Tratamento térmico de resíduos sólidos urbanos para produção de combustível derivado de resíduo
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Thermal treatment of municipal solid waste for refuse derived fuel production
Primeiro orientador
Membros da banca
Eduardo Coutinho de Paula
Marcelo Cardoso
Rogério José da Silva
Fernando Fernandes
Marcelo Cardoso
Rogério José da Silva
Fernando Fernandes
Resumo
A questão dos resíduos sólidos urbanos (RSU) no Brasil representa um grande
desafio à sociedade. A recuperação energética por meio de tratamentos térmicos
representa uma possível rota para a gestão adequada desses resíduos. Entretanto,
desafios relacionados ao baixo poder calorífico inferior (PCI), à composição e à
heterogeneidade dos RSU dificultam a aplicação de tratamentos tradicionais. Esta
tese teve como objetivo a avaliação de uma tecnologia de tratamento térmico de RSU
a temperaturas entre 150 e 250°C, sem triagem prévia, para a produção de
combustível derivado de resíduo urbano (CDRU). Foi desenvolvida uma planta piloto
com capacidade de processamento de até 1,0 t de RSU por batelada, para a produção
de 3,2 t de CDRU. Durante a operação da planta, foram avaliadas as emissões
atmosféricas de MP, CO, SOx, NOx, HCl e cloro livre, fluoreto, dioxinas e furanos. O
CDRU produzido foi avaliado quanto aos parâmetros de qualidade da legislação
nacional e normas internacionais. Parte do CDRU produzido passou por uma etapa
de densificação e briquetagem e foi destinada à gaseificação. O gás de síntese obtido
foi caracterizado por meio de cromatografia gasosa para avaliação de sua composição
e estimativa de seu PCI, e os resultados foram comparados com o gás de madeira
produzido sob as mesmas condições operacionais. Também foi realizada uma
investigação exploratória de COVs e organoclorados presentes no gás de CDRU. As
3,0 t restantes de CDRU foiram encaminhadas a uma usina de cimento para um teste
de queima em escala plena. O processo de tratamento de RSU apresentou
adequação à maioria dos limites normativos atuais para emissões atmosféricas,
destacando-se as concentrações de 0,021 ngTEQ/Nm³ de dioxinas e furanos. O PCI
médio das amostras de CDRU foi de 4.450 kcal/kg, com umidade de 11%, teor de
cloro de 0,22% e concentração de mercúrio abaixo de 0,01 mg/kg, indicando assim
bom potencial para uso como combustível e compatibilidade com as normas nacionais
e internacionais aplicadas no estudo. O processo de briquetagem apresentou
viabilidade para umidade ótima de 18% e resistência final à compressão de 15,3 MPa.
O PCI do gás de síntese produzido foi de 6,61 MJ/m³, o que indica potencial para
aproveitamento térmico em processos industriais. A metodologia utilizada na
exploração por cromatografia não identificou substâncias organocloradas no gás,
sendo detectada a presença principal de BTEX e acetonitrila em concentrações
relevantes. A avaliação pelo método estatístico de Mann-Whitney não detectou
diferenças significativas de composição entre o gás de madeira e o gás de CDRU para
uma significância de 5%. No teste de queima em escala plena, não foram observadas
variações expressivas nas condições de operação, no desempenho ambiental ou no
clínquer produzido, em comparação à operação de rotina do empreendimento, para
uma razão de substituição térmica de até 45% no pré-calcinador. As emissões de SOx
apresentaram redução média de 81,2% em relação à operação padrão da cimenteira.
De forma geral, o tratamento proposto apresentou viabilidade técnica e ambiental,
sendo que o CDRU produzido apresentou características adequadas para uso como
matéria-prima de gás de síntese, produção de briquetes ou coprocessamento em
escala plena, sem prejuízo em relação às operações padrão.
Abstract
Municipal solid waste (MSW) management in Brazil poses a substantial challenge to
society. Energy recovery by means of thermal treatment can be a viable route to
properly manage these wastes. However, challenges related to the poor lower heating
value (LHV), composition, heterogeinity and high moisture of these wastes pose
difficulties to the use of traditional treatment processes. This thesis aimed to assess a
new thermal treatment technology for MSW, with temperatures ranging from 150°C to
250°C, without prior screening, for refuse derived fuel (RDF) production. A pilot plant
with the capacity to treat up to 1.0 t/day of MSW was developed in order to manufacture
3.2 tonnes of RDF. During the operation of the plant, atmospheric emission levels for
PM, CO, SOx, NOx, HCl and chlorine, fluorides and PCDD/Fs were evaluated. RDF
samples were characterized and compared with national and international normative.
Part of the RDF was pelletized and used as source material for a gasification process.
The resulting syngas was characterized by chromatographic analyses to determine its
compostion and estimate its LHV, and the results were compared to syngas produced
from wood chips in the same operational conditions. An exploratory investigation of
VOCs and organochlorine substances in the syngas was also conducted using gas
chromatography coupled to mass spectrometry. The remaining RDF was destined to
a cement factory for an industrial scale coprocessing test. The MSW treatment process
was shown to be adequate to most current brazilian normative emission standards,
with PCDD/Fs emissions of 0.021 ngTEQ/Nm³. The average LHV of the RDF samples
was of 4450 kcal/kg, with average moisture content of 11%, 0.22% chlorine and less
than 0.01 mg/kg mercury, indicando good potential for usage as an industrial solid fuel
and compatibility with both national and international standards. The pelletizing
process showed technical feasibility, with ideal moisture content of 18% and an
average compression strength of 15.3 MPa. The LHV of the RDF syngas was of 6.61
MJ/Nm³, which indicates potential for thermal use in industrial processes. The method
used in the cromatography investigation did not identify any organochlorine in the
syngas, with the detection of BTEX and acetonitrile in relevant concentration.
Comparison between the RDF and wood chip syngases using the Mann-Whitney
method for a 5% significance level did not show significant differences in gas
composition between the two feeds. In the coprocessing test, no expressive variations
of operational conditions, environmental performance or clinker quality were observed,
for a thermal substituion ratio of up to 45%. SOx emissions showed an average
reduction of 81.2% when compared to standard operation. From a general standpoint,
the proposed treatment was shown to be environmentally and technically viable, and
the RDF was shown to be an adequate feed for gasification, pelleting or for
coprocessing, with no observed drawbacks when compared to standard operation.
Assunto
Engenharia sanitária, Meio ambiente, Sustentabilidade e meio ambiente, Resíduos sólidos urbanos, Briquetes (Combustível), Carvão - Gaseificação
Palavras-chave
Briquetagem, Coprocessamento, Gaseificação, Sustentabilidade, Valorização energética de resíduos
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