BR112020012525A2

BR112020012525A2 - método de carbonização hidrotérmica de um lodo

Info

Publication number: BR112020012525A2
Application number: BR112020012525-3A
Authority: BR
Inventors: Fredrik Lundqvist; Erik Odén; Fredrik Öhman
Original assignee: C-Green Technology Ab
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-11-24
Also published as: SE1751623A1; US20210078890A1; EP3728525B1; ES2939115T3; SE541230C2; JP7261802B2; EP3728525A1; WO2019125275A1; FI3728525T3; EP3728525A4; CN111492041A; JP2021508589A

Abstract

É fornecido um método de carbonização hidrotérmica de um lodo, compreendendo as etapas de: a) pré-aquecer o lodo para obter um lodo pré-aquecido; b) adicionar um agente oxidante, tal como gás oxigênio, ao lodo pré-aquecido; e c) submeter o lodo da etapa b) à carbonização hidrotérmica (HTC) em um reator para obter um lodo tratado por HTC.

Description

MÉTODO DE CARBONIZAÇÃO HIDROTÉRMICA DE UM LODO CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um método de carbonização hidrotérmica de lodo, em particular de lodo municipal ou industrial de uma estação de tratamento de águas residuais.

ANTECEDENTES

[002] O lodo é tipicamente o que resta após o tratamento de águas residuais em estações de tratamento de águas residuais municipais ou industriais. As estações de tratamento de águas residuais municipais tratam as águas residuais provenientes das cidades, enquanto as estações de tratamento de águas residuais industriais tratam os efluentes de água de diferentes processos industriais, por exemplo, fábricas de papel e celulose, instalações de produção de alimentos industriais, etc. A criação de animais também é uma fonte considerável de águas residuais e lodo, por exemplo, suinocultura em larga escala. Modalidades da presente invenção serão úteis em todas essas áreas.

[003] As tecnologias para tratamento de águas residuais são similares em um nível geral, mas incluem soluções específicas dependendo do caráter das correntes de resíduos a serem tratadas, projeto básico, requisitos locais e preocupações ambientais. Em estações maiores na Suécia, o processo de tratamento de águas residuais muitas vezes compreende um pré-tratamento mecânico seguido de etapas de tratamento primário (sedimentação) e secundário (aeróbio). Em alguns casos, diferentes formas de tratamento terciário também são aplicadas para remover as substâncias problemáticas remanescentes, por exemplo, resíduos de fármacos, substâncias orgânicas tóxicas etc., na água tratada. Em estações menores, um ou mais desses estágios podem, muitas vezes, ser omitidos com frequência.

[004] Quase todas as estações de tratamento de águas residuais em uso geram lodo que precisa ser manejado. O lodo é recuperado diretamente da estação após a desidratação (lodo aeróbio) ou primeiro tratado de forma anaeróbia para a produção de biogás, em que parte do lodo é digerido e o restante é recuperado como lodo anaeróbio.

[005] As estações de tratamento de águas residuais em todo o mundo produzem várias centenas de milhões de toneladas métricas de lodo a cada ano e a quantidade está crescendo rapidamente. Na Suécia, o volume total de lodo em toneladas de sólidos secos por ano (tSS/a) foi relatado como sendo 250.000 em 2010 e estima-se que o valor atual seja o mesmo ou maior. O manejo de lodo é, portanto, um enorme desafio para a sociedade, e as soluções atuais estão associadas a um alto custo e frequentemente também a um impacto ambiental negativo.

[006] A partir de 1986, a União Europeia adotou várias diretrizes que regulam o tratamento e o descarte de lodo de águas residuais, abordando diferentes aspectos, tais como o uso de lodo como aterro, a recuperação de fósforo, a incineração de lodo, etc. As várias diretrizes estão refletidas na legislação nacional de cada um dos estados membros e, por exemplo, na Suécia, o descarte de lodo em aterros é proibido desde 2005.

[007] Hoje, os principais usos para um lodo de águas residuais são a fertilização na agricultura e floresta/silvicultura, misturando no solo de plantas para projetos de construção de solo e a cobertura e restauração de aterros, incineração com recuperação de energia, recuperação de produtos químicos e a produção de fertilizantes e, finalmente, aterro, no entanto, desde que o lodo tenha sido submetido a um pré-tratamento específico, tal como compostagem.

[008] A incineração do lodo, com recuperação de energia e tratamento adequado de gases de combustão e cinzas para destruir produtos químicos nocivos e manejar com segurança metais pesados, continua sendo uma alternativa atraente. A composição exata do lodo, no entanto, depende da composição das águas residuais recebidas e do tipo de estação de tratamento de águas residuais. Um lodo, com altas concentrações de componentes orgânicos e/ou biológicos, é geralmente difícil de desidratar. O teor de água é frequentemente tão alto que o valor líquido de aquecimento, se incinerado em uma usina elétrica, é muito baixo ou até negativo e a adição de combustíveis de apoio, muitas vezes combustível fóssil, pode ser necessária.

[009] A C-Green Technology AB desenvolveu um processo para tratamento de lodo envolvendo uma etapa de carbonização hidrotérmica (HTC). O fósforo pode ser extraído de biocombustível antes da combustão ou das cinzas após a combustão.

SUMÁRIO

[010] A operação de muitos sistemas de carbonização hidrotérmica (HTC) requer um fornecimento de energia externa, por exemplo, na forma de eletricidade ou gás. Os presentes inventores descobriram que a necessidade de fornecimento contínuo de energia externa no tratamento por HTC de lodo pode ser eliminada pela adição de um agente de oxidação a um lodo pré-aquecido antes da reação do HTC. A adição do agente de oxidação resulta em uma oxidação úmida parcial do lodo. A oxidação úmida parcial é exotérmica e gera calor suficiente para atingir a temperatura desejada da reação por HTC. Essa forma simples de oxidação é relativamente fácil e barata de implementar.

[011] Um benefício da adição do agente de oxidação a um lodo pré- aquecido, e não a um lodo não aquecido, é que uma temperatura mais alta resulta em um processo de oxidação úmida mais rápido (a taxa de oxidação úmida é dependente de temperatura). Em temperaturas acima de 120°C, uma temperatura mais alta também aumenta a solubilidade do gás oxigênio no lodo,

que facilita adicionalmente a oxidação úmida (quando o gás oxigênio é o agente de oxidação). Adicionalmente, a viscosidade do lodo é substancialmente menor em temperaturas mais altas, o que permite uma mistura eficiente com o agente de oxidação.

[012] Portanto, é fornecido um método de carbonização hidrotérmica de um lodo, compreendendo as etapas de: a) pré-aquecer o lodo para obter um lodo pré-aquecido; b) adicionar um agente oxidante ao lodo pré-aquecido; e c) submeter o lodo da etapa b) à carbonização hidrotérmica (HTC) em um reator para obter um lodo tratado por HTC.

[013] O agente oxidante é preferencialmente gás oxigênio. "Gás oxigênio" refere-se a um gás compreendendo pelo menos 80% de oxigênio em volume, preferencialmente pelo menos 95% de oxigênio em volume. Consequentemente, a “adição de gás oxigênio” na etapa b) não abrange a adição de ar (pois o teor de oxigênio do ar é apenas 21% em volume). Um benefício do uso de gás oxigênio em vez de ar é que menos gás inerte é adicionado ao reator. Outro benefício é uma reação de oxidação úmida mais eficiente.

[014] Como entendido pelo técnico no assunto, o método é um método contínuo.

[015] A temperatura do lodo pré-aquecido ao qual o agente oxidante é adicionado na etapa b) é normalmente pelo menos 120°C e preferencialmente pelo menos 145°C, tal como de 145 a 195°C. Mais preferencialmente, é pelo menos 150°C, tal como de 150 a 190°C. Mais preferencialmente, é pelo menos 165°C, tal como de 165 a 190°C.

[016] O lodo da presente invenção é preferencialmente um lodo municipal ou industrial de uma estação de tratamento de águas residuais.

[017] O teor de sólidos secos (também conhecido como "Sólidos Totais") do lodo é tipicamente de 1 a 35%, tal como de 2 a 35%, tal como de 3 a 32%. Se o lodo for lodo anaeróbio, o teor de sólidos secos é normalmente de 13 a 32%. Se o lodo for lodo aeróbio, o teor de sólidos secos é tipicamente de 5 a 15%. O teor de cinzas é tipicamente de 10 a 75%, tal como de 12 a 50%, tal como de 30 a 50%, do peso seco do lodo. O maior valor de aquecimento (HHV) do lodo é tipicamente de 3,5 a 21 MJ/kg (peso seco), tal como de 6 a 17 MJ/kg (peso seco).

[018] A oxidação úmida da presente invenção é parcial no sentido que não consome todo o HHV do lodo. Tipicamente, consome menos de 50% do HHV do lodo e, preferencialmente, consome de 5 a 20%, tal como de 6 a 15%, do HHV do lodo. A quantidade de agente de oxidação adicionado na etapa b) pode ser consequentemente adaptada.

[019] A presente invenção facilita a separação de fósforo (P). Consequentemente, o lodo da presente invenção preferencialmente compreende fósforo, por exemplo, em uma quantidade de 0,5 a 9% do peso seco do lodo, tal como 1 a 9% do peso seco do lodo, tal como 1,5 a 9% do peso seco do lodo.

[020] Adicionalmente, o lodo tratado é usado como um combustível para o processo de oxidação úmida. O carvão por HTC final também é tipicamente usado como um combustível. Portanto, o lodo da presente invenção preferencialmente compreende carbono (C), por exemplo, em uma quantidade de 9 a 46% do peso seco do lodo, tal como 20 a 46% do peso seco do lodo.

[021] A oxidação úmida da presente invenção não requer um reator separado. Em vez disso, basta que a fração seja misturada com o agente de oxidação, por exemplo, usando um misturador de gás oxigênio. Consequentemente, em uma modalidade, nenhum reator separado do reator da etapa c) é usado para a reação entre o agente oxidante e o lodo pré-aquecido. O equipamento necessário para tal modalidade pode ser relativamente simples e, portanto, econômico. Para alcançar um melhor controle de processo, pode, no entanto, ser benéfico permitir que o lodo passe através de um reator para oxidação úmida entre as etapas b) e etapa c). O tempo de retenção em tal reator é tipicamente mais curto que a retenção no reator da etapa c). Por exemplo, o tempo de retenção no reator para oxidação úmida pode ser de 10 a 60 min, como 20 a 40 min. Consequentemente, o volume do reator para oxidação úmida é tipicamente menor que o volume do reator da etapa c). Por exemplo, o volume do reator para oxidação úmida pode ser de 10 a 50%, tal como de 20 a 40%, do volume do reator da etapa c).

[022] Quando o agente oxidante é um gás oxigênio, ele pode ser adicionado em uma quantidade de 60 a 260 kg por tonelada de lodo seco processado pelo método, preferencialmente de 100 a 200 kg por tonelada de lodo seco processado pelo método, mais preferencialmente de 110 a 150 kg por tonelada de lodo seco processado pelo método.

[023] O lodo tratado por HTC da etapa c) pode ser resfriado por evaporação parcial. Tal evaporação parcial provê pelo menos uma fração de vapor que é/são preferencialmente usada(s) no pré-aquecimento da etapa a). Em uma modalidade, a evaporação parcial fornece pelo menos duas, tal como pelo menos três, frações de vapor de diferentes temperaturas que são usadas para aquecimento sequencial do lodo no pré-aquecimento da etapa a).

[024] Para tal modalidade, um mecanismo pode ser usado, cujo mecanismo compreende: - um mecanismo de evaporação parcial para submeter o lodo, tratado por HTC da etapa c), à evaporação parcial para obter uma fração resfriada e pelo menos uma fração de vapor; e

- um mecanismo de encaminhamento de vapor para encaminhar pelo menos uma fração de vapor para um mecanismo de pré-aquecimento para o pré-aquecimento da etapa a).

[025] O mecanismo de evaporação parcial pode compreender pelo menos dois, tais como pelo menos três, vasos de evaporação parcial dispostos em série para prover frações de vapor de diferentes temperaturas. Adicionalmente, o mecanismo de pré-aquecimento pode compreender pelo menos dois, tais como pelo menos três, misturadores de vapor, tais como misturadores de venturi, dispostos em série. O mecanismo de encaminhamento de vapor conecta preferencialmente os vasos de evaporação parcial aos misturadores de vapor, de modo que o lodo possa ser pré-aquecido gradualmente.

[026] A temperatura do lodo tratado por HTC na etapa c) é 180 a 250°C, preferencialmente 180 a 230°C e mais preferencialmente 190 a 225°C.

[027] A etapa de oxidação úmida é realizada pois o pré-aquecimento não é suficiente para que o lodo atinja a temperatura do tratamento por HTC no reator. A temperatura do lodo tratado por HTC na etapa c) é normalmente pelo menos 20°C mais alta (tal como de 20 a 65°C mais alta) e preferencialmente pelo menos 30°C mais alta (tal como de 30 a 65°C mais alta) que a temperatura do lodo pré-aquecido para o qual é adicionado o agente oxidante na etapa b).

[028] O tempo médio de retenção no reator da etapa c) é tipicamente de 0,25 a 8h e preferencialmente de 0,5 a 2h.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[029] As figuras 1 e 2 ilustram diferentes modalidades exemplares de um método de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[030] Uma primeira modalidade exemplar de um método de acordo com a presente invenção é esquematicamente ilustrada na Fig. 1. Um lodo é recebido

(A) de uma fonte, que pode ser uma estação de tratamento de águas residuais municipal, um processo industrial ou uma instalação na agricultura ou na criação de animais. O lodo pode ser recebido diretamente da estação ou de um tanque de armazenamento que faz parte do sistema. O lodo tipicamente tem uma temperatura inicial de cerca de 30°C e um teor de matéria seca de cerca de 30%. Após o aquecimento inicial opcional (não mostrado), por exemplo, por uma corrente de líquido do mesmo processo/sistema, o lodo é pré-aquecido em um mecanismo de pré-aquecimento 101. O pré-aquecimento é preferencialmente realizado por adições graduais de vapor, por exemplo, em um primeiro 102, um segundo 103 e um terceiro 104 misturador de vapor dispostos em série. A jusante de cada misturador de vapor 102, 103, 104, uma bomba 102p, 103p, 104p é disposta. Após o mecanismo de pré-aquecimento 101, é obtido um lodo pré-aquecido tendo uma temperatura de cerca de 175°C.

[031] O gás oxigênio é adicionado ao lodo pré-aquecido em um misturador de gás oxigênio 105 para alcançar uma oxidação úmida parcial do lodo pré- aquecido. O misturador de gás oxigênio é conectado a um tanque de oxigênio (não mostrado). A quantidade de gás oxigênio pode ser de cerca de 130 kg por tonelada de lodo seco processado no sistema. A oxidação úmida não é instantânea. Em vez disso, estará em curso quando o lodo fluir a jusante do misturador de gás oxigênio 105.

[032] Após a adição de oxigênio, o lodo é encaminhado para um reator 106 para carbonização hidrotérmica (HTC) do lodo. Em uma seção a montante do reator 106, as reações de oxidação úmida podem estar em curso, o que significa que a temperatura é tipicamente mais baixa na seção a montante do reator 106 que em uma seção a jusante do reator 106. Na seção a jusante do reator, a temperatura está tipicamente dentro da faixa de 205 a 215°C.

[033] O lodo tratado por HTC do reator 106 é submetido à evaporação parcial em um mecanismo de evaporação parcial 107, que produz pelo menos uma fração de vapor que é usada para pré-aquecer o lodo no mecanismo de pré- aquecimento 101. Preferencialmente, o mecanismo de evaporação parcial 107 compreende vários vasos de evaporação parcial dispostos em série para produzir frações de vapor de diferentes temperaturas. Por exemplo, o mecanismo de evaporação parcial 107 pode compreender: um primeiro vaso de evaporação parcial 108 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente alta que é encaminhada para o terceiro misturador de vapor 104 do mecanismo de pré-aquecimento 101; um segundo vaso de evaporação parcial 109 que produz uma fração de vapor de temperatura média que é encaminhada para o segundo misturador de vapor 103 do mecanismo de pré-aquecimento 101; e um terceiro vaso de evaporação parcial 110 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente baixa que é encaminhada para o primeiro misturador de vapor 102 da disposição de pré-aquecimento 101.

[034] A lama resfriada obtida a jusante do mecanismo de evaporação parcial 107 é desidratada (não mostrada), de modo que pelo menos uma corrente de líquido (que pode ser usada para aquecimento inicial e/ou diluição do lodo recebido) e uma fração espessa compreendendo um carvão por HTC sejam obtidas.

[035] O sistema 100 pode compreender um aquecedor 111 usando calor externo, tal como um aquecedor elétrico, para iniciar o processo a frio. O aquecedor 111 é preferencialmente disposto a jusante do misturador de gás oxigênio, mas a montante do reator 106.

[036] Uma segunda modalidade exemplar de um sistema de acordo com a presente invenção é esquematicamente ilustrada na Fig. 2. Um lodo é recebido (A) de uma fonte, que pode ser uma estação de tratamento de águas residuais municipal, um processo industrial ou uma instalação na agricultura ou na criação de animais. O lodo pode ser recebido diretamente da estação ou de um tanque de armazenamento que faz parte do sistema. O lodo tipicamente tem uma temperatura inicial de cerca de 30°C e um teor de matéria seca de cerca de 30%. Após o aquecimento inicial opcional (não mostrado), por exemplo, por uma corrente de líquido do mesmo processo/sistema, o lodo é pré-aquecido em um mecanismo de pré-aquecimento 101. O pré-aquecimento é preferencialmente realizado por meio de adições graduais de vapor, por exemplo, em um primeiro 102, um segundo 103 e um terceiro 104 misturador de vapor dispostos em série. A jusante de cada misturador de vapor 102, 103, 104, uma bomba 102p, 103p, 104p é disposta. Após o mecanismo de pré-aquecimento 101, é obtido um lodo pré-aquecido tendo uma temperatura de cerca de 175°C.

[037] O gás oxigênio é adicionado ao lodo pré-aquecido em um misturador de gás oxigênio 105 para alcançar uma oxidação úmida parcial do lodo pré- aquecido. O misturador de gás oxigênio é conectado a um tanque de oxigênio (não mostrado). A quantidade de gás oxigênio pode ser de cerca de 130 kg por tonelada de lodo seco processado no sistema. A oxidação úmida não é instantânea. Portanto, um reator 112 para oxidação úmida é disposto a jusante do misturador de gás oxigênio 105. O tempo de retenção do lodo no reator 112 pode ser de cerca de 30 min, o que é considerado suficiente para as reações de oxidação úmida.

[038] A temperatura do lodo oxidado via úmida do reator 112 para oxidação úmida é tipicamente de 200 a 215°C. Este lodo oxidado via úmida é encaminhado para um reator 106 para carbonização hidrotérmica (HTC) do lodo. A temperatura pode variar levemente entre diferentes posições no reator de HTC 106 devido a reações exotérmicas (por exemplo, as reações de HTC e possivelmente oxidações por oxigênio remanescente) e perdas de calor. O tempo de retenção do lodo no reator de HTC 106 pode ser cerca de 1,5 h, isto é, cerca de três vezes maior que o tempo de retenção no reator 112 para oxidação úmida. Consequentemente, o volume do reator HTC pode ser três vezes maior que o volume do reator 106 para oxidação úmida.

[039] O lodo tratado por HTC do reator 106 é submetido à evaporação parcial em um mecanismo de evaporação parcial 107, que produz pelo menos uma fração de vapor que é usada para pré-aquecer o lodo no mecanismo de pré- aquecimento 101. Preferencialmente, o mecanismo de evaporação parcial 107 compreende vários vasos de evaporação parcial dispostos em série para produzir frações de vapor de diferentes temperaturas. Por exemplo, o mecanismo de evaporação parcial 107 pode compreender: um primeiro vaso de evaporação parcial 108 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente alta que é encaminhada para o terceiro misturador de vapor 104 do mecanismo de pré-aquecimento 101; um segundo vaso de evaporação parcial 109 que produz uma fração de vapor de temperatura média que é encaminhada para o segundo misturador de vapor 103 do mecanismo de pré-aquecimento 101; e um terceiro vaso de evaporação parcial 110 que produz uma fração de vapor de temperatura relativamente baixa que é encaminhada para o primeiro misturador de vapor 102 do mecanismo de pré-aquecimento 101.

[040] A lama resfriada obtida a jusante do mecanismo de evaporação parcial 107 é desidratada (não mostrada), de modo que pelo menos uma corrente de líquido (que pode ser usada para aquecimento inicial e/ou diluição do lodo recebido) e uma fração espessa compreendendo um carvão por HTC sejam obtidas.

[041] O sistema 100 pode compreender um aquecedor 111 usando calor externo, tal como um aquecedor elétrico, para iniciar o processo a frio. O aquecedor 111 é preferencialmente disposto a jusante do misturador de gás oxigênio, mas a montante do reator 106.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de carbonização hidrotérmica de um lodo, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) pré-aquecer o lodo para obter um lodo pré-aquecido; b) adicionar um agente oxidante, tal como gás oxigênio, ao lodo pré-aquecido; e c) submeter o lodo da etapa b) à carbonização hidrotérmica (HTC) em um reator para obter um lodo tratado por HTC.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa: d) submeter o lodo tratado por HTC da etapa c) à evaporação parcial para obter pelo menos uma fração de vapor e uma fração resfriada, em que a pelo menos uma fração de vapor é usada no pré-aquecimento da etapa a).

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o lodo passa através de um reator para oxidação úmida entre a etapa b) e etapa c).

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o volume do reator para oxidação úmida é menor que o volume do reator da etapa c).

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o volume do reator para oxidação úmida é 10 a 50% do volume do reator da etapa c).

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o volume do reator para oxidação úmida é 20 a 40% do volume do reator da etapa c).

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o lodo é um lodo municipal ou industrial de uma estação de tratamento de águas residuais.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura do lodo tratado por HTC na etapa c) é 180 a 250°C, preferencialmente 180 a 230°C e mais preferencialmente de 190 a 225°C.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a temperatura do lodo tratado por HTC na etapa c) é pelo menos 20°C mais alta, preferencialmente pelo menos 30°C mais alta, que a temperatura do lodo pré-aquecido ao qual o agente oxidante é adicionado na etapa b).

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a temperatura do lodo pré-aquecido ao qual o agente oxidante é adicionado na etapa b) é 145 a 195°C, tal como 150 a 190°C, preferencialmente 165 a 190°C.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o tempo médio de retenção no reator da etapa c) é 0,25 a 8h, preferencialmente 0,5 a 2h.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a quantidade de agente oxidante adicionado na etapa b) é tal que as reações de oxidação úmida reduzem o maior valor de aquecimento (HHV) do lodo em 5 a 49%, preferencialmente 5 a 20%, mais preferencialmente 6 a 15%.