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Aquecimento de Biodigestor de mistura completa: Uso de trocador de calor para aumento da eficiência

A 3 G’s adubos orgânicos é uma planta de biogás integrada com a produção de adubos a partir dos resíduos do processo. Seu grande diferencial é o processamento de cama de aviário, co-digerida com efluentes de laticínios e de dejetos de suínos.

A cama das aves é gerada na propriedade, e foi o ponto de partida do processo. Os demais substratos são recebidos diariamente de fazendas e laticínios da região, e o substrato da biodigestão é preparado pela mistura dos três materiais.

A cama produzida nos aviários é armazenada em galpão e de acordo com o horário de alimentação do biodigestor, é adicionada a uma tremonha de alimentação e destinada a um tanque de mistura, onde são adicionados esterco de porco e o resíduo de Laticínios. O sistema de agitação mecânica do tanque promove a mistura de substratos e a desagregação das partículas do leito.


A mistura é então bombeada para um módulo de separação de fase sólida e líquida. A fase sólida é transportada para um galpão coberto, onde passa pelo processo de compostagem. Ao final do processo, obtém-se o fertilizante estabilizado que é levado ao setor de beneficiamento, onde é peneirado e embalado para comercialização.


Enquanto a porção líquida é alimentada no biodigestor do tipo mistura completa, com geometria de corpo de cone, contando com sistema de agitação mecânica e inicialmente sem sistema de aquecimento.


O biogás produzido, segue por tubulações para a coluna de purificação recebendo tratamento adequado para utilização no grupo gerador. Em seguida, o biogás vai para o grupo gerador, e nesta etapa há equipamentos para verificar a vazão e o percentual de metano. Outra destinação do biogás é o aquecimento de aviários, melhoria realizada em 2021 na planta.

A influência da temperatura no processo de digestão é bem estabelecida, e sabe-se que certas faixas de temperatura promovem maior atividade dos microrganismos e maior produção de biogás. Também é consolidada a importância da estabilidade da temperatura, uma vez que microrganismos, especialmente metanogênicos são extremamente sensíveis às variações.


Todo o estado paranaense conta com consideráveis amplitudes térmicas ao longo das estações do ano, em determinados períodos no mesmo dia podem haver variações de temperatura em torno de 10 °C. Sabe-se por diversas fontes literárias, que variações acima de 3°C podem afetar negativamente o metabolismo das arqueas metanogênicas.


Desta forma, sistemas de aquecimento, para manutenção da temperatura em biodigestores, tornam-se fundamentais para homogeneizar a produção de biogás, e potencializar os resultados obtidos com a tecnologia.


O uso de trocadores de calor que utilizam o calor dissipado por grupos geradores é uma alternativa com grande destaque para este setor, pois a cogeração estabelecida aumenta a sustentabilidade e dos processos, reduz perdas e aumenta a eficiência.


Biodigestor: Alimentação e configurações

Diariamente são processados cerca de 60 mil litros de substrato, gerando o mesmo volume de digestato.

O blend que compõe o substrato permite adequação dos parâmetros dentro das faixas ideais para bom desempenho da Biodigestão anaeróbia.


O biodigestor implantado na 3G 's é o biodigestor do tipo mistura completa, com geometria de corpo de cone, com volume de 1.560 m3 . Possui agitação mecânica e sistema de dessulfurização biológica.


Biogás: Produção e uso

São produzidos diariamente cerca de 1.400 m3 de biogás, porém nos períodos de inverno, com as baixas temperaturas, a produtividade acaba sendo reduzida.

O biogás é utilizado no grupo gerador para geração de energia elétrica, e no aquecimento de um barracão de aviário. O objetivo com a instalação do sistema de aquecimento é melhorar a produção de biogás através da manutenção da temperatura em valores adequados, e impedir grandes variações.


Com o aumento da produção de biogás poderá ser instalado um segundo grupo gerador, ou substituir o atual por um grupo gerador de maior capacidade. Outra alternativa é expandir o aquecimento de aviário a biogás para um segundo barracão.



Sistema de Aquecimento e seu funcionamento

O sistema consiste basicamente em um trocador de calor externo que utiliza a água do radiador para aquecer o efluente que está dentro do biodigestor.

Visando aumentar a temperatura a níveis mais adequados para o trabalho das bactérias mesofílicas, elevando a eficiência da produção de biogás.


O aproveitamento da energia dissipada pelo grupo gerador na combustão de biogás representa uma das principais vantagens deste sistema, pois evita a necessidade de outra fonte de energia ou a queima de maior quantidade de biogás. Assim pode ser aproveitada a energia irremediavelmente dissipada na combustão, permitindo a cogeração de energia elétrica e térmica.


O trocador de calor trabalha com contra fluxo de fluidos (água x efluente). Possui área de 4.7 m². Construído em aço inox 304, com isolamento térmico EPS. Utiliza bomba para água quente centrífuga de 1CV, bomba para efluente do tipo centrífuga com 3CV, e a água é aquecida através de trocador de calor de placa anexada ao motor.

O sistema funciona no sentido de contra fluxo, ou seja, uma bomba suga a biomassa do interior do biodigestor e envia para dentro do trocador de calor, onde existe o contato com áreas quentes do trocador. As áreas quentes são aquecidas pela circulação da água quente que é aquecida pelo trocador de placas instalado no grupo gerador.


Resultados esperados com o aquecimento

De acordo com a empresa fornecedora do sistema de aquecimento, com o uso do aquecedor externo é possível manter a temperatura da biomassa estável acima de 30° C no período de temperaturas mais baixas, e 34° C no período mais quente. Ainda de acordo com as informações fornecidas, com este aumento da temperatura, é possível obter aumento de 25% na produção de biogás. Considerando a produção de biogás diária atual, trata-se de um aumento de 350m3 ao dia.


Se considerarmos um consumo médio de 50 m3 por hora no grupo gerador, são 5 horas a mais de operação ao dia e 210 horas ao mês ou cerca de 9 dias. Espera-se que devido a sensibilidade dos microrganismos metanogênicos a temperança e a variação da temperatura, tanto seu aumento como também a amortização das variações, atue positivamente sobre a atividade destes microrganismos. Assim aumentando a conversão de moléculas intermediárias a metano e melhorando a composição do biogás, pelo aumento da concentração de metano.


A presença de resíduos da maravalha da cama, material de difícil degradabilidade, representa uma barreira para o máximo aproveitamento da biomassa presente no blend de substratos que compõem a alimentação do biodigestor. Caracterizado por uma redução da DQO (demanda química de oxigênio) naturalmente baixa, representando baixo aproveitamento da biomassa. Desta forma, espera-se que além de atuar positivamente na metanogênese, o aquecimento possa melhorar a hidrólise da biomassa, aumentando a disponibilidade de monômeros para as conversões seguintes. Em resumo, permita aumento do aproveitamento da biomassa.


Apesar de não ter decorrido período suficiente para percepção dos resultados esperados, a equipe 3G 's encontra-se otimista com as previsões. O sistema apresenta simplicidade de operação e manutenção até o momento, indicando ser uma boa alternativa para produtores rurais e plantas de pequeno porte, economicamente viável e operacionalmente adequada ao dia a dia.

 

Impactos da tecnologia ao setor do Biogás

A temperatura é um dos principais fatores que influenciam a biodigestão anaeróbia, biodigestores dotados de sistemas de aquecimento apresentam maior produtividade e estabilidade da produção, especialmente nos meses de inverno.


Tendo em vista as elevadas amplitudes térmicas apresentadas no Paraná, sistemas de aquecimento podem oferecer grandes contribuições aos produtores de biogás.

A cogeração é consolidada como grande viabilizadora do aquecimento de biodigestores, pois utiliza uma energia 'desperdiçada', dissipada pela queima para aumentar a eficiência da produção de biogás. O mercado de pequenos e médios produtores cujos empreendimentos não viabilizam a instalação de sistemas complexos de aquecimento, carece de alternativas técnica e economicamente viáveis, conforme está aqui proposta.

Por isso, é fundamental obter dados de resposta como melhora real de eficiência, dificuldades de operação e impactos sobre o processo, entre outros, para comparação aos resultados esperados e levantamento real da viabilidade desta tecnologia.

 

Conclusão

A 3G 's utiliza o biogás para geração de energia elétrica e térmica, e acredita que o aquecimento do biodigestor permitirá aumentar sua produtividade. De acordo com a empresa fornecedora, poderão ser produzidos cerca 350 m3 a mais de biogás ao dia (aumento de 25%), equivalente a cerca de 5 horas a mais por dia de operação do grupo gerador.


A instalação e operação do sistema é bastante simples, os resultados esperados apontam a uma alternativa eficiente e economicamente viável para pequenos e médios produtores de biogás.


A cadeia produtiva do biogás em empreendimentos de pequeno porte carece de alternativas interrelacionadas com outras etapas do próprio processo para aumento de eficiência, aproveitamento e redução de custos, somando pequenos ganhos em cada etapa para viabilização técnica e econômica dos empreendimentos.


Por inserir-se perfeitamente no ciclo da produção, utilizando a energia dissipada para retroalimentar a eficiência do biodigestor, esta é uma alternativa excelente para plantas de biogás cujo porte não viabilize o uso de sistemas de aquecimentos mais complexos.



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