J.W.S “Diagnóstico Técnico Institucional da Recuperação e Uso Energético do Biogás Gerado
pela Digestão Anaeróbica de Resíduos”, Dissertação de Mestrado, PIPGE/USP, 2000.
CAMPOS, J. R. et alli(1999). “Tratamento de Esgotos Sanitários por Processo Anaeróbio e Disposição
Controlada no Solo”, PROSAB, Abes, Rio de Janeiro, p. 435.
CAPSTONE, “Authorized Service Provider Training Manual” Capstone Turbine Corporation, 2001.
CATUNDA, P. F., van Haandel, A. C. (1980). “Activated Sludge Settlers: Design and Optimization”
Water Sci. Tech., 19, p. 613-623.
CENBIO, “Nota Técnica VII - Geração de Energia a Partir do Biogás Gerado por Resíduos Urbanos e
Rurais”, 2001
CENBIO, “Relatórios de Atividades”, 2002.
CENBIO, “Relatórios de Atividades”, 2003.
COSTA et al “Produção de Energia Elétrica a partir de Resíduos Sólidos Urbanos”, Trabalho de
Graduação Interdisciplinar/FAAP, São Paulo, 2001.
DIXON, N. G. H., Gambrill, M. P., Catunda, P. F., van Haandel, A. C. (1995). “Removal of pathogenic
organisms from the effluent of na upflow anaerobic digester using waste stabilization ponds”,
Water Science Tech., 31, 275-284.
ENERGETICS INC. , “Summary of the Microturbine Technology Summit”, Florida, 1998.
EPA “Case Studies in Residual Use and Energy Conservation at Wastewater Treatment Plants”
Washington, 2001.
HAYNES. J.A., “Oxidation-Resistant Coatings on Silicon Nitride for Microturbines”, Oak Ridge
National Laboratory, Oak Ridge, 2001.
IBGE, “Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística”, 2000.
IPT, “Instituto de Pesquisas Tecnológicas”, 2001
JHUNG, J. K., Choi, E. (1995). “A comparative study of UASB and anaerobic fixed film reactors with
development of sludje granution”, Water Science Tech., Vol. 29, 271-277.
LANDMAN, M. “Microturbines Fuelled by Gasified Biomass- An Investigation of the Current Status
of Application of Biomass Gasification using Microturbines”, São Paulo, 2001.
OLIVA, L. C. H. V. (1997). “Tratamento de esgotos sanitários com reator anaeróbio de manta de lodo
(UASB)”. Protótipo: desempenho e respostas dinâmicas às sobrecargas hidráulicas, São Carlos, Tese
de Doutorado em Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos, USP.
PATH, P. “Green House Gas Emissions and Energy Benefits of Anaerobic Digestion of Animal
Waste”, NREL, 2001.
PIERSON, F.W, “Energy from Municipal Waste: Assessment of Energy Conservation and Recovery in
Municipal Wastewater Treatment”, Argonne National Laboratory, Argonne, 1992.
Revista Controle & Instrumentação “Saneamento: mercado de R& 6 bilhões/ano”– Edição nº 69 – Valete
Editora Técnica Comercial Ltda.– São Paulo, SP – Maio de 2002.
SABESP “Síntese de Informações Operacionais dos Sistemas de Tratamento de Esgotos da RMSP –
Outubro /00 – Setembro/01” Unidade de Negócio de Tratamento de Esgotos, 2001
SABESP “Companhia e Saneamento Básico do Estado de São Paulo”, 2001
SAYED, S. K. I. (1987). “Anaerobic Treatament of Slaugterhouse Wastewater Maing the UASB
Process”, Univ. de Wageningen, Wageningen, Holanda.
TNRCC, “Air Quality Standart Permit for Electric Generating Units”, Texas Natural Resource
Conservation Commission, Austin, 2001.
VAN HAANDEL, A. C. (1994). “Influence of the digested cod concentration on the alkalinity
requirement in anaerobic digesters”, Water Science Tech., 30, 23-24.
VAN HAANDEL, A. C., Verton, P. (1994). “Evaluation of institutional and Technological aspects
related to the collection and treatment of sewage by SANEPAR in the state of Paraná-Brasil”.
World Bank, Curitiba.
VON SPERLING, M. (1996). “Princípios Básicos do Tratamento de Esgotos”, DESA-UFMG, Belo
Horizonte, 210 p.
WAGNER, M. “Utilization of Natural Gás, Biogás and Special Gases in Gás Engines – Requirementes
and Experiences” Jenbacher AG, Austria, 2001.
9. Copyright Notice
The author is the only responsible for the printed material included in his paper.
Biogas Purification System From Sewer For Microturbines Utilization
Velázquez, Sílvia Maria Stortini González [1]
E-mail: [email protected]
Avellar, Luís Henrique Nobre [1]
E-mail:[email protected]
Martins, Osvaldo Stella [1]
E-mail: [email protected]
Costa, David Freire [1]
E-mail: [email protected]
Guardabassi, Patrícia Maria [1]
E-mail: [email protected]
Varkulya, Américo Jr. [1]
E-mail: [email protected]
Pecora, Vanessa [1]
E-mail: [email protected]
[1]
USP – Universidade de São Paulo
CENBIO – Centro Nacional de Referência em Biomassa
Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289 CEP 05508-010 – São Paulo – SP – Brasil
Fone: +55 11 3483 6983 Fax: +55 11 3091 2649
[1]
Abstract: This article intends to present some considerations directed to electricity generation with 30 kW
(ISO) micro turbines, using biogas generated by sewage treatment process in SABESP (Basic Sanitation
Company of São Paulo State), located at Barueri, Brazil. This project, pioneer in Latin America, is being
accomplished together with BUN – Biomass Users Network of Brazil (proponent), in association with
CENBIO – Biomass Reference National Center (executer), with patronage of FINEP / CT-ENERG
(financial backer), by means of CONVENTION No: 23.01.0653.00, regarding to ENERG-BIOG Project –
“Installation and Tests of an Electric Energy Generation Demonstration Unit from Biogas Sewage
Treatment”.
Initially will be presented some aspects about sewage treatment in Brazil, enforcizing São Paulo State,
including its metropolitan region.
Moreover bigger details about biogas production in sewage treatment systems will be shown, as well as its
physicist-chemistries characteristics.
For the exploitation of this fuel, respecting the effective Brazilian legislation, as well as for longer
equipment’s useful life to electricity production, is necessary to adopt biogas purification systems. In this
article, it is intended to emphasize the advances obtained in the biogas purification systems proceeding from
sewers produced at the Barueri Sewer Treatment Station, São Paulo State.
Thus, the contribution of this article will be in the development of biogas purification systems from sewer
used in the project, also including relative aspects about the sizing of such equipment installed, as well as
details about electricity generation system using micro turbines as biogas conversion technology.
Keywords: biogas; electricity; swage; purification.