BR102020014566A2 - método de metanização e dispositivo modulável e adaptável a um digestor - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um método de metanização aperfeiçoado destinado à produção de biogás a partir de efluentes orgânicos, em particular agrícolas, por fermentação.

Description

MÉTODO DE METANIZAÇÃO E DISPOSITIVO MODULÁVEL E ADAPTÁVEL A UM DIGESTOR

[001] A presente invenção refere-se a um método de metanização aperfeiçoado, ou seja, para a produção de biogás a partir de efluentes orgânicos, em particular agrícolas, por fermentação.

[002] A metanização é um processo de decomposição de matérias orgânicas por bactérias que agem em ausência de ar. A esse processo damos o nome de decomposição por “fermentação anaeróbica”. Esse método permite gerar uma energia renovável, o biogás, que contém, entre outras substâncias, metano (CH4, em proporções de 50% a 70%), e dióxido de carbono (CO2), bem como um resíduo orgânico (chamado “digestado” e que é usado como fertilizante). O biogás pode ser transformado em eletricidade, em gás e em carburante para veículos.

[003] O método de metanização consiste na fermentação de efluentes da pecuária ou de subprodutos da indústria agroalimentar que tem o seguinte princípio: os efluentes orgânicos são armazenados em uma cuba hermética, chamada de “digestor”, onde sofrem a ação de micro-organismos (bactérias) em ausência de oxigênio (fermentação anaeróbica) ao longo de um tempo de residência determinado (em geral cerca de 60 dias).

[004] A metanização é de grande interesse econômico; o biogás produzido pode substituir o gás natural em todos os seus atuais usos: produção de calor, produção de eletricidade e carburante para veículos, e o digestado é totalmente valorizado, sobretudo em forma de adubo, com uma composição que é bem mais completa do que um adubo químico. No caso da produção de eletricidade, ocorre a coprodução de água quente de 84 °C a 97 °C. Portanto, ela permite economias substanciais para os agricultores. O biogás pode também agregar um complemento de receita gerado pela venda da eletricidade ou gás com tarifas de aquisição preferenciais.

[005] A metanização é igualmente de interesse ambiental, visto que o biogás é uma energia renovável. Embora a produção e o uso do biogás gerem emissões de poluentes na atmosfera (CO2), estas permanecem menos significativas do que as representadas pelas energias fósseis. Além disso, o digestado é um produto fertilizante de alto valor agronômico; é muito facilmente assimilável pelas plantas devido ao seu teor de amônia, fósforo e potássio aos quais se adicionam fatores de crescimento.

[006] A metanização também permite, em escala local, suprimir o problema de armazenamento das matérias fermentáveis (odores e concentração de insetos e roedores).

[007] No momento, existem dois métodos de metanização classicamente adotados na França; um consiste em introduzir efluentes orgânicos continuamente em um digestor onde são misturados infinitamente ao digestado já presente (esse método é chamado de “mesofílico” ou “por via úmida”, ele é conduzido em uma temperatura da ordem de 40 °C); o outro é realizado por batelada: os efluentes orgânicos são introduzidos no digestor, a fermentação ocorre, em seguida o digestado é recuperado pelo esvaziamento do digestor antes que este seja novamente abastecido com efluentes orgânicos (método chamado de “termofílico” ou “por via seca” conduzido em uma temperatura da ordem de 55 °C). Nos dois métodos, a fermentação é produzida pela flora espontaneamente presente nos efluentes orgânicos.

[008] Existem ainda outros métodos de metanização praticados em outras regiões; por exemplo, na Alemanha, a metanização do tipo infinitamente misturada é realizada com ensilagem de milho e necessita da semeadura de micro-organismos e um perfeito domínio do pH. Essa prática vai de encontro aos aspectos ecológicos e aos aspectos econômicos porque ela utiliza uma matéria-prima que pode servir para a alimentação animal.

[009] Pelas razões expostas acima, parece útil otimizar a condução da metanização, sobretudo para melhorar o seu rendimento.

[010] Foi o que aconteceu com a Demandante ao desenvolver um novo método de metanização por via úmida compreendendo várias etapas adicionais que são realizadas fora do digestor ou do pós-digestor quando o dispositivo o possui: aeração, mixagem e moagem da mistura de uma fração do digestado e de efluentes orgânicos; quando da condução dessas etapas adicionais, é produzida ainda a decantação de corpos estranhos pesados que podem ser evacuados regularmente.

[011] Mais precisamente, a presente invenção se refere a um método de metanização de efluentes orgânicos por via úmida em um digestor caracterizado por compreender as seguintes etapas adicionais:

• a- extração de uma fração do digestado presente no digestor;
• b- adição de efluentes orgânicos à fração do digestado;
• c- opcionalmente, molhamento da mistura da fração do digestado e de efluentes orgânicos; o molhamento é realizado pela adição de um líquido aquoso, por exemplo, água ou soro do leite;
• d- mixagem em condições aeróbicas da mistura da dita fração de digestado, de efluentes orgânicos e, conforme o caso, do líquido adicionado durante um período de tempo determinado;
• e- moagem da mistura obtida na etapa d;
• f- decantação dos corpos estranhos pesados durante a fase de mixagem e, opcionalmente, evacuação dos ditos corpos estranhos;
• g- reintrodução no digestor da dita mistura assim tratada.

[012] Por efluentes orgânicos, entendemos efluentes agrícolas tais como o esterco proveniente dos excrementos de animais, resíduos vegetais agrícolas (cereais, ervas, feno, etc.) em particular de fibras longas, chorume, subprodutos da indústria agroalimentar ou mistura dos citados.

[013] A vantagem do método de acordo com a invenção é que ele não necessita de nenhum pré-tratamento dos efluentes orgânicos, como a pré-moagem dos filamentos vegetais; efetivamente, ele pode ser realizado, por exemplo, com fibras vegetais longas de várias dezenas de centímetros, da mesma maneira que é feita por um Ruminante ao ingerir e mastigar caules de gramíneas.

[014] De acordo com uma modalidade de realização vantajosa, o método de acordo com a invenção é implementado com efluentes orgânicos contendo uma proporção elevada de esterco, ou seja, até 80% em peso de esterco, em particular entre 60 e 80% em peso de esterco, em relação ao peso total dos efluentes orgânicos. O esterco é um efluente orgânico geralmente difícil de ser digerido em um digestor, pois normalmente contém corpos estranhos indesejáveis e prejudiciais à instalação (pedras presentes no feno, cordas dos fardos de feno, restos das lonas de cobertura da silagem, etc.).

[015] O método de acordo com a invenção pode ser implementado com qualquer tipo de esterco de ruminantes, como o esterco de bovinos, mas também com esterco de ovinos ou equinos, que em geral são mais duros e secos, menos degradados e normalmente contêm resíduos de palha em razão do ambiente da sua coleta e da grande quantidade de palha utilizada para as camas, o que as torna mais difíceis de metanizar.

[016] O aperfeiçoamento objeto da presente invenção se aplica aos métodos de metanização por via úmida.

[017] Por digestor, entendemos uma cuba hermética, em geral cilíndrica, equipada com um sistema de aquecimento (para mantê-la em uma temperatura entre 38 e 44 °C, de preferência da ordem de 42 °C) e um dispositivo de agitação; classicamente, os digestores são cubas grandes, com 1.000 a 2.000 m3, inclusive maiores; o método de acordo com a invenção pode ser implementado em digestores de todos os tamanhos.

[018] Para a execução do método de acordo com a invenção, a fração do digestado contido no digestor é extraída e conduzida em um tanque de mixagem (etapa a do método), os efluentes orgânicos para digestão (etapa b do método) e opcionalmente um líquido (etapa c do método) são adicionados e a mistura é brassada em presença de oxigênio (etapa d) e em seguida moída em presença de oxigênio (etapa f do método).

[019] Qualquer quantidade de digestado e de efluentes orgânicos pode ser utilizada; tipicamente, é preferível introduzir um volume de digestado que represente entre 60 e 80% do volume da mistura total, com o volume restante sendo constituído por efluentes orgânicos, representando entre 20 e 40% do volume da mistura total, e o eventual líquido adicionado.

[020] A brassagem (ou mixagem) é realizada, de preferência, com a ajuda de pás instaladas no tanque de mixagem.

[021] A aeração da mistura contendo a mistura de digestado, de efluentes orgânicos e do eventual líquido no tanque de mixagem é permitida por uma abertura do dito tanque de mixagem voltada para o ar livre ou por injeção de oxigênio no caso de um tanque de mixagem fechado.

[022] O número de ciclos de condução das etapas a até g, que permitem a introdução de novas quantidades de efluentes orgânicos no digestor, é ajustado em função do volume de efluentes orgânicos a ser tratado; a título de ilustração, ele pode ser de 20 ciclos por 24 horas, próximo ao de um ruminante.

[023] A moagem pode ser efetuada por qualquer meio conhecido pelo indivíduo versado na técnica; por exemplo, ela pode ser realizada fazendo circular a mistura obtida ao final da etapa d através de uma bomba de corte e/ou um moedor, presentes em um circuito fechado posicionado na saída do tanque de mixagem.

[024] Assim, no curso de um ciclo de condução das etapas a até g, a própria mistura de digestado, de efluentes orgânicos e do eventual líquido é submetida às etapas d (mixagem) e f (moagem) de modo cíclico: a mistura é mesclada no tanque de mixagem e circula no circuito fechado de moagem. Por esse motivo, não é necessário efetuar a pré-moagem dos efluentes orgânicos.

[025] A duração do ciclo de condução das etapas a a g é de pelo menos 1 minuto, de preferência 3 minutos; por razões de otimização do custo energético do método, essa duração, de preferência, não ultrapassa 10 minutos, mesmo se tempos de duração mais longos não prejudicarem a condução do método de acordo com a invenção.

[026] Um líquido (por exemplo, água, ou melhor, soro do leite) pode ser adicionado à mistura de digestado e de efluentes orgânicos no tanque de mixagem, essa adição permite baixar a secura da mistura, conferindo a ela maior homogeneidade e maior fluidez, facilitando a sua circulação nos tubos; a título de indicação, o volume do líquido adicionado na etapa c quando ela é executada, representa entre 15 a 20% do volume da mistura de digestado e de efluentes orgânicos presentes no tanque de mixagem.

[027] Ao final do tratamento de brassagem, molhamento, decantação de corpos estranhos e moagem em meio aeróbico, a mistura é reintroduzida no digestor, de maneira semelhante a que é feita por um Ruminante quando o bolo alimentar retorna para o rúmen depois de ser mastigado.

[028] A Figura 1 representa um dispositivo modular transportável ou adaptável a qualquer digestor, próprio para a condução do método de acordo com a invenção:

[029] Por esse dispositivo, a extração do digestado pode ser feita tanto por gravidade quanto por uma bomba (pela abertura da válvula de enchimento e ação da bomba de enchimento na Figura 1) que o incorpora no tanque de mixagem; o tanque é aberto para o ar livre para passar de um meio anaeróbico para um meio aeróbico, assim como acontece na boca de um ruminante.

[030] A brassagem dos efluentes orgânicos introduzidos por meios adequados junto com o digestado durante um tempo determinado permite que pedras e outros corpos estranhos sejam decantados no fundo do tanque; esses materiais podem ser evacuados do tanque de mixagem por qualquer meio de abertura situado na parte inferior do tanque.

[031] Além disso, o moedor ou a bomba de corte podem ser facilmente abertos para extrair os corpos estranhos não pesados, por exemplo, os corpos flutuantes (plásticos, cordas, etc.).

[032] De preferência, se um líquido é introduzido, é o soro do leite que fornece os açúcares (em especial a glicose) necessários às bactérias, bem como sais minerais e outros macroelementos tais como matéria graxa e proteínas solúveis.

[033] Nesse exemplo de dispositivo, a saída do tanque é feita por um orifício situado algumas dezenas de centímetros acima do fundo do tanque para que os corpos estranhos trazidos pelos efluentes orgânicos durante a sua coleta possam decantar. De acordo com a quantidade de corpos estranhos, o tanque é esvaziado assim que necessário, evitando interromper a produção.

[034] No fim do ciclo de brassagem/moagem, com um tempo de duração determinado compreendido entre 1 minuto e 10 minutos, de preferência entre 3 e 10 minutos, a mistura obtida é reintroduzida no digestor (ou no pós-digestor), orientado por uma eletroválvula em cada um deles.

[035] Esse novo método melhora significativamente a digestão da matéria orgânica e permite reduzir substancialmente a energia elétrica necessária para a mistura da biomassa no digestor. Assim, reintroduzindo o digestado tratado no digestor ou no pós-digestor, a produção de metano por fermentação anaeróbica é mais abundante e mais rápida.

[036] De acordo com um objetivo adicional, a presente invenção se refere a um dispositivo que permite a execução do método de metanização de acordo com a invenção.

[037] Esse dispositivo modulável e adaptável a um digestor compreende:

• - um tanque de mixagem ligado ao digestor;
• - um circuito de enchimento do tanque de mixagem compreendendo uma válvula de enchimento e uma bomba de enchimento, e
• - um circuito de esvaziamento do tanque de mixagem compreendendo uma válvula de esvaziamento e uma bomba de esvaziamento,

[038] o dito tanque de mixagem também é equipado com um duto de circuito fechado contendo uma bomba de corte.

[039] O tanque de mixagem é, de preferência, um tanque aberto equipado com um sistema de agitação, com dimensões de baixa capacidade da ordem de 50 m3 que lhe permitem ser um módulo movimentável ou adaptável a qualquer tipo de digestor, passível de ser facilmente esvaziado de corpos estranhos.

[040] De acordo com uma modalidade de realização particular, tal como representada na Figura 1, o duto de circuito fechado é ligado ao circuito de esvaziamento que é o mesmo circuito do circuito de enchimento.

[041] A presente invenção se refere ainda a um metanizador compreendendo:

• - um dispositivo modulável e adaptável a um digestor e
• - um digestor.

[042] O método de metanização aperfeiçoado de acordo com a invenção permite um incremento significativo da capacidade de tratamento de efluentes orgânicos. A execução do método permitiu aumentar a tonelagem dos efluentes orgânicos introduzidos na instalação de 2 toneladas/h para 12 toneladas/h e a proporção de eletricidade produzida (expressa em kWh / tonelada de efluentes) em 193% em média.

[043] Por fim, o uso do ciclo de mixagem/moagem no método de acordo com a invenção permitiu a supressão de uma etapa de pré-moagem dos efluentes orgânicos antes da introdução no digestor, o que representa uma economia significativa (veja o exemplo 2 abaixo).

EXEMPLO 1 - EXECUÇÃO DO MÉTODO DE ACORDO COM A INVENÇÃO

[044] Com a ajuda do protótipo ilustrado na Figura 1, as operações são efetuadas de acordo com o seguinte encadeamento:

• - introdução no tanque de mixagem de uma fração do digestado do digestor ou do pós-digestor, por gravidade se a altura assim permitir, e, não sendo possível, por uma bomba, chamada de bomba do tipo rabo de porco;
• - mistura no tanque de mixagem em velocidade reduzida durante 8 minutos para molhar os fios de feno provenientes do enchimento de 1 T de esterco por um balde ou uma câmara de fundo móvel;
• - brassagem durante 8 minutos em velocidade rápida de 1 T de esterco, durante a introdução do soro do leite; os corpos estranhos pesados se depositam no fundo;
• - depois, sempre em brassagem, passagem pela bomba de corte em circuito fechado no tanque de mixagem durante 8 minutos para uma vazão de 125 m3/hora;
• - fechamento do circuito de retorno para o tanque e envio pela bomba de corte, no digestor, isso dura 10 a 15 minutos consoante a secura da mistura.

[045] Desse modo, esse protótipo tem a capacidade de passar uma massa de 6 t de esterco bruto com 1 m3 de soro do leite, em 30 minutos.

[046] O desenvolvimento desse método de metanização aperfeiçoado permite o tratamento de 12 toneladas de esterco por hora, ao passo que o método “clássico” por via úmida conduzido com o mesmo digestor não permitiria, ao cabo de alguns meses, tratar mais que duas toneladas de esterco por hora (desgaste exagerado dos órgãos de introdução de esterco e de mixagem no digestor).

EXEMPLO 2 - COMPARAÇÃO DO RENDIMENTO DO MÉTODO DE ACORDO COM A INVENÇÃO E DO MÉTODO DE METANIZAÇÃO POR VIA ÚMIDA CLÁSSICO

[047] A instalação, que foi aperfeiçoada pelo método de acordo com a invenção, foi utilizada anteriormente, em particular no ano de 2015, para conduzir um método de metanização por via úmida “clássico”; ou seja, possuía um digestor no qual foi incorporada uma massa de efluentes orgânicos (estercos de fibras longas previamente moídas) por meio de parafusos de introdução; essa massa de efluentes orgânicos foi então fermentada no digestor em condições anaeróbicas.

[048] Posteriormente, em 2019, essa instalação foi equipada com um tanque de mixagem conectado ao digestor e permitiu a execução do método da invenção; os efluentes orgânicos então utilizados são os mesmos (eles procedem da mesma propriedade), com a diferença de que não sofreram pré-moagem.

[049] O sumário dos volumes de efluentes tratados e da energia diária produzida em cada uma dessas duas configurações consta a seguir:
QUADRO 1: COMPARAÇÃO DE RENDIMENTO EM kWh/T.

QUADRO 2: COMPARAÇÃO DE RENDIMENTO DA COGERAÇÃO EM RELAÇÃO À POTÊNCIA NOMINAL DE 250 kWh.

QUADRO 3: COMPARAÇÃO DA PRODUTIVIDADE EM kWh/T COM O CONSUMO ELÉTRICO PARA OPERAR A INSTALAÇÃO DIVIDIDO POR 2.

[050] A comparação utilizou os dados coletados durante o ano de 2015, durante o qual os rendimentos obtidos com a instalação antiga foram os melhores, e os dados coletados durante o ano de 2020, após a modificação da instalação; os dados obtidos em janeiro são mencionados, mas não foram levados em conta para o cálculo do rendimento médio, porque a instalação funcionou apenas parcialmente naquele mês. Essa comparação mostra um aumento nítido do rendimento em kWh/t de entrada: entre +133% e +277% e +193% em média (veja o Quadro 1).

[051] Esse melhor rendimento também é observado por um aumento do rendimento da cogeração, que passa de 47% para mais de 90% em relação à sua potência nominal de 250 kWh: veja o Quadro 2.

[052] Para finalizar, com a produtividade em kWh/T de insumos tendo sido dobrada, o consumo elétrico para operar a instalação foi dividido por 2 (veja o Quadro 3), já que a invenção consiste em um método de "ruminação".

[053] Esses resultados mostram que a melhor preparação do material incrementa em números expressivos o rendimento da produção de metano.

[054] Finalmente, a supressão da etapa de pré-moagem gerou uma economia de 39 000 € em um ano completo.

Claims (7)

1. Método de metanização de efluentes orgânicos por via úmida em um digestor caracterizado por compreender as seguintes etapas adicionais:

   • a- extração de uma fração do digestado presente no digestor;
   • b- adição de efluentes orgânicos à fração do digestado;
   • c- opcionalmente, molhamento da mistura de fração de digestado e de efluentes orgânicos;
   • d- mixagem em condições aeróbicas da mistura da dita fração de digestado, de efluentes orgânicos e, conforme o caso, do líquido adicionado durante um tempo determinado;
   • e- moagem da mistura obtida na etapa d;
   • f- decantação dos corpos estranhos pesados durante a fase de mixagem e, opcionalmente, evacuação dos ditos corpos estranhos;
   • g- reintrodução no digestor da dita mistura assim tratada.
2. Método de metanização, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os efluentes orgânicos compreenderem até 80% de esterco em peso em relação ao peso total dos efluentes orgânicos.
3. Método de metanização, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o líquido ser o soro do leite.
4. Método de metanização, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o volume da fração de digestado introduzida no tanque de mixagem representar entre 60 e 80% do volume total da mistura de digestado, de efluentes orgânicos e de eventuais líquidos.
5. Método de metanização, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por as condições aeróbicas da etapa d serem permitidas por uma abertura do dito tanque de mixagem voltada para o ar livre ou por injeção de oxigênio no caso de um tanque de mixagem fechado.
6. Método de metanização, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por a duração total das etapas d e f estar compreendida entre 3 e 10 minutos.
7. Dispositivo modulável e adaptável a um digestor caracterizado por compreender:

   • - um tanque de mixagem ligado a um digestor:
   • - um circuito de enchimento do tanque de mixagem compreendendo uma válvula de enchimento e uma bomba de enchimento;
   • - um circuito de esvaziamento do tanque de mixagem compreendendo uma válvula de esvaziamento e uma bomba de esvaziamento;

   o dito tanque de mixagem sendo equipado com um duto de circuito fechado contendo uma bomba de corte.

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