Baixe Biodigestores Aplicabilidade e Dimensionamento k2 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Agrícola, somente na Docsity! keillaboehler@gmail.com BIODIGESTORES UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO INSTITUTO DE TECNOLOGIA – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA IT 136 E 137 ENERGIA NA AGRICULTURA I E II Definição Tanque protegido do contato com o ar atmosférico, onde a matéria orgânica contida nos efluentes é metabolizada por bactérias anaeróbicas. Histórico O interesse no Brasil décadas de 70 e 80, principalmente entre os suinocultores. Fatores responsáveis pelo insucesso dos programas de biodigestores: falta de conhecimento técnico sobre a construção e operação dos biodigestores; o custo de implantação e manutenção elevado; equipamentos de distribuição do biofertilizante na forma líquida com custo elevados (aquisição, transporte e distribuição); falta de equipamentos desenvolvidos exclusivamente para o uso de biogás, e baixa durabilidade dos equipamentos adaptados; Histórico ausência de condensadores para água e de filtros para os gases corrosivos gerados no processo de biodigestão; disponibilidade e baixo custo da energia elétrica e do GLP; e não resolução da questão ambiental, os reatores não são considerados como um sistema completo de tratamento. O ressurgimento se deve a utilização das mantas plásticas na construção dos biodigestores. material de alta versatilidade e baixo custo. Situação Programas oficiais, lançados em 2005. Estímulo à implantação para geração de energia; Possibilidade de participação do mercado de carbono. Diminuição do impacto ambiental e agregação de valor. Redução a dependência de adubos químicos Redução a dependência de energia térmica para os diversos usos; Redução da poluição causada por armazenamento /tratamentos dos dejetos em esterqueiras e lagoas. Constituição Caixa Descarga: feita em alvenaria; local onde os dejetos diluídos em água serão colocados para serem introduzidos no sistema; Tubo de Carga: serve para conduzir o material, por gravidade, desde a caixa de carga até o interior do biodigestor. normalmente utiliza-se um tubo em PVC com 150 mm de diâmetro; Câmara de biodigestão: local onde ocorrerá a fermentação do material e a conseqüente liberação do biogás. deverá ser construída em alvenaria; Constituição Gasômetro: elemento responsável por armazenar o biogás produzido, permitindo o seu fornecimento com pressão constante. no caso do modelo Indiano: Movimenta-se para cima ou para baixo, de acordo com o volume de biogás acumulado ou retirado. geralmente é feito de chapa de aço numero 14, a qual deverá ser soldada em uma estrutura metálica, feita de cantoneiras de aço carbono ¾”. Deverá ter formato cilíndrico, cobertura superior abaulada (em forma de cone), para evitar a deposição de impurezas e água na parte externa do mesmo; ter um tubo-guia com função de guiar o gasômetro, quando este se movimentar para cima ou para baixo. o tubo-guia deve ser obtido a partir de um tubo galvanizado com duas e meia polegadas de diâmetro. Constituição Tubo de descarga: servirá para fazer a retirada do material fermentado (sólidos e líquidos) de dentro do biodigestor. deve-se utilizar também tubo PVC com 150 mm de diâmetro; Caixa ou caneleta de descarga: local para onde será encaminhado o material retirado de dentro do biodigestor até ser conduzido para outro local. deverá ser construída em alvenaria; Saída de biogás: dispositivo que deverá se localizar na parte superior do gasômetro para saída de biogás e condução até os pontos de consumo. Para o modelo indiano recomenda-se que esse dispositivo seja de mangueira flexível, para acompanhar os movimentos do gasômetro. Subprodutos Gás Biogás; Parte sólida que decanta no fundo do tanque Biofertilizante; Parte líquida efluente mineralizado (tratado). Os biodigestores são capazes de produzir biofertilizante isento de patógenos, Biofertilizante Diminuição do teor de carbono do material; Aumento no teor de nitrogênio e demais nutrientes, em conseqüência da perda do carbono; Alta qualidade para uso como fertilizante agrícola; Maior facilidade de imobilização do biofertilizante pelos microorganismos do solo, devido ao material já se encontrar em grau avançado de decomposição Solubilização parcial de alguns nutrientes; Melhora as qualidades físicas, químicas e biológicas do solo. Biogás É um gás inflamável produzido por microorganismos em fermentação de matérias orgânicas a determinados limites de temperatura, teor de umidade e acidez, em um ambiente impermeável ao ar. Poder calorífico de 5.000 a 7.000 kcal/m3; Equivalente a 0,55L de óleo diesel, 0,45L de gás de cozinha ou 1,5kg de lenha. Pode ser usado em fogões domésticos, combustível para motores de combustão interna, chocadeiras, secadores diversos, geração de energia elétrica, aquecimento. FASE ÁCIDA • As proteínas, gorduras e os carboidratos solúveis são transformados em ácidos orgânicos • Ácido acético; • Lático; • Butílico; • Propiônico; • Álcool; • Hidrogênio; • e CO2. • As bactérias formadoras de ácidos asseguram que o meio esteja livre de oxigênio, e produzem o alimento básico para as bactérias metanogênicas. FASE METANOGÊNICA • O acetato, hidrogênio e o CO2 são transformados em gás metano pelas bactérias metanogênicas. • Sem essas bactérias o meio se tornaria tão ácido que morreriam inclusive as formadoras de ácidos. • A velocidade da cadeia de reações é limitada pela formação de microbolhas de metano e dióxido de carbono em torno das bactéria. • A agitação é recomendável para favorecer o contato direto com a mistura em digestão. Condições de fermentação IMPERMEABILIDADE AO AR: Nenhuma das atividades biológicas (reprodução, metabolismo, etc.) dos microorganismos exigem oxigênio; A decomposição de matéria orgânica na presença de O2 produz CO2 (dióxido de carbono), e na ausência do ar (O2) produz CH4 (metano). O Biodigestor deve ser perfeitamente vedado para a produção de metano não ser inibida. TEMPERATURA ADEQUADA: 30°C, pesquisas revelam valores de temperatura acima dessa faixa favorecem a produção de biogás. mudanças bruscas de temperatura afetam a produção. Diluição Os dejetos colocados na caixa de entrada do sistema devem ter cerca de 8% de material sólido; Isto evita o entupimento de tubulações; E contribui para que o processo de fermentação se desenvolva corretamente. Para isso, o esterco é misturado com água e muito bem homogeneizado, evitando a formação de "pelotas". 1:3 Aves 1:2 Suínos 1:1 Bovinos Diluição dejeto:água Origem do dejeto Construção Geralmente constrói-se os biodigestores subsuperficialmente. As bactérias metanogênicas são sensíveis a variação da temperatura durante o dia. A temperatura do solo é praticamente constante durante o dia, oscilações grandes de temperatura podem afetar a produção do gás. Tempo de Retenção É o intervalo de tempo necessário para que a matéria orgânica seja toda fermentada no biodigestor. Corresponde ao tempo necessário para que toda carga no interior do biodigestor seja substituída. )/.(/.. ).(.. 3 3 diamdiaadicionadoVolume mrbiodigestodoVolume TRH = 30 Produção de biogás e biofertilizante 50 a 60 Produção de biofertilizante 10 a 20 Produção de biogás TRH, diasFinalidade Produção de Biogás Quantidade de material para produzir 1 m3 de biogás 20 Lixo 25 Resíduos agrícolas 12 Esterco de suíno 16 Esterco seco de galinha 25 Esterco fresco de vaca Quantidade (kg) Material Produção A produção do metano começa a se processar depois de 20 dias; Cresce até chegar ao máximo na terceira semana, a partir de quando decresce lentamente durante o período de fermentação de cerca de 90 dias. Na prática costuma-se dimensionar para um período de produção de 5 a 6 semanas. A produção diária para 1m³ de câmara de fermentação é de cerca de 0,6m³ de gás. O material utilizado deve apresentar relação C/N em torno de 30 (30 vezes mais carbono do que nitrogênio). Havendo excesso de carbono (material celulósico, principalmente serragem), o Biogás tende a possuir elevado teor de CO2 e pouco metano. O mesmo ocorre se a matéria-prima é muito rica em nitrogenados (urina, sangue, etc.). Produção Os excrementos de aves são mais ricos em nitrogênio que os de bovinos. Ao excretarem as aves eliminam junto a urina, que enriquece as fezes com nitrogênio. As fezes dos bovinos possuem baixo teor de nitrogênio porque parte dele é metabolizado no próprio rúmen do gado. Esterco de ruminantes podem ser utilizados como inoculantes por possuírem as bactérias metanogênicas, junto com resíduos vegetais. Segurança Uso do MANÔMETRO: medir a pressão interna, calcular a quantidade aproximada de gás armazenado e zelar pela segurança contra alta pressão. Não colocar fertilizantes fosfatados, sob condições de ausência de ar (pressurizado) esse material pode produzir fosfina, tóxico e cujo contato é letal. Na utilização de Biogás para queima, acende-se primeiro o fósforo para depois abrir a válvula. A queima Emprego do Biogás como combustível; Transformação da energia do gás em energia térmica; A relação entre o gás e o ar deve permitir a combustão integral; Quando esta se dá, a chama é forte, de coloração azul claro e o gás emite um assobio. Se a chama tremer há insuficiência de ar e combustão incompleta. Se for curta, amarela e piscante, indica Biogás insuficiente e ar excessivo. Modelo Chinês Não é um biodigestor próprio para acúmulo de gás, devido a sua construção de cúpula fixa (a área de reserva de gás é menor), sendo mais indicado para produção de biofertilizante. Esquemático Biodigestor Modelo Chinês (PORTES e FLORENTINO, 2006) Biodigestores de Vinil São biodigestores do tipo contínuo; Modelo canadense; Campânula de material plástico; Baixo custo para instalação do biodigestor, já que não precisa ser feito em alvenaria. BIODIGESTOR COM CAMPÂNULA DE VINIL Biodigestores de Vinil aba. Pejatos Planta Baixa E CEPELRRRE REED Ea a rra NNNSANNKNSNSANSA NASA DEAD TNNN NINA E TTINARANAANAANIARANASAASA TE a SIZez tes NAAS aliteeras Tanane NANA capassas DS FEI RARENNENAENE PASSA ANNA RAN SA ici pias ico “e “» mn NARA SRA x x x BARRIS ARENS x x Corte CD FRNINT ATER A Dumanna so Rasa ASI z CE Io si US TarEgarEA PGE pira Corte dB Dimensionamento O projeto consiste em dimensionar um biodigestor para uma família de 5 pessoas numa zona rural no interior do Estado do ES, onde a utilização do biogás será em: Cozimento de alimentos: 0,33 m3.pessoa-1.dia-1; Uso de 5 lampiões, ligados 4 horas por dia: 0,13 m3.hora-1 ; Geladeira a gás ligada o dia todo: 2,2 m3.dia-1. Dimensionamento TRH – Tempo de Retenção Hidráulica. Para um TRH de 35 dias, tem-se: 35 = (Vol.biodigestor) / (0,4 m³ de solução) Vol.biodigestor = 14 m³ .Valor R$ 15.000,00 (Dez.2008) )diam³( Diária Carga (m³)r biodigesto do Volume=TRH Dimensionamento De acordo com as tabelas: ci Q ————+*: Figura 6: Planta de topo da escavação e dimensionamento da manta. Tabela 4: Dimensionamento do biodigestor de acordo com o volume Volume Profundidade Comprimento Largura maior Comprimento Largura menor (mi) (qm) maior Ci (m) Li (m) menor C2 (m) L2 (m) 3 1,0 3,5 1,2 3,0 0,7 f 1,0 6,0 2,0 4,8 0,8 15 1,4 70 2,5 5,5 1,0 20 L5 8,0 3,0 6,0 LO 30 1,5 10,0 3,5 8,0 1,5 Fonte: www.winrock.org.br Dimensionamento Deve-se construir um reservatório com as medidas: 5,50 metros de comprimento; 1,80 metros de largura; e, 1,40 metros de profundidade. Modelo Indiano CANO GUIA. AR r| TANQUE casômerao | E TERRA CANO DE DESCARGA BIODIGESTOR PAREDE DIVISÓRIA A TANQUE DE no af | cenas P- PAREDE DIVISÓRIA Iano Modelo Ind 30 em Modelo Indiano A pressão de 15 cm.c.a. deve ser medida no ponto de consumo mais distante; Dimensionar um biodigestor modelo indiano, em alvenaria de tijolos maciços, com campânula de chapa preta número 14, para suprir as seguintes necessidades de uma família com 4 pessoas para cocção de alimentos, banho, 2 lampiões tipo arandela 2horas/dia, geladeira, acionamento de um motor de 2 hp 1hora/dia. Dados: Matéria prima disponível: esterco de suíno. TRH : 40 dias. Produção de biogás de esterco suíno: 78 litros por kg. Relação de diluição 1:2 Margem de segurança: 10% . Consumo dos equipamentos Cocção de alimentos 0,33 m3 gás/pessoa/dia Chuveiro 0,80 m3/dia/pessoa Motor de combustão interna 0,45 m3/hp/hora Lampião 0,13 m3/h/lampião Geladeira 2,3 m3/dia 1- Cálculo do consumo diário: •Cocção de Alimentos = 0,33m3pessoa-1dia-1 x 4 pessoas = 1,32m3 /dia •Banho= 0,8m3 pessoa-1.banho-1 .4pessoas.1 banho.dia-1= 3,2m3 /dia •Lampiões = 0,13m3 .h-1.lampião-1.2 lamp. 2h.dia-1 = 0,52m3 /dia •Geladeira a gás = 2,3m3 /dia •Motor= 0,45m3 hp-1.h-1. 2 hp.1h.dia-1 = 0,9m3 /dia Consumo diário total (V2): 1,32 +3,2 +0,52 +2,3+0,9= 8,24m3 /dia Mais 10% = 8,24 x 1,10 = 9,064 m3 /dia Total: 9,064 m3 de biogás por dia. 6 - Cálculo da altura útil do biodigestor. É calculado com base no volume Bruto do Biodigestor (Vb) então H = [π x (2,5)2 x 3]/4 = 14,73m3 Vb ≥ 1,1VUE (o Vb deve ser 10 % maior que o VUE para compensar o volume da parede. 7) Cálculo do diâmetro do gasômetro (Dg): Dg = Di + 0,10 Dg = 2,5 + 0,10 = 2,6m 8) Diâmetro interno superior Dis = Dg + 0,10 (folga) Dis = 2,6 + 0,10 = 2,7m 9) Diâmetro externo superior Des = Dis + 0,40 (0,20 + 0,20 de cada tijolo maciço) Des = 2,7 + 0,40 = 3,1m H D vb i 4 )( 2π= 10) Diâmetro externo inferior (Dei): Dei = Di + 0,40 (0,20 + 0,20 de cada tijolo maciço) Dei = 2,5 + 0,40 = 2,9m 11) Diâmetro da base (Db): Db = Dei + 0,20 (0,10 de folga de cada lado) Db = 2,9 + 0,20 = 3,1m 12) Altura útil do gasômetro (h2): Suponha que 50 % do volume de gás produzido será armazenado durante à noite e o restante consumido durante o dia. Sendo assim, v’2 = 50 % de v2, então v’2 = 50 % de 9m 3 /dia= 4,5m3/dia 2 2 2 4 )( ' h D v g π = 2 2 4 )6,2( 5,4 h π== mh 85,02 == Acrescentando 10%= h2 =0,85x1,10 = 0,94m 13) Altura ociosa (h1) Deve ser igual a pressão solicitada pelos equipamentos: 10 a 20 cm c. de água. Adotaremos 16cm.c.a. 14) Altura do gasômetro (Hg): Hg = h1 + h2 Hg = 0,16 + 0,94 = 1,1m 15) Verificação do volume útil do biodigestor. É necessário verificar se os cálculos levam a um volume útil real que comporte o volume útil estimado mais o volume da parede divisória interna. Hp = H- h2 = 3 – 0,94 = 2,06m Vp= Hp x Di x espessura = 2,06 x 0,24= 1,28m3 Volume útil real do biodigestor (Vur) Vur= Vb – Vp = 14,73 – 1,28 = 13,45m3 (Vur deve ser aprox.Vue) Construção Modelo Indiano Cálculo Relação C/N Tem-se: 5 T de material A – 62/1 4 T de material B – 19/1 3 T de material C – 15/1 Equivalente % - 100 x Peso do material Peso total Quantidade de C x (Equivalente %/100) = contribuição de C daquele material ∑ da contribuição de C será o total de C/N do material Relação C/N 25:1 0,29 7,3 Estrume fresco bovino 29:1 0,55 16 Estrume fresco ovino 24:1 0,42 10 Estrume fresco eqüino 19: 1 0,59 11 Haste de amendoim 27:1 0,54 14 Capim 32:1 1,30 41 Haste de soja 41: 1 1,00 41 Folhas caídas 53: 1 0,75 40 Haste de milho 67:1 0,63 42 Palha seca de arroz 87:1 0,53 46 Palha seca C/N %N %C Matéria Prima