BIODIGESTORES ASSOCIADOS A SISTEMA DE COGERAÇÃOPARA O APROVEITAMENTO DO BIOGÁS PRODUZIDO

A PARTIR DE RESÍDUOS DE SUINOCULTURA

EDERALDO GODOY JÚNIOR – godoyjr@feg.unesp.brLUIZ ROBERTO CARROCCI – carrocci@feg.unesp.br

JOSÉ LUZ SILVEIRA – joseluz@feg.unesp.brUNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP

Campus de Guaratinguetá – Departamento de EnergiaAv. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333 – Guaratinguetá – SP

JOSÉ RUI CAMARGO – rui@engenh.mec.unitau.brGIORGIO EUGÊNIO OSCARE GIACAGLIA – giorgio@unitau.br

UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ – UNITAUDepartamento de Engenharia Mecânica

Av. Dr. Daniel Danelli, s/n – Taubaté - SP

RESUMO

Este trabalho propõe conciliar saneamentocom geração de energia, a partir do aproveitamentode efluentes de suinocultura. A suinocultura consomeenergia elétrica e GLP para sua operaçãopropriamente dita e, também, para conforto térmicodos animais, pois as matrizes no verão precisam estarem ambiente condicionado refrigerado e os leitõesrecém nascidos em ambiente aquecido. Os efluentesde suinocultura, quando tratados anaeróbiamente,geram biogás que pode ser aproveitado em sistemasde cogeração, gerando simultaneamente água ou arfrios, água ou ar quentes e energia elétrica,normalmente reduzindo significativamente os custosoperacionais do agro-empreendimento. Os sistemasde reatores anaeróbios de fluxo ascendente (RAFA)para tratamento de águas residuárias de suinocultura,podem ser otimizados para a produção de biogás eredução da demanda química de oxigênio (DQO). NoBrasil existem mais de 38 milhões de suínos queproduzem, em dejetos, o correspondente a umapopulação de 170.000.000 de humanos, ou seja, paraefeito de comparação, um potencial pronto para gerarcerca de 2.550.000 m³ de biogás por dia. Estetrabalho apresenta um sistema para aproveitamentodesse biogás por sistemas compostos de quatroreatores em série, formando cascata, utilizandoseparadores de fases sólida-líquida-gasosa em formahelicoidal e aquecidos por energia solar.

NOMENCLATURA

AR aerador rotacionalDQO demanda química de oxigênio [mg/l ]DD desumidificador por absorçãoETE estação de tratamento de esgotoGLP gás liquefeito de petróleom Peso vivo do suíno (kg)NMP número mais provávelPVC policloreto de vinilidenoQin Calor produzido por um suíno (W)RAFA Reator anaeróbio de fluxo ascendenteRED resfriador evaporativo diretoREI resfriador evaporativo indiretoTBS temperatura de bulbo secoTBU temperatura de bulbo úmidoti temperatura interna (ºC)TOTEM módulo de energia total (total energy

module)TRH tempo de retenção hidráulica [horas]Vl volume de lodo excedente [m³/dia]4VJG Especificação de grupo gerador de 4

cilindros pelo fabricante Duvant-Crepelle5VJG Especificação de grupo gerador de 5

cilindros pelo fabricante Duvant-Crepelle

ABSTRACT

This paper propose to conciliate sanitation withenergy generation using pig culture effluents. Pigculture uses electrical energy and LPG for operationand for animals thermal comfort, because duringsummer matrix need cool environment and thenewborn pigs need heating. Pig culture effluents,when anaerobically treated, produce biogás that maybe used in co-generation systems, producing at thesame time chilled water and fresh air, hot water andwarm air and electric power, decreasing,significantly the operational costs. The up-flowanaerobic sludge blanket (UASB) reactor for treatingorganic waste water, can be optimized to producebiogas and decrease Chemical Oxigen Demand. InBrazil there are more than 38 millions pigsproducing the same amount of manure of170.000.000 humans, it means, a daily potential of2.2550.000 m3 of biogas. This paper describes asystem that uses the produced bio gas in a systemcomposed by four reactors, together with solid-liquid-gaseous stage separators in vortex flow andwith solar energy heating.

1. INTRODUÇÃO.

Este trabalho analisa a viabilidade técnica doaproveitamento do biogás gerado no tratamento deresíduos suínos para acionamento de sistemas decogeração de energia.

LUCAS JÚNIOR, 1994 [5], apresenta váriosresultados de estudos de aproveitamento de resíduossuínos (estrume fresco, pré-fermentado e deesterqueiras) por meio de biodigestores tipo batelada,contínuos e de fluxo ascendente, que mostram ogrande potencial de produção de biogás combustívele biofertilizante, além do aspecto relacionado àredução da poluição ambiental, inclusive no tocanteàs emissões de metano na atmosfera.

GODOY JÚNIOR, 2001[4], desenvolveuuma planta piloto constituída por quatro reatoresanaeróbios de fluxo ascendente dispostos em sérieformando cascata e aquecidos por energia solar, comvolume útil de 0,238 m³ em PVC, e um separador defases gasosa-líquida-sólida que foi projetado emformato helicoidal produzindo um vórtex no percursoascendente do fluxo. Esse sistema foi imerso numreservatório com água aquecida por energia solar,que elevou a temperatura média de 20,2ºC para31,27ºC aproximando-a da temperatura ótima dametanogênese (35º), ou seja a melhor temperaturapara o metabolismo da comunidade bacteriana. O

substrato empregado foi efluente de suinocultura comuma DQO média de 4.501 mg/l. Os quatro reatoresdispostos em série e os separadores de fases comformato helicoidal, ocasionaram uma maior interaçãoentre o efluente e o lodo, no interior dos reatores,permitindo assim uma melhor degaseificação dosgrânulos e um menor arraste de lodo para fora dosistema. As modificações no projeto, na disposição ena operação, permitiram obter redução em média: de81,2% de DQO; de 97,1% e de 92,8% no NMP deColiformes totais e fecais, respectivamente, numTRH médio de 12 horas, dispensando qualquerdispositivo eletro-mecânico, pois o sistema operoupor gravidade desde a entrada do afluente até a saídado efluente.

2. BIODIGESTORES ASSOCIADOS ACOGERAÇÃO PARA SUINOCULTURA

Uma vez que na suinocultura consome-seenergia para a sua operação e conforto térmico dosanimais, pode-se utilizar os próprios dejetos dosanimais em sistemas de reatores anaeróbios de fluxoascendente para gerar biogás que é aproveitado insitu em sistema de cogeração de energia, gerandosimultaneamente água gelada ou ar frio para confortodas matrizes, água quente ou ar quente para confortodos leitões no desmame e eletricidade para acionarbombas d’água para abastecimento e lavagem dasinstalações.

A Figura 1 mostra esquematicamente umasuinocultura com sistema de biodigestão associado asistema de cogeração para aproveitamento energéticodos resíduos gerados. A Figura 2 mostraesquematicamente um sistema de biodigestão parasaneamento ambiental dos resíduos de suinocultura eque gera o biogás que será aproveitadoenergeticamente. Esse sistema é composto por umbiodigestor do tipo chinês, 3 RAFAs e 3 AR,dispostos em série, formando cascata.

Segundo AVELLAR, CARROCCI eSILVEIRA, 2000 [1], o custo de produção de energiaelétrica, usando-se biogás, é continuamente menor doque o de gás natural, e ainda, é mais baixo do que ode comprar da concessionária. O tempo deamortização do custo do investimento na planta leva7,8 anos com gás natural e 3,8 anos com o biogás,mesmo com a utilização de tecnologia dedessulfurização do biogás.

Figura 1 – Desenho esquemático de uma suinocultura com tratamento dos efluentes associados a sistema de cogeração.

Figura 2 – Desenho esquemático do sistema de biodigestão para saneamento do efluente de suinocultura.

3. CONFIGURAÇÃO DO SISTEMAMICROGERADOR DE ENERGIA

A parte do sistema relativa ao cogeradorutilizará a tecnologia denominada demicrocogeradores ou ainda co-geradores compactos,que constituem-se de motores alternativos decombustão interna, modificados para funcionar com

biogás. A menor capacidade elétrica, comercialmenteencontrada, para essa unidade é de 7 kW(denominada TOTEM 7). Os principais componentesdessa unidade de microcogeração são: um motoralternativo de combustão interna, um gerador elétricoe um sistema de controle que assegure a máximaeficácia da instalação.

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

Figura 3 - Detalhamento esquemático de uma unidadeTOTEM.

O rendimento global desses sistemas variade 70 a 90%, compreendendo-se esse rendimento,como sendo a energia elétrica produzida mais aenergia térmica produzida, dividida pela energiasuprida pelo combustível. O calor produzido por estasinstalações é disponível numa faixa de temperaturaentre 80ºC e 450ºC. A Figura 3 ilustra ofuncionamento de uma unidade TOTEM,apresentando a recuperação do calor dos gases deescape e da refrigeração do motor. THOMAS &DELVAL, 1987 [8], estudaram as características dosbiogases obtidos a partir da digestão anaeróbia deresíduos vegetais e dejetos animais comocombustíveis em sistemas microgeradores numasuinocultura com 3.000 matrizes em Taiwan.

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

Tabela 1 – Composição média do biogás a partir de dejetos suínossegundo THOMAS & DELVAL, 1987 [8].

Tipo de gás Porcentagem (%)Metano (CH4) 50 – 70Gás carbônico (CO2) 35 – 40Hidrogênio (H2) 1 – 3Oxigênio (O2) 0,1 – 1Monóxido de carbono (CO) 0 – 0,1Azoto (N2) 0,5 – 3Vapor de água (H2O) VariávelOutros (H2S, NH3, CnH2n) 1 – 5

O estudo baseou-se em duas alternativas demicrocogeração: a primeira utilizando o sistemaTOTEM mostrado na Figura 3; a segunda alternativausando o sistema Duvant-Crepelle, que utilizamotores diesel-gás com capacidades de produçãoelétrica entre 196 a 894 kW. A Figura 4 mostra

alguns detalhes esquemáticos do sistema Duvant-Crepelle.

Os resultados obtidos do balanço de energiapara a unidade de cogeração TOTEM são mostradosna Tabela 2.

Tabela 2 – Balanço energético para o TOTEM, segundoSILVEIRA, 1994 [7].

Porcentagem CH4 62 74PCI (kJ/Nm³) 22.600 29.031Consumo de gás (Nm³/h) 8,33 6,51Energia introduzida (kW) 52,2 52,5Energia mecânica (kW) 15,2 12,6Rendimento do motor (%) 29 24Potência elétrica (kW) 13,8 11,5Calor recuperado (kW) 36,8 37,2Rendimento Global (%) 97 93

Figura 4 - Desenho esquemático do sistema Duvant-Crepelle

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

Figura 5 - Esquema da instalação em Taiwan.

Radiador

Água quente para utilizaçãoEscape de gás

GrupoGerador

Energiaelétrica

Água de refrigeração do motor

Água de retorno do radiador

Águatemperaturaambiente

Trocador gás-água

Trocador água-água

Suinocultura com 3.000 matrizes

Dejetos

Cuba aquecimento (35ºC)

Agitador

Decantador

Biodigestor

Biogás

Compressor

Utilizaçãoanexa

Tanque dearmazenamento

(3bar)

Energiaelétrica

Sistema Duvant-Crepelle 4 VJC (Pot. Elét.: 168 kW)

BOMBA

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

Tabela 3 – Balanço energético de sistemas Duvant-Crepelle,segundo SILVEIRA, 1994 [7].

Tipo de motor 4VJG 5 VJGVersão (1) (2) (1) (2)Consumo de gás(Nm³/h)

80,8 153,1 101,0 191,4

Energia introduzida(kW)

583,5 1.065,2 729,5 1.331,6

Energia mecânica(kW)

216,3 397,8 271,0 494,6

Rendimento domotor (%)

37,1 37,4 37,2 37,2

Potência elétrica(kW)

196 368 248 460

Calor recuperado(kW)

249,4 454,9 311,7 568,6

Rendimento global(%)

76,4 77,3 76,7 77,3

Nota: (1) Aspiração natural(2) Sobrealimentação

Como a suinocultura possui 5 digestorescom capacidade máxima de 1650 m³, produzindo 138Nm³/h de biogás, observa-se a possibilidade de havervárias alternativas na utilização dos sistemas commotores a biogás, oferecendo perspectivas para seeconomizar energia primária ou melhorar arentabilidade da instalação existente.

4. CONFORTO TÉRMICO DOS ANIMAIS

A eficiência da reprodução animal, bemcomo da engorda, é um fator fundamental para oaproveitamento industrial. Essa eficiência édiretamente influenciada pelas condições térmicas aque o animal está sujeito. A queima do biogás com afinalidade de proporcionar conforto térmico pode serbastante interessante do ponto de vista econômico.De acordo com NÃÃS, 1989 [6], há evidênciasexperimentais, no caso de suínos, “que mostram umacréscimo de 9,7 a 16 leitões por leitegada quando aprodução se dá em condições ideais determoneutralidade. Variações ambientais podemprovocar reduções significativas na eficiênciareprodutiva”. O mesmo autor apresenta, ainda, umgráfico onde pode-se verificar o efeito datemperatura do ar na porcentagem de produtividadede rebanhos suínos e que o máximo encontra-se nafaixa de 23ºC a 26oC para o ambiente condicionado.

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

( )1log inQY =

)2(100

8,132142,0

1008,132

710,0

030,0100

8,132577,00154,0477,2 2

+

−

+

+

++

+

−+=

tt

mt

mY

onde Qin é o calor produzido por um suíno (W), m é asua 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 pocilganos níveis desejados pode-se utilizar vários sistemasde refrigeração e, a seguir, apresentam-se algunsdeles.

Uma primeira alternativa é a utilização deum “chiller” por absorção para a produção de águagelada que é distribuída, através de dutos, para oambiente a ser refrigerado. A energia térmicanecessária à operação do ciclo de absorção é obtidadiretamente dos gases de escapamento do motor decombustão interna ou da queima direta do biogás.

Uma outra alternativa é a utilização desistemas de resfriamento evaporativo paraproporcionar conforto térmico. BAÊTA et al., 1997[2], avaliaram o efeito do resfriamento evaporativoem maternidades de suínos durante o verão de 1996 edemonstraram que esse sistema proporciona melhorescondições térmicas para as matrizes lactantes.

O resfriamento evaporativo consiste nautilização da evaporação da água através dapassagem de um fluxo de ar, provocando umaredução na temperatura do ar [3´]. Pelas suascaracterísticas ele é mais eficiente em locais de climaquente e seco e, nesse caso, pode-se utilizar tantosistemas de resfriamento evaporativo direto (RED)quanto indireto (REI). Equipamentos de refrigeraçãoevaporativa direta resfriam o ar por contato diretocom uma superfície sólida molhada ou através de“sprays”. É um processo que mantém constante aentalpia e a menor temperatura que se pode obter é ade bulbo úmido do ar que entra no sistema. Em umequipamento de resfriamento evaporativo indireto oar de insuflamento é mantido separado do ar do ladomolhado, ou seja, é um processo em que a umidadeabsoluta é mantida constante.

Quando os sistemas direto ou indireto nãosão suficientes para atingir as condições de confortotérmico pode-se utilizar sistemas acoplados.

A Figura 6 (a) mostra um sistema que utilizadois equipamentos evaporativos indireto-direto. Noscasos em que a umidade do local é muito alta pode-seutilizar, ainda, o arranjo mostrado na Fig. 6 (b), queconsiste em dois resfriadores evaporativos acopladosa um desumidificador por adsorção (DD).

Figura 6 - Sistemas acoplados: indireto-direto (superior); sistemacom pré-desumidificação por adsorção (inferior).

Nesse arranjo, a energia térmica necessária àreativação do material adsorvente é obtida dos gasesde escapamento do motor de combustão interna ou daqueima direta do biogás. Nesse caso, conseguem-setemperaturas do ar que permitem atingir as condiçõesde conforto térmico mesmo em regiões de climaequatorial. Além disso, o ar quente utilizado naregeneração do material adsorvente pode ser utilizadopara o aquecimento das crias.

Tabela 4 - Condições externa e de insuflamento para várias cidadesbrasileiras [3´]

CONDIÇÃOEXTERNA(VERÃO)

INSUFLAMENTOCIDADE

TBS (oC) TBU (oC) TBS (oC) TBU (oC)Belém 33 27 21,7 20,7Brasília 32 23,5 19,9 18,7CampoGrande

34 25 20,6 19,5

Manaus 35 29 22,7 21,7Rio deJaneiro

35 26,5 21,4 20,3

São Paulo 31 24 19,2 18,1

A Tabela 4 mostra as temperaturas de bulboseco (TBS) e de bulbo úmido (TBU) externa e deinsuflamento do ar para diversas cidades brasileiras,caracterizadas por diferentes condições climáticas,

que podem ser obtidas utilizando o sistema mostradona Figura 6 (b), de acordo com CAMARGO &EBINUMA, 2002 [3].

6. COMENTÁRIOS.

O aproveitamento do biogás gerado a partirde resíduos de suinocultura mostra-se uma alternativaenergética muito atraente, pois permite diminuirsignificativamente os custos operacionais agro-industriais. O Brasil possui uma população de maisde 38 milhões de suínos que poluem, cada um,aproximadamente 4,5 vezes mais que um ser humanoe, na maioria dos casos, os dejetos produzidos sãodescartados in natura diretamente nos corpos de águareceptores. Somente as grandes empresas e algunsmédios produtores tratam seus dejetos. Quando nãotratados adequadamente, estes dejetos podemprovocar doenças e inviabilizar o uso da água paraabastecimento humano, devido a grandesconcentrações de nitratos e à presença de organismospatogênicos.

Conforme apresenta a Tabela 2, umaunidade TOTEM tem um consumo médio de biogásem torno de 8 Nm3/h de biogás para uma potênciamédia de aproximadamente 12,5 kW. Considerandoque os dejetos produzidos por um único suíno podemgerar 43 litros de biogás por dia, tem-se, para umapopulação de 3000 suínos, uma produção de 130m3/dia de biogás. Essa quantidade é suficiente paraalimentar aproximadamente 5 unidades TOTEM,gerando uma potência elétrica de 12,5 kW.

Do ponto de vista de conforto térmico, comopode ser verificado pela Tabela 4, utiliza-se, paraanálise, tanto cidades de latitudes baixas comomédias. Das cidades analisadas, a que apresenta oclima mais seco é Brasília e o mais úmido é Manaus.

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

Observa-se, da Tabela 4, que a temperaturade 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 deinsuflamento permite atingir temperaturas que podempropiciar conforto térmico, o que demonstra aviabilidade da utilização desse sistema para regiõesde clima tropical e equatorial.

Para uma temperatura de regeneração de240ºC e uma relação ar de retorno/ar de processoigual a 0,385 tem-se um consumo de energia dereativação igual a 51,7 kW de energia para umavazão de ar de insuflamento igual a 1,7m3/s.

(a)

(b)

Cabe ressaltar a efetiva importância dopresente trabalho no contexto atual. Tal fato decorre,fundamentalmente, dos estudos que estão sendorealizados quanto ao aproveitamento desse tipo deresíduo agro-industrial com poder caloríficoconsiderável que, lançado no meio ambiente, agridemuitas vezes os corpos de água de formaavassaladora.

7. CONCLUSÕES.

Pode-se concluir que, do ponto de vistaambiental e energético, é bastante interessante oaproveitamento dos efluentes de suinocultura parageração de biogás e seu aproveitamento através deum sistema de cogeração para geração de energiaelétrica e para promoção de conforto térmico aosanimais. Essa aplicação promove uma redução noscustos energéticos e no impacto ambiental causadopelo descarte do dejeto dos animais.

No caso de uma suinocultura associada aosistema de cogeração, a energia elétrica gerada podeser melhor aproveitada para o conforto térmico dasmatrizes quando se utiliza o sistema evaporativo derefrigeração do que o sistema por absorção (amônia),pois o sistema evaporativo é mais eficiente.

Conclui-se, ainda, que a associação debiodigestores com sistemas de cogeração acoplados asistemas refrigeradores podem levar a grandeeconomia de energia, sendo contudo necessários maisestudos práticos no tocante à aplicação destessistemas.

8. PALAVRAS-CHAVES:

reator anaeróbio de fluxo ascendente, suinocultura,biogás, cogeração, refrigeração, conforto animal.

9. AGRADECIMENTOS.

Ao Departamento de Energia daFEG/UNESP pelo apoio logístico, a UNITAU pelaautorização de parte do experimento na suinoculturado Departamento de Ciências Agrárias, a CAPESpela bolsa de Doutorado, a FAPESP pelo fomento dotrabalho de mestrado que foi um pré-requisito para odesenvolvimento deste projeto.

10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS.

[1] AVELLAR, L. H. N., CARROCCI, L. R.,SILVEIRA, J. L.; UNESP – Campus deGuaratinguetá – Departamento de Energia; Autilização de subprodutos agro-industriais nageração de energia em unidades co-geradoras;

Revista Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento;n. 13; março/abril de 2000.

[2] BAÊTA, F. C. et al.; Efeito do resfriamentoevaporativo e da ventilação forçada no confortotérmico ambiental de verão em maternidades desuínos; XXVI Congresso Brasileiro de EngenhariaAgrícola; 1997.

[3] CAMARGO, J. R. & EBINUMA, C. D.;Sistemas de resfriamento evaporativo acoplados adesumidificadores dessecantes para diversascidades brasileiras; Anais do CONEM 2002; JoãoPessoa, PB; 2002.

[3´] CAMARGO, J. R. ; Sistema de resfrigeraçãopor evaporação; Dissertação (Titulo de Mestre emEngenharia Mecânica); Universidade de Taubaté;Taubaté, SP; 1999.

[4] GODOY Jr., E.; Universidade de Taubaté;Sistema otimizado de reator anaeróbio de fluxoascendente para tratamento de efluente desuinocultura. Dissertação (Titulo de Mestre emCiências Ambientais); Universidade de Taubaté;Taubaté, SP; 2001.

[5] LUCAS JÚNIOR, J.; Faculdade de CiênciasAgrárias e Veterinárias da;Universidade EstadualPaulista; Algumas considerações sobre o uso deestrume suíno como substrato para três sistemasde biodigestores anaeróbios; Tese (Livre-Docência);137 p.; Jaboticabal, SP; 1994.

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

[7] SILVEIRA, J.L.; Faculdade de EngenhariaMecânica da UNICAMP; Cogeração Disseminadapara Pequenos Usuários: Estudo de Casos para oSetor Terciário, Tese de Doutorado; 193p.;Campinas, SP; 1994.

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