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An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Biodigestores associados a sistema de cogeração para o aproveitamento do biogás produzido a partir de resíduos de suinocultura

 

 

Ederaldo Godoy JúniorI; Luiz Roberto CarrocciI; José Luiz SilveiraI; José Rui CamargoII; Giorgio Eugênio Oscare GiacagliaII

 

IUniversidade Estadual PaulistA - UNESP, Campus de Guaratinguetá - Departamento de Energia, Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - Guaratinguetá - SP, godoyjr@feg.unesp.br, carrocci@feg.unesp.br, joseluz@feg.unesp.br
IIUniversidade de Taubaté - UNITAU, Departamento de Engenharia Mecânica, Av. Dr. Daniel Danelli, s/n - Taubaté - SP, rui@engenh.mec.unitau.br, giorgio@unitau.br

 

 


RESUMO

Este trabalho propõe conciliar saneamento com geração de energia, a partir do aproveitamento de efluentes de suinocultura. A suinocultura consome energia elétrica e GLP para sua operação propriamente dita e, também, para conforto térmico dos animais, pois as matrizes no verão precisam estar em ambiente condicionado refrigerado e os leitões recém nascidos em ambiente aquecido. Os efluentes de suinocultura, quando tratados anaeróbiamente, geram biogás que pode ser aproveitado em sistemas de cogeração, gerando simultaneamente água ou ar frios, água ou ar quentes e energia elétrica, normalmente reduzindo significativamente os custos operacionais do agro-empreendimento. Os sistemas de reatores anaeróbios de fluxo ascendente (RAFA) para tratamento de águas residuárias de suinocultura, podem ser otimizados para a produção de biogás e redução da demanda química de oxigênio (DQO). No Brasil existem mais de 38 milhões de suínos que produzem, em dejetos, o correspondente a uma população de 170.000.000 de humanos, ou seja, para efeito de comparação, um potencial pronto para gerar cerca de 2.550.000 m³ de biogás por dia. Este trabalho apresenta um sistema para aproveitamento desse biogás por sistemas compostos de quatro reatores em série, formando cascata, utilizando separadores de fases sólida-líquida-gasosa em forma helicoidal e aquecidos por energia solar.

Palavras-chaves: reator anaeróbio de fluxo ascendente, suinocultura, biogás, cogeração, refrigeração, conforto animal.


ABSTRACT

This paper propose to conciliate sanitation with energy generation using pig culture effluents. Pig culture uses electrical energy and LPG for operation and for animals thermal comfort, because during summer matrix need cool environment and the newborn pigs need heating. Pig culture effluents, when anaerobically treated, produce biogás that may be used in co-generation systems, producing at the same time chilled water and fresh air, hot water and warm air and electric power, decreasing, significantly the operational costs. The up-flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor for treating organic waste water, can be optimized to produce biogas and decrease Chemical Oxigen Demand. In Brazil there are more than 38 millions pigs producing the same amount of manure of 170.000.000 humans, it means, a daily potential of 2.2550.000 m3 of biogas. This paper describes a system that uses the produced bio gas in a system composed by four reactors, together with solid-liquid-gaseous stage separators in vortex flow and with solar energy heating.


 

 

1. INTRODUÇÃO

Este trabalho analisa a viabilidade técnica do aproveitamento do biogás gerado no tratamento de resíduos suínos para acionamento de sistemas de cogeração de energia.

LUCAS JÚNIOR, 1994 [5], apresenta vários resultados de estudos de aproveitamento de resíduos suínos (estrume fresco, pré-fermentado e de esterqueiras) por meio de biodigestores tipo batelada, contínuos e de fluxo ascendente, que mostram o grande potencial de produção de biogás combustível e biofertilizante, além do aspecto relacionado à redução da poluição ambiental, inclusive no tocante às emissões de metano na atmosfera.

GODOY JÚNIOR, 2001[4], desenvolveu uma planta piloto constituída por quatro reatores anaeróbios de fluxo ascendente dispostos em série formando cascata e aquecidos por energia solar, com volume útil de 0,238 m³ em PVC, e um separador de fases gasosa-líquida-sólida que foi projetado em formato helicoidal produzindo um vórtex no percurso ascendente do fluxo. Esse sistema foi imerso num reservatório com água aquecida por energia solar, que elevou a temperatura média de 20,2ºC para 31,27ºC aproximando-a da temperatura ótima da metanogênese (35º), ou seja a melhor temperatura para o metabolismo da comunidade bacteriana. O substrato empregado foi efluente de suinocultura com uma DQO média de 4.501 mg/l. Os quatro reatores dispostos em série e os separadores de fases com formato helicoidal, ocasionaram uma maior interação entre o efluente e o lodo, no interior dos reatores, permitindo assim uma melhor degaseificação dos grânulos e um menor arraste de lodo para fora do sistema. As modificações no projeto, na disposição e na operação, permitiram obter redução em média: de 81,2% de DQO; de 97,1% e de 92,8% no NMP de Coliformes totais e fecais, respectivamente, num TRH médio de 12 horas, dispensando qualquer dispositivo eletro-mecânico, pois o sistema operou por gravidade desde a entrada do afluente até a saída do efluente.

 

2. BIODIGESTORES ASSOCIADOS A COGERAÇÃO PARA SUINOCULTURA

Uma vez que na suinocultura consome-se energia para a sua operação e conforto térmico dos animais, pode-se utilizar os próprios dejetos dos animais em sistemas de reatores anaeróbios de fluxo ascendente para gerar biogás que é aproveitado in situ em sistema de cogeração de energia, gerando simultaneamente água gelada ou ar frio para conforto das matrizes, água quente ou ar quente para conforto dos leitões no desmame e eletricidade para acionar bombas d'água para abastecimento e lavagem das instalações.

A Figura 1 mostra esquematicamente uma suinocultura com sistema de biodigestão associado a sistema de cogeração para aproveitamento energético dos resíduos gerados. A Figura 2 mostra esquematicamente um sistema de biodigestão para saneamento ambiental dos resíduos de suinocultura e que gera o biogás que será aproveitado energeticamente. Esse sistema é composto por um biodigestor do tipo chinês, 3 RAFAs e 3 AR, dispostos em série, formando cascata.

Segundo AVELLAR, CARROCCI e SILVEIRA, 2000 [1], o custo de produção de energia elétrica, usando-se biogás, é continuamente menor do que o de gás natural, e ainda, é mais baixo do que o de comprar da concessionária. O tempo de amortização do custo do investimento na planta leva 7,8 anos com gás natural e 3,8 anos com o biogás, mesmo com a utilização de tecnologia de dessulfurização do biogás.

 

3. CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA MICROGERADOR DE ENERGIA

A parte do sistema relativa ao cogerador utilizará a tecnologia denominada de microcogeradores ou ainda co-geradores compactos, que constituem-se de motores alternativos de combustão interna, modificados para funcionar com biogás. A menor capacidade elétrica, comercialmente encontrada, para essa unidade é de 7 kW (denominada TOTEM 7). Os principais componentes dessa unidade de microcogeração são: um motor alternativo de combustão interna, um gerador elétrico e um sistema de controle que assegure a máxima eficácia da instalação.

Segundo SILVEIRA, 1994 [7], sistemas de cogeração, utilizando motor de combustão interna, podem aproveitar de 50 a 70% da energia do combustível na forma de calor e de 23 a 30% na forma de eletricidade.

O rendimento global desses sistemas varia de 70 a 90%, compreendendo-se esse rendimento, como sendo a energia elétrica produzida mais a energia térmica produzida, dividida pela energia suprida pelo combustível. O calor produzido por estas instalações é disponível numa faixa de temperatura entre 80ºC e 450ºC. A Figura 3 ilustra o funcionamento de uma unidade TOTEM, apresentando a recuperação do calor dos gases de escape e da refrigeração do motor. THOMAS & DELVAL, 1987 [8], estudaram as características dos biogases obtidos a partir da digestão anaeróbia de resíduos vegetais e dejetos animais como combustíveis em sistemas microgeradores numa suinocultura com 3.000 matrizes em Taiwan.

 

 

A composição média do biogás obtido é apresentada na Tabela 1. Foi observado também que o poder calorífico inferior varia entre 18 e 26 MJ/Nm³.

 

O estudo baseou-se em duas alternativas de microcogeração: a primeira utilizando o sistema TOTEM mostrado na Figura 3; a segunda alternativa usando o sistema Duvant-Crepelle, que utiliza motores diesel-gás com capacidades de produção elétrica entre 196 a 894 kW. A Figura 4 mostra alguns detalhes esquemáticos do sistema Duvant-Crepelle.

 

 

Os resultados obtidos do balanço de energia para a unidade de cogeração TOTEM são mostrados na Tabela 2.

 

 

O esquema de instalação do sistema de cogeração na suinocultura é mostrado na Figura 5.

 

 

A Tabela 3 apresenta o balanço energético de sistemas Duvant-Crepelle para biogás com um poder calorífico inferior de 23.020 kJ/Nm³.

 

 

Como a suinocultura possui 5 digestores com capacidade máxima de 1650 m³, produzindo 138 Nm³/h de biogás, observa-se a possibilidade de haver várias alternativas na utilização dos sistemas com motores a biogás, oferecendo perspectivas para se economizar energia primária ou melhorar a rentabilidade da instalação existente.

 

4. CONFORTO TÉRMICO DOS ANIMAIS

A eficiência da reprodução animal, bem como da engorda, é um fator fundamental para o aproveitamento industrial. Essa eficiência é diretamente influenciada pelas condições térmicas a que o animal está sujeito. A queima do biogás com a finalidade de proporcionar conforto térmico pode ser bastante interessante do ponto de vista econômico. De acordo com NÃÃS, 1989 [6], há evidências experimentais, no caso de suínos, "que mostram um acréscimo de 9,7 a 16 leitões por leitegada quando a produção se dá em condições ideais de termoneutralidade. Variações ambientais podem provocar reduções significativas na eficiência reprodutiva". O mesmo autor apresenta, ainda, um gráfico onde pode-se verificar o efeito da temperatura do ar na porcentagem de produtividade de rebanhos suínos e que o máximo encontra-se na faixa de 23ºC a 26ºC para o ambiente condicionado.

O calor dissipado pelo suíno pode ser determinado através das equações abaixo, apresentadas por NÃÃS, 1989 [6]:

onde Qin é o calor produzido por um suíno (W), m é a sua massa viva (kg) e ti é a temperatura interna (ºC). A carga térmica devida aos animais pode ser, assim, determinada.

Para manter a temperatura interna da pocilga nos níveis desejados pode-se utilizar vários sistemas de refrigeração e, a seguir, apresentam-se alguns deles.

Uma primeira alternativa é a utilização de um "chiller" por absorção para a produção de água gelada que é distribuída, através de dutos, para o ambiente a ser refrigerado. A energia térmica necessária à operação do ciclo de absorção é obtida diretamente dos gases de escapamento do motor de combustão interna ou da queima direta do biogás.

Uma outra alternativa é a utilização de sistemas de resfriamento evaporativo para proporcionar conforto térmico. BAÊTA et al., 1997 [2], avaliaram o efeito do resfriamento evaporativo em maternidades de suínos durante o verão de 1996 e demonstraram que esse sistema proporciona melhores condições térmicas para as matrizes lactantes.

O resfriamento evaporativo consiste na utilização da evaporação da água através da passagem de um fluxo de ar, provocando uma redução na temperatura do ar [3´]. Pelas suas características ele é mais eficiente em locais de clima quente e seco e, nesse caso, pode-se utilizar tanto sistemas de resfriamento evaporativo direto (RED) quanto indireto (REI). Equipamentos de refrigeração evaporativa direta resfriam o ar por contato direto com uma superfície sólida molhada ou através de "sprays". É um processo que mantém constante a entalpia e a menor temperatura que se pode obter é a de bulbo úmido do ar que entra no sistema. Em um equipamento de resfriamento evaporativo indireto o ar de insuflamento é mantido separado do ar do lado molhado, ou seja, é um processo em que a umidade absoluta é mantida constante.

Quando os sistemas direto ou indireto não são suficientes para atingir as condições de conforto térmico pode-se utilizar sistemas acoplados.

A Figura 6 (a) mostra um sistema que utiliza dois equipamentos evaporativos indireto-direto. Nos casos em que a umidade do local é muito alta pode-se utilizar, ainda, o arranjo mostrado na Fig. 6 (b), que consiste em dois resfriadores evaporativos acoplados a um desumidificador por adsorção (DD).

 


 

Nesse arranjo, a energia térmica necessária à reativação do material adsorvente é obtida dos gases de escapamento do motor de combustão interna ou da queima direta do biogás. Nesse caso, conseguem-se temperaturas do ar que permitem atingir as condições de conforto térmico mesmo em regiões de clima equatorial. Além disso, o ar quente utilizado na regeneração do material adsorvente pode ser utilizado para o aquecimento das crias.

A Tabela 4 mostra as temperaturas de bulbo seco (TBS) e de bulbo úmido (TBU) externa e de insuflamento do ar para diversas cidades brasileiras, caracterizadas por diferentes condições climáticas, que podem ser obtidas utilizando o sistema mostrado na Figura 6 (b), de acordo com CAMARGO & EBINUMA, 2002 [3].

 

 

6. COMENTÁRIOS.

O aproveitamento do biogás gerado a partir de resíduos de suinocultura mostra-se uma alternativa energética muito atraente, pois permite diminuir significativamente os custos operacionais agro-industriais. O Brasil possui uma população de mais de 38 milhões de suínos que poluem, cada um, aproximadamente 4,5 vezes mais que um ser humano e, na maioria dos casos, os dejetos produzidos são descartados in natura diretamente nos corpos de água receptores. Somente as grandes empresas e alguns médios produtores tratam seus dejetos. Quando não tratados adequadamente, estes dejetos podem provocar doenças e inviabilizar o uso da água para abastecimento humano, devido a grandes concentrações de nitratos e à presença de organismos patogênicos.

Conforme apresenta a Tabela 2, uma unidade TOTEM tem um consumo médio de biogás em torno de 8 Nm3/h de biogás para uma potência média de aproximadamente 12,5 kW. Considerando que os dejetos produzidos por um único suíno podem gerar 43 litros de biogás por dia, tem-se, para uma população de 3000 suínos, uma produção de 130 m3/dia de biogás. Essa quantidade é suficiente para alimentar aproximadamente 5 unidades TOTEM, gerando uma potência elétrica de 12,5 kW.

Do ponto de vista de conforto térmico, como pode ser verificado pela Tabela 4, utiliza-se, para análise, tanto cidades de latitudes baixas como médias. Das cidades analisadas, a que apresenta o clima mais seco é Brasília e o mais úmido é Manaus.

Utilizou-se uma temperatura de regeneração de aproximadamente 70ºC, o que levou a uma temperatura máxima do ar de processo, para São Paulo, de 47,3ºC na saída do desumidificador.

Observa-se, da Tabela 4, que a temperatura de insuflamento mínima foi obtida para São Paulo (19,2ºC) e a máxima para Manaus (22,7ºC).

Pode-se notar ainda, pela Tabela (2), que, para todas as cidades estudadas, a condição do ar de insuflamento permite atingir temperaturas que podem propiciar conforto térmico, o que demonstra a viabilidade da utilização desse sistema para regiões de clima tropical e equatorial.

Para uma temperatura de regeneração de 240ºC e uma relação ar de retorno/ar de processo igual a 0,385 tem-se um consumo de energia de reativação igual a 51,7 kW de energia para uma vazão de ar de insuflamento igual a 1,7m3/s.

Cabe ressaltar a efetiva importância do presente trabalho no contexto atual. Tal fato decorre, fundamentalmente, dos estudos que estão sendo realizados quanto ao aproveitamento desse tipo de resíduo agro-industrial com poder calorífico considerável que, lançado no meio ambiente, agride muitas vezes os corpos de água de forma avassaladora.

 

7. CONCLUSÕES.

Pode-se concluir que, do ponto de vista ambiental e energético, é bastante interessante o aproveitamento dos efluentes de suinocultura para geração de biogás e seu aproveitamento através de um sistema de cogeração para geração de energia elétrica e para promoção de conforto térmico aos animais. Essa aplicação promove uma redução nos custos energéticos e no impacto ambiental causado pelo descarte do dejeto dos animais.

No caso de uma suinocultura associada ao sistema de cogeração, a energia elétrica gerada pode ser melhor aproveitada para o conforto térmico das matrizes quando se utiliza o sistema evaporativo de refrigeração do que o sistema por absorção (amônia), pois o sistema evaporativo é mais eficiente.

Conclui-se, ainda, que a associação de biodigestores com sistemas de cogeração acoplados a sistemas refrigeradores podem levar a grande economia de energia, sendo contudo necessários mais estudos práticos no tocante à aplicação destes sistemas.

 

9. AGRADECIMENTOS.

Ao Departamento de Energia da FEG/UNESP pelo apoio logístico, a UNITAU pela autorização de parte do experimento na suinocultura do Departamento de Ciências Agrárias, a CAPES pela bolsa de Doutorado, a FAPESP pelo fomento do trabalho de mestrado que foi um pré-requisito para o desenvolvimento deste projeto.

 

10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS.

[1] AVELLAR, L. H. N., CARROCCI, L. R., SILVEIRA, J. L.; UNESP - Campus de Guaratinguetá - Departamento de Energia; A utilização de subprodutos agro-industriais na geração de energia em unidades co-geradoras; Revista Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento; n. 13; março/abril de 2000.

[2] BAÊTA, F. C. et al.; Efeito do resfriamento evaporativo e da ventilação forçada no conforto térmico ambiental de verão em maternidades de suínos; XXVI Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola; 1997.

[3] CAMARGO, J. R. & EBINUMA, C. D.; Sistemas de resfriamento evaporativo acoplados a desumidificadores dessecantes para diversas cidades brasileiras; Anais do CONEM 2002; João Pessoa, PB; 2002.

[3´] CAMARGO, J. R. ; Sistema de resfrigeração por evaporação; Dissertação (Titulo de Mestre em Engenharia Mecânica); Universidade de Taubaté; Taubaté, SP; 1999.

[4] GODOY Jr., E.; Universidade de Taubaté; Sistema otimizado de reator anaeróbio de fluxo ascendente para tratamento de efluente de suinocultura. Dissertação (Titulo de Mestre em Ciências Ambientais); Universidade de Taubaté; Taubaté, SP; 2001.

[5] LUCAS JÚNIOR, J.; Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias da;Universidade Estadual Paulista; Algumas considerações sobre o uso de estrume suíno como substrato para três sistemas de biodigestores anaeróbios; Tese (Livre-Docência);137 p.; Jaboticabal, SP; 1994.

[6] NÃÃS, I, A.; Princípios de conforto térmico na produção animal; Ícone Editora Ltda.; São Paulo; 1989.

[7] SILVEIRA, J.L.; Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP; Cogeração Disseminada para Pequenos Usuários: Estudo de Casos para o Setor Terciário, Tese de Doutorado; 193p.; Campinas, SP; 1994.

[8] THOMAS, D. G. et DELVAL, P.; Utilization Du Biogaz Dans Les Moteurs Thermiques, Informations Chimie, 283, 147-149, Paris, France, 1987.