WO2021184088A1 - Sistema modular de tratamento de lodo sanitário e processo empregando o dito sistema - Google Patents
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- WO2021184088A1 WO2021184088A1 PCT/BR2020/050268 BR2020050268W WO2021184088A1 WO 2021184088 A1 WO2021184088 A1 WO 2021184088A1 BR 2020050268 W BR2020050268 W BR 2020050268W WO 2021184088 A1 WO2021184088 A1 WO 2021184088A1
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- C02F2303/00—Specific treatment goals
- C02F2303/06—Sludge reduction, e.g. by lysis
Definitions
- the present invention relates to a modular system aimed at the treatment of sanitary sludge using a step of thermal drying, combustion and plasma inertization by transferred arc.
- This system was designed to alleviate the final disposal of sludge in landfills, through heat treatment and inertization of the sludge through plasma with the encapsulation of the polluting material in a glassy silica matrix, generating material inert to the environment and for potential applications in the ceramic industry.
- sanitary sludge In general, the processing of sanitary sludge is one of the biggest challenges for the implementation of a consistent urban solid waste policy.
- This material consists of a complex matrix containing minerals, colloid materials and decaying organic materials.
- the destination of sanitary sludge depends on the processing technology, characteristic of the material (organic and inorganic) in addition to the physical space available for the facilities, and should provide for the reduction of the high volume generated and stabilization of the organic matter content.
- the by-products from sewage treatment systems comprise grated material, sand and sludge (primary and secondary) .
- the disposal of the latter depends on its solids content, being usually relocated to landfills in conjunction with urban solid waste or in landfills built exclusively for this purpose.
- the thermal plasma comprises a physical state containing fully ionized gases in thermodynamic equilibrium and obtained through high electrical energy conditions. Its main advantage lies in the high concentration of thermal energy.
- the high temperature provided by the plasma arc technology (up to 15,000°C) breaks the chemical bonds of the inorganic compounds, which combine into inert, non-leachable elemental by-products. This fact, added to the almost absence of generation of incomplete combustion products, justify the desire for improvements in this process that will allow it to reduce its energy demand and operational complexity, as will be discussed further ahead.
- the drying device of these documents it appears to function as a sorting chamber for waste from the water or sewage treatment plant, being necessary to proceed with the plasma gasification step.
- a point of attention in this case is the excessive volume of water/steam required to reduce the moisture content of the sludge.
- document KR100695457 employs a pre-heating step in containers to reduce the moisture content of tailings from the oil industry.
- the apparatus requires a metal mesh transfer belt installed to continuously impregnate the sludge with residual oil heated in the heating tank.
- This proposal is not designed for sludge treatment; due to the rheology and physical nature of this material, such a solution could not be used for this purpose, considering the challenges in transport and volume to be treated.
- the document CN108314337 also discloses a sludge processing method employing a pre-treatment step under acidic conditions to obtain raw materials for the manufacture of cement. Such proposal runs up against logistical obstacles related to the material's acidification conditions.
- Patent CN10884054 describes a method of industrial sludge recycling comprising the steps of sludge screening and mixing, sludge transport, hydrothermal reaction, filtering and dehydrating the pressure of the plate structure, sludge drying, pyrolysis, plasma gasification and waste gas treatment.
- the document CN204185352 discloses a sludge vitrification equipment employing thermal plasma, comprising a plasma burner associated with a vitrification furnace together with two plasma torches and collection systems. The absence of a description of the final product disposal systems makes this project unsuitable for treating large volumes of waste.
- W02011007231 reveals a continuous process for treatment thermal of a refinery sludge, comprising the operations of drying the sludge mixed with coke, at a temperature of 110 to 120°C; gasification of the dry sludge, at a temperature ranging from 750 to 950 ° C, for a time of 30 to 60 minutes, in the presence of gas containing oxygen and water vapor, with the associated production of synthesis gas (CO + H2) and a solid residue; combustion of the synthesis gas at a temperature ranging from 850 to 1,200 °C and recycling the combustion products to the drying and gasification phases; and inertization of the solid residue, at a temperature ranging from 1,300 to 1,500 °C, by vitrification with a plasma torch.
- Figure 1 represents a flowchart of the steps of the process claimed herein.
- Figure 2 illustrates a flowchart of the elements of the system and its modular components.
- sanitary sludge or "sludge” will be used interchangeably. It is understood as “sanitary sludge” the residues from the treatment of domestic and industrial effluents comprising a mixture of minerals, colloids and organic materials.
- Figure 1 describes the steps of the process, which will be performed by the system represented in Figure 2.
- said system is composed of modules in which the steps of drying, decarbonization and plasma treatment will be performed, considering an operation of 15 tons/day of wet sludge.
- the system now claimed consists of modules in which each of the steps a, b and c mentioned above will be performed.
- the system has flexibility to adapt to both batch and continuous processes, with the individual operation of each step independent of the previous or subsequent step of the process. This flexibility is achieved through buffers installed between the elements of the system, facilitating the introduction of maintenance operations and adaptation for operation in large volumes.
- the drying module (A) comprises the intake structure (14), transfer pump (3), reservoir (1), dosing unit by pumping (2) and dryer (4), schematically in Figure 2.
- the drying step takes place in module (A) and starts from the collection of wet sludge, ranging from 75 to 77% moisture, coming from Sewage Treatment Stations and received in a collection structure (14).
- the collection structure consists of a container with a volume suitable for receiving the waste, such as a bucket. Said residue is conducted by a transfer pump (3) towards the reservoir (1).
- the reservoir (1) consists of a silo, preferably of stainless material, comprising at least one inlet for reception of the sludge and at least one output that communicates with at least one dosing unit by pumping (2).
- the dosing unit (2) forwards the sludge previously packed in the reservoir (1) towards the dryer (4).
- the dryer (4) consists of a drum equipped with scraper blades and walls heated with steam generated through the boiler (10).
- the boiler (10) is powered by biogas, of 400 kgv/h and working pressure of
- the dryer (4) aims to remove moisture from the sludge at a temperature between 100 and 120°C.
- the dryer (4) reduces the relative humidity of the sludge in the range of 75 to 77%, to a range of 10 to 30%.
- buffers are installed between the dryer (4) and the screw conveyor (5), and between the screw conveyor (7) and the blanketing unit (9).
- the residues are sent to the decarbonization module (B).
- This module comprises conveyor threads (5) and (7), the decarbonization furnace
- the sludge after undergoing the drying step in (4), is conducted by means of the conveyor screw (5) to the decarbonization furnace (6).
- the conveyor screws consist of conveyor equipment provided with means helicoids capable of resisting corrosion and abrasion.
- the decarbonization furnace (6) comprises a drum of stainless material, coated with layers of insulating and refractory materials.
- the dry sludge from 10% to 15% moisture is fed to a rotary decarbonization furnace (6) covered with a layer of insulating brick and another layer of refractory brick, to a flow rate from 173 kg/ha to 184 kg/ha at an approximate temperature of 600 to 700°C.
- the decarbonized material obtained is led to the plasma treatment module (C), comprising the blanketing unit (9).
- the sludge coming from the decarbonization furnace (6) is conveyed by means of conveyor screws (7) to the blanketing unit (9) at a flow rate of 50 kg/h to 130 kg/h.
- the blanketing unit (9) consists of a thermal plasma furnace, in which the sludge is heated through arc plasma transferred between the anode and cathode of graphite, at an approximate temperature of 1300°C to 1400°C.
- vitreous material generated after treatment in module (C) is collected and transported by means of buckets at a flow rate of 66 Kg/h to 70 Kg/h or other collecting containers.
- biogas from sewage sludge biodigesters is pumped into the furnace (9) with 1 bar of pressure and in quantity enough to create an oxygen-free environment to decrease the consumption of graphite electrodes.
- the plasma arc is generated through 3 to 4 inch graphite electrodes and a 200 kW transistor source that transforms
- the oven In a preferred embodiment, the oven
- (9) is composed of a metallic structure internally coated with ceramic fiber plates, insulating bricks with AI 2 O 3 and SiO 2 in its composition and sintered magnesium refractory bricks with a purity level above 97.5% of
- the roof of the oven has an arched profile and its threshold has a slight slope.
- the control of the system requires rectifiers for the conversion of electrical energy into Alternating Current for Direct Current and providing the maintenance of stability and control of the plasma.
- the rectification circuit for resistors with output current above 1000A is composed of thyristors (multilayer semiconductor devices, structured with at least 4 semiconductor layers in a PNPN sequence) in antiparallel in the transformer primary and rectifier diodes in the secondary.
- Rectifiers with output current up to 1000A are composed of a fully controlled rectifier bridge and for currents above 1000A, only the rectification circuit has been changed.
- the AC / DC Rectifier was developed for the The process operates in uninterrupted mode, with the isolated rectification unit, fully controlled in 24 pulses in constant current regulation mode.
- HMI human machine interface
- AC / DC rectifiers, 24 pulses, fully controlled using an SCR silicon controlled rectifier
- SCR silicon controlled rectifier
- the high temperatures required by the process (above 1,600 °C) therefore require refractory materials that meet such specifications, both in the sill side walls, vault and in the entrances to the cathode and anode on the sides of the furnace (9) .
- the refractories close to the electrodes must not conduct electrical energy and must withstand temperatures of up to 1,750 °C.
- the system also has a fourth module
- (D) post-firing comprising the post-firing furnace (8), the cooling tower (11), sleeve filter (12) and exhaust
- the gases generated throughout the process are captured and treated to the gas treatment system, which comprises the admission of gases captured throughout the process.
- the gases from the dryer (4), the decarbonizing furnace (6) and the plasma furnace (9) are routed to an after-burning chamber in stainless steel lined with refractory brick operating in a temperature range of 700° ⁇ at 900°C under a gas flow of the order of 2,400 kg/h and a post-burn oven (8).
- the resulting material is directed to the cooling tower (11) operating in a range of 950°C to 150°C with a gas flow ranging from 2400kg/h to 3800kg/h and by means of an air/water spraying lance working at a flow rate of 865 kg/h, the residues are purified by bag filters (12) and released to the atmosphere by exhausters (13) at a rate of 3800 kg/h.
- the resulting material comprising 15% moisture is conducted by means of conveyor screws (5) to the decarbonization furnace (6) and subjected to a temperature of 700°C. Afterwards, it is transported to unit (9), where it will be heated via plasma arc at a temperature of 1400/°C.
- the vitreous material generated by the rapid cooling of the molten waste is then collected and stored.
- the characterization of the vitreous material obtained according to examples 1 and 2 is presented below, performed in accordance with the ABNT standard
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Abstract
A presente invenção relaciona-se a um sistema modular visando o tratamento de resíduos de lodo sanitário empregando uma etapa de secagem térmica, combustão e inertização a plasma por arco transferido. O presente sistema foi concebido para aliviar a destinação final de lodo nos aterros sanitários, por meio do tratamento térmico e da fusão por meio do plasma deste resíduo e o encapsulamento do material poluente em uma matriz vítrea de sílica, gerando material inerte ao meio ambiente e para potenciais aplicações na indústria cerâmica.
Description
SISTEMA MODULAR DE TRATAMENTO DE LODO SANITÁRIO E
PROCESSO EMPREGANDO O DITO SISTEMA
Campo da invenção
[001] A presente invenção relaciona-se a um sistema modular visando o tratamento de lodo sanitário empregando uma etapa de secagem térmica, combustão e inertização a plasma por arco transferido. O presente sistema foi concebido para aliviar a destinação final de lodo nos aterros sanitários, por meio do tratamento térmico e da inertização do lodo por meio do plasma com o encapsulamento do material poluente em uma matriz vítrea de sílica, gerando material inerte ao meio ambiente e para potenciais aplicações na indústria cerâmica.
Fundamentos da invenção
[002] De modo geral, o processamento de lodo sanitário consiste em dos maiores desafios para a implementação de uma política consistente de resíduos sólidos urbanos. Este material consiste em uma matriz complexa contendo minerais, materiais coloides e materiais orgânicos em decomposição.
[003] Usualmente a destinação do lodo sanitário depende da tecnologia de processamento, característica do material (orgânico e inorgânico) além do espaço físico disponível para as instalações, devendo proporcionar a redução do elevado volume gerado e estabilização do teor de matéria orgânica. De forma geral, os subprodutos provenientes de sistemas de tratamento de esgotos compreendem material gradeado, areia e lodo (primário e
secundário) . A disposição deste último depende de seu teor de sólidos, sendo usualmente remanejados para aterros em disposição conjunta com resíduos sólidos urbanos ou em aterros construídos exclusivamente para tal finalidade.
[004] Tal proposta apresenta uma série de desafios ambientais e económicos. Estima-se que a produção de lodo sanitário no Brasil corresponda a 150 a 220 mil toneladas/ano em base seca. Além dos riscos relacionados a poluição das águas subterrâneas, lixiviação, emissão de metano e contaminação dos solos, o gerenciamento de lodo doméstico em
Estações de Tratamento de Esgoto apresenta um cuato de 20 a
60% do total gasto com o funcionamento da operação. A logística envolvendo transporte do material, implantação de rotinas de controle, assim como o comprometimento da área utilizada também são obstáculos para o pleno atendimento de normas regulatórias nacionais e internacionais -como a
Diretiva Europeia para Resíduos, e no Brasil, a Lei Federal n° 12.305, que instituiu a Política Nacional de Resíduos
Sólidos (PNRS).
[005] Algumas soluções desenhadas para o reaproveitamento deste resíduo envolvem a recuperação da matéria orgânica como fertilizantes (cujo uso é relativamente restrito devido a presença de metais pesados e organismos patógenos) aproveitamento energético (um dos principais produtos de decomposição térmica de resíduos e lodo consiste em biogás inflamável que pode ser usado para geração de calor e energia) e insumos para a indústria cerâmica a partir do processo de inertização por plasma.
[006] Dentro deste contexto, técnicas de plasma térmico vem emergindo como uma alternativa relevante para o processamento de lodo sanitário.
[007] 0 plasma térmico compreende um estado físico contendo gases totalmente ionizados em equilíbrio termodinâmico e obtido por meio de elevadas condições de energia elétrica. Sua principal vantagem reside na alta concentração de energia térmica. A elevada temperatura proporcionada pela tecnologia a arco de plasma (até 15.000°C) rompe as ligações químicas dos compostos inorgânicos e que se combinam em subprodutos elementares inertes não lixiviáveis. Tal fato, somado a quase ausência de geração de produtos de combustão incompleta, justificam o desejo por aperfeiçoamentos neste processo que permitam reduzir sua demanda energética e complexidade operacional, conforme será discutido mais adiante.
Descrição do Estado da técnica
[008] De modo geral, aperfeiçoamentos introduzidos na tecnologia de plasma para disposição de resíduos vem recrudescendo nos últimos anos. Algumas propostas, como a relatada nas patentes CN106477848 e CN106630527 descrevem sistemas compreendendo um dispositivo de secagem dotado de uma fornalha rotativa, uma câmara de reação de gaseificação por plasma e um dispositivo de purificação. Em ambos os documentos, o dispositivo de secagem é fornecido com uma entrada de lodo, uma saída de lodo seco, , uma entrada de água quente e uma saída de água de resfriamento.
[009] O dispositivo de secagem destes documentos
aparenta funcionar como uma câmara de triagem do resíduo proveniente da estação de tratamento de água ou esgoto, sendo necessária para prosseguir a etapa de gaseificação por plasma. Um ponto de atenção neste caso é o excessivo volume de água/vapor exigido para reduzir o teor de umidade do lodo.
Tal fato resulta em um consumo energético não desprezível, o que inviabiliza o tratamento de grandes volumes de rejeitos.
[0010] De modo similar, o documento KR100695457 emprega uma etapa de pré-aquecimento em contêineres para redução do teor de umidade de rejeitos provenientes de indústria petrolífera. 0 aparato exige uma correia de transferência de malha de metal instalada para impregnar continuamente o lodo com óleo residual aquecido no tanque de aquecimento. Esta proposta não é concebida para tratamento de lodo; em virtude da reologia e a natureza física deste material, tal solução não poderia ser empregada para tal finalidade, considerando os desafios no transporte e volume a ser tratado.
[0011] O documento CN108314337 também revela um método de processamento de lodo empregando uma etapa de pré- tratamento sob condições ácidas para obtenção de matérias- primas para a fabricação de cimento. Tal proposta esbarra em obstáculos logísticos relacionados às condições de acidificação do material.
[0012] Outros projetos como aqueles descritos nas patentes CN108191194 e CN108147639 relatam métodos de tratamento com plasma de lodo compreendendo etapas de
tratamento do lodo em forno de fundição a plasma para geração de gás sintético e um resíduo do lodo, conversão de água para vapor de alta temperatura pelo gás sintético através de um trocador de calor e adição de matéria-prima contendo carbono no resíduo de lodo para formar uma pasta de mistura e subsequentemente carbonização do material resultante e reaproveitamento do mesmo. Em ambos os documentos, os processos compreendem tratamento de lodo já descarbonizado em um forno a plasma e não permitem a obtenção de resíduos vítreos.
[0013] A patente CN108840544, por sua vez, descreve um método de reciclagem industrial de lodo compreendendo as etapas de triagem e mistura de lodo, transporte de lodo, reação hidrotérmica, filtragem e desidratação da pressão da estrutura da placa, secagem de lodo, pirólise, gaseificação por plasma e tratamento de gases residuais.
[0014] Outros projetos relacionados compreendem o desenvolvimento de equipamentos compactos, conforme aqueles descritos nos documentos W02011007231 e CN204185352.
[0015] 0 documento CN204185352 revela um equipamento de vitrificação de lodo empregando plasma térmico, compreendendo um queimador de plasma associado a um forno de vitrificação em conjunto com duas tochas de plasma e sistemas de coleta. A ausência de uma descrição dos sistemas de escoamento do produto final torna este projeto pouco adequado para tratamento de grandes volumes de resíduos.
[0016] Por sua vez, a publicação internacional
W02011007231 revela um processo contínuo para o tratamento
térmico de um lodo de refinaria, compreendendo as operações de secagem do lodo misturado com coque, a uma temperatura de 110 a 120°C; gaseificação do lodo seco, a uma temperatura variando de 750 a 950 ° C, por um tempo de 30 a 60 minutos, na presença de gás contendo oxigénio e vapor de água, com a produção associada de gás de síntese (CO + H2) e um resíduo sólido; combustão do gás de síntese a uma temperatura variando de 850 a 1.200 ° C e reciclagem dos produtos de combustão para as fases de secagem e gaseificação; e inertização do resíduo sólido, a uma temperatura variando de 1.300 a 1.500 °C, por vitrificação com tocha de plasma.
[0017] Uma das principais desvantagens do equipamento descrito é o fato deste operar em condições fechadas, empregando um sistema de bombeamento de argônio, além de exigir também etapas adicionais de pré-tratamento do material. Esta construção aumenta o tempo de ciclo e limita as operações para regime contínuo apenas, impossibilitando regime de batelada. Observa-se que as condições de vazão do material são extremamente limitadas (50-56kg/hora), o que praticamente inviabiliza a implementação em sistemas geradores de maior volume de resíduos como Estações de
Tratamento de Esgoto.
[0018] Uma proposta alternativa é relatada no documento BR 10 2018 009888 8 que descreve um processo de tratamento de lodo sanitário compreendendo a inertização do material por meio de ciclones e fornos rotativos. Os gases provenientes das etapas são direcionadas a um sistema de tratamento de gases compreendendo a retenção do material
particulado por meio da aplicação de elevados volumes de água e condução a um mecanismo de pós-queima. Uma desvantagem considerável vem a ser justamente a geração de resíduos retidos em meio aquoso. Tal documento não descreve ou sugere quaisquer formas de dispor do material resultante, tornando uma solução incompleta do ponto de vista ambiental. De modo similar, a proposta de Facó (Facó, J. L. D. Otimização de um
Sistema de Plasma Térmico para Destruição de Resíduos
Industriais Tóxicos, XXXVI SBPQ, 23/11/2004) apresenta as mesmas restrições quanto a sua implantação.
[0019] Diante do Estado da Técnica, observa-se que não existe nenhuma proposta que permita efetuar o tratamento de lodo sanitário que ofereça flexibilidade em relação ao tipo de processo (contínuo ou batelada), apresente facilidade na introdução de operações de manutenção e opere a uma vazão em larga escala condizente com o volume proveniente de Estações de Tratamento de Efluentes, sem impactar ou gerar resíduos adicionais.
Objetivo da Invenção
[0020] A partir da descrição do Estado da Técnica, nota-se que nenhuma tecnologia citada permite operacionalizar a disposição de grandes volumes de lodo sanitário de forma eficaz, em regime contínuo ou em batelada, sem exigir etapas prévias de pré-tratamento com aditivos.
Breve Descrição das Figuras
[0021] Deve ser ressaltado que as dimensões e posições relativas dos elementos não estão necessariamente em escala.
[0022] A Figura 1 representa um fluxograma das etapas do processo ora reivindicado.
[0023] A Figura 2 ilustra um fluxograma dos elementos do do sistema e seus componentes modulares.
Descrição detalhada da invenção
[0024] Para fins de referência, o termo "resíduo" e
"lodo sanitário" ou "lodo" serão empregados de maneira intercambiável . Entende-se como "lodo sanitário" os resíduos provenientes do tratamento de efluentes domésticos e industriais compreendendo uma mistura de minerais, coloides e materiais orgânicos.
[0025] Conforme será observado adiante, a Figura 1 descreve as etapas do processo, nos quais serão executadas pelo sistema representado na Figura 2.
[0026] De acordo com as Figuras 1 e 2, o dito sistema compõe-se por módulos nos quais serão executadas as etapas de secagem, descarbonização e tratamento por plasma, considerando uma operação de 15 toneladas/dia de lodo úmido.
Considerando a Figura 1, é efetuada uma breve descrição das etapas envolvidas no processo ora reivindicado a) Secagem: etapa na qual o lodo compreendendo cerca de
75 a 77%, de umidade é levado a um secador térmico de película que utiliza vapor saturado; b) Descarbonização: etapa na qual ocorre a transformação da matéria orgânica do lodo seco do estado sólido para o estado gasoso (gaseificação) com a eliminação da umidade e patógenos restando somente material inorgânica.
c) Tratamento por Plasma: o lodo vindo da descarbonização é aquecido até o ponto de fusão desse material por meio de plasma por arco transferido.
[0027] Considerando a Figura 2, o sistema ora reivindicado consiste em módulos nos quais serão realizados cada uma das etapas a, b e c citadas anteriormente. De acordo com a proposta da presente invenção, o sistema detém flexibilidade para adaptação tanto para processos de batelada ou continuo, com a operação de forma individual de cada etapa independente da etapa anterior ou posterior do processo. Essa flexibilidade é alcançada através de buffers instalados entre os elementos do sistema, facilitando a introdução de operações de manutenção e adequação para operação em grandes volumes.
[0028] Em uma concretização preferencial, o módulo de secagem (A) compreende a estrutura de captação (14), bomba de transferência (3), reservatório (1), unidade dosadora por bombeamento (2) e secador (4), esquematizados na Figura 2.
A etapa de secagem ocorre no módulo (A) e se inicia a partir da captação do lodo úmido, variando entre 75 a 77% de umidade, proveniente de Estações de Tratamento de Esgoto e recebido em uma estrutura de captação (14). A estrutura de captação consiste em um recipiente de volume adequado para a recepção do resíduo, como uma caçamba. Dito resíduo é conduzido por uma bomba de transferência (3) em direção ao reservatório (1). Em uma concretização possível, o reservatório (1) consiste em um silo, preferencialmente de material inoxidável, compreendendo ao menos uma entrada para
recepção do lodo e ao menos uma saída que se comunica a pelo menos uma unidade dosadora por bombeamento (2).
[0029] A unidade dosadora (2) encaminha o lodo previamente acondicionado no reservatório (1) em direção ao secador (4).
[0030] Preferencialmente, o secador (4) consiste em um tambor dotado de pás raspadoras e paredes aquecidas com vapor gerado através da caldeira (10). A caldeira (10) é alimentada por biogás, de 400 kgv/h e pressão de trabalho de
8kgf/cm2, e em conjunto com o secador (4) visa remover a umidade do lodo sobuma temperatura entre 100 e 120°C. Em particular, o secador (4) reduz a umidade relativa do lodo na faixa de 75 a 77%, a uma faixa de 10 a 30%. Em uma concretização preferencial, buffers são instalados entre o secador (4) e a rosca transportadora (5), e entre a rosca transportadora (7) e a unidade de inertização (9).
[0031] Após a secagem, os resíduos são encaminhados ao módulo de descarbonização (B). Este módulo compreende roscas transportadoras (5) e (7), o forno de descarbonização
(6), sendo concebido para a realização da etapa de remoção de umidade restante, volatilização de matéria orgânica e organismos patógenos ainda presentes no lodo.
[0032] Especificamente, o lodo, após submetido a etapa de secagem em (4), é conduzido por meio da rosca transportadora (5) ao forno de descarbonização (6).As roscas transportadoras consistem em equipamentos de transporte por correia dotados de meios helicoides capazes de resistir a corrosão e abrasão.
[0033] Em uma concretização preferencial, o forno de descarbonização (6) compreende um tambor de material inoxidável, revestido por camadas de materiais isolante e refratário .
[0034] Em uma condição mais preferencial da etapa de descarbonização, o lodo seco de 10 % a 15% de umidade é alimentado a um forno de descarbonização (6) rotativo revestido com camada de tijolo isolante e outra camada de tijolo refratário, a uma vazão de 173 kg/h a 184 kg/h a uma temperatura aproximada de 600 a 700°C.
[0035] Após, o material descarbonizado obtido é conduzido ao módulo (C) de tratamento por plasma, compreendendo a unidade de inertização (9). O lodo proveniente do forno de descarbonização (6) é conduzido por meio de roscas transportadoras (7) até a unidade de inertização (9) a uma vazão de 50 Kg/h a 130 Kg/h.
[0036] Em uma concretização preferencial de 70 kg/h a 110 kg/h, a unidade de inertização (9) consiste em um forno de plasma térmico, em que o lodo é aquecido através de plasma por arco transferido entre o anodo e o cátodo de grafite, a uma temperatura aproximada de 1300°C a 1400°C.
[0037] Finalmente, o material vítreo gerado após tratamento no módulo (C) é coletado e transportado por meio de caçambas a uma vazão de 66 Kg/h a 70 Kg/h ou outros recipientes coletores.
[0038] Durante a fusão do lodo é bombeado biogás proveniente de biodigestores de lodo de esgotos para o interior do forno (9) com 1 bar de pressão e em quantidade
suficiente para criar um ambiente livre de oxigénio para diminuir o consumo de eletrodos de grafite.
[0039] Em uma concretização preferencial, o arco de plasma é gerado através de eletrodos de grafite de 3 a 4 polegadas e fonte transistorizada de 200 kW que transforma
440V ac em corrente continua controlada.
[0040] Em uma concretização preferencial, o forno
(9) é composto de uma estrutura metálica revestido internamente por placas de fibra cerâmica, tijolos isolantes com AI2O3 e SiO2 na sua composição e tijolos refratários de magnésio sinterizado com grau de pureza acima de 97,5% de
MgO. O teto do forno apresenta perfil em arco e sua soleira possui uma leve inclinação.
[0041] O controle do sistema, exige retificadores para a conversão de energia elétrica em Corrente Alternada para Corrente Continua e proporcionando a manutenção da estabilidade e controle do plasma.
[0042] Particularmente, o circuito de retificação para os resistores com corrente de saída acima de 1.000A é composto por tiristores (dispositivos semicondutores multicamadas, estruturado com no mínimo 4 camadas semicondutoras numa sequência P-N-P-N) em antiparalelo no primário do transformador e díodos retificadores no secundário. Retificadores com corrente de saída até 1.000A são compostos por uma ponte retificadora totalmente controlada e para correntes acima de 1.000A, apenas o circuito de retificação foi alterado.
[0043] O Retificador CA / CC foi desenvolvido para o
processo operar em regime ininterrupto, com a unidade de retificação isolada, totalmente controlada em 24 pulsos no modo de regulação por corrente elétrica constante.
[0044] O controle, sincronismo e disparo da unidade retificadora é realizado de forma micro processada, sendo que a sua supervisão, parametrização e armazenamento de dados das condições de operação são realizadas através de um CLP
(controlador lógico programável) e IHM (interface homem máquina).
[0045] Obter o controle de um arco elétrico em eletrodos de grafite a partir de uma tensão em C.C. para se obter uma quantidade elevada de calor exigiu diversas experimentos . A condição de contorno adotada exige um nível de tensão com o menor ripple (controle de carga) possível.
[0046] Em uma concretização preferencial do sistema são empregados retificadores CA / CC, 24 pulsos, totalmente controlados utilizando um SCR (retificador controlado de silício), que de forma indireta contribui para baixas distorções harmónicas na rede de alimentação em C.A ., tanto de corrente como de tensão.
[0047] Operando em regime de corrente contínua é possível criar um arco elétrico com a corrente desejada parametrizada previamente. Com o afastamento do eletrodo positivo de grafite (anodo) é gerada uma DDP (diferença de potencial ou tensão) em relação ao eletrodo de grafite negativo (cátodo) se obtendo o plasma por arco transferido.
[0048] O afastamento constante e gradual do anodo, mantém a corrente elétrica constante, porém a tensão cresce
gradualmente e por consequência a potência dissipada em Watts também cresce, na relação tensão em Volts multiplicada pela corrente em Amperes.
[0049] Cumpre observar a importância da manutenção do arco elétrico em ambientes apropriados - especificamente o forno de fusão, fabricado com refratários para altas temperaturas, adequadamente aterrado, além do anodo e cátodo em comprimentos e diâmetros adequados. Tais fatores permitem a obtenção de elevada eficiência térmica geral e estabilidade do arco voltaico.
[0050] As elevadas temperaturas exigidas pelo processo (acima de 1.600 °C) exigem por consequência, materiais refratários que atendam tais especificações, tanto na soleira paredes laterais, abóbada como nas entradas para o cátodo e o anodo nas laterais do forno (9). Em uma concretização preferencial, os refratários próximos aos eletrodos não devem conduzir energia elétrica e precisam suportar temperaturas de até 1.750 °C.
[0051] O sistema apresenta ainda um quarto módulo
(D) de pós-queima, compreendendo o forno de pós queima (8), a torre de resfriamento (11), fltro de manga (12) e exaustor
(13). Os gases gerados ao longo do processo são captados e careados para o sistema de tratamentos dos gases, composto pela admissão dos gases captados ao longo do processo. Em particular, os gases provenientes do secador (4), do forno descarbonizador (6) e do forno de plasma (9) são encaminhados a uma câmara de pós-queima em aço inoxidável revestido de tijolo refratário operando numa faixa de temperatura de 700°C
a 900°C sob vazão de gás da ordem de 2.400kg/h e um forno pós queima (8). O material resultante é direcionado a torre de resfriamento (11) operando numa faixa de 950°C a 150°C com uma vazão de gás variando de 2400kg/h a 3800kg/h e por meio de uma lança pulverizadora de ar/água trabalhando com uma vazão de 865 kg/h, os resíduos são purificados por filtros de manga de (12) e liberados para a atmosfera por exaustores (13) a uma taxa de 3800kg/h.
[0052] A seguir serão elencadas algumas condições preferenciais de funcionamento do sistema ora pleiteado.
Deve ser entendido que tais Exemplos não são limitativos e meramente exemplificam formas ilustrativas da presente invenção.
Exemplo 1
[0053] O lodo proveniente das Estações de Tratamento e acumulado no reservatório (1) é introduzido no secador (4) sob as seguintes condições:
Tabela 1. Condições de introdução de lodo no secador
[0054] O lodo resultante compreendendo 15% de umidade é conduzido por meio de roscas transportadoras (5) até o forno de descarbonização (6) e submetido a uma temperatura de 600°C. Após, este material é conduzido a unidade (9), sob aquecimento via arco plasmático a temperatura de 1300/°C. O material vítreo resultante é então coletado e armazenado.
Exemplo 2
[0055] O lodo proveniente das Estações de Tratamento e acumulado no reservatório (1) é introduzido no secador (4) sob as seguintes condições:
Tabela 2. Condições de introdução de lodo no secador
[0056] Em seguida, o material resultante compreendendo 15% de umidade é conduzido por meio de roscas transportadoras (5) até o forno de descarbonização (6) e submetido a uma temperatura de 700°C. Após, este é transportado para a unidade (9), na qual será aquecida via arco plasmático a uma temperatura de 1400/°C. O material vítreo gerado através do resfriamento rápido do resíduo fundido é então coletado e armazenado. A caracterização do material vítreo obtido conforme os exemplos 1 e 2 é apresentado a seguir, executado de acordo com a norma ABNT
NBR 100005/2004 para extratos lixiviados, compreendendo a análise de uma amostra de 1,0 litro, preparada em condições de pH 4,94, sob 18 horas de lixiviação (LQ = Limite de quantificação) .
Tabela 3. Caracterização do material vítreo obtido conforme os exemplos 1 e 2
[0057] Para o ensaio do extrato solubilizado em pH
9,17, obteve-se os seguintes resultados:
Tabela 4 . Resultados dos ensaios de extrato solubilizado em pH 9 e 17
[0058] Com base nos resultados das análises físico- químicas efetuadas, observa-se que para os parâmetros pesquisados, os valores de concentração de poluentes são inferiores aos limites estabelecidos pela norma, NBR 10.004:
2004, permitindo a classificação dos resíduos como Classe II
B inertes .
[0059] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a
invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.
Claims
Reivindicações
1. Sistema modular de tratamento de lodo sanitário empregando plasma, caracterizado pelo fato de compreender a) módulo de secagem (A), compreendendo uma estrutura de captação (14), comunicante a uma bomba de transferência
(3) e montada em um reservatório (1), dito reservatório (1) comunicando-se por meio de uma bomba dosadora (2) ao secador
(4); b) módulo de descarbonização (B), compreendendo roscas transportadoras (5) e (6), conectando respectivamente o secador (4) ao forno de descarbonização (6) e o forno de descarbonização (6) à unidade inertizadora (9); c) módulo de tratamento por plasma (C) compreendendo uma unidade inertizadora (9) acoplado a circuitos de retificação; e d) módulo de pós-queima, compreendendo um forno de pós- queima (8), torre de resfriamento (11), filtros de manga
(12) e exaustores (13).
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do reservatório (1) ser um silo de metal inoxidável.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do secador (4) se comunicar a uma caldeira (10).
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo forno de descarbonização (6) ser um forno rotativo, compreendendo um tambor de material inoxidável,
FOLHAS DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26)
revestido por camadas de materiais isolante e refratário.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela unidade de inertização (9) consistir em um forno de plasma térmico.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do forno de plasma elétrico compreender eletrodos de carbono para geração de arco elétrico.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do circuito de retificação para os resistores apresentarem corrente de saída acima de 1.000A.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo circuito ser composto por tiristores.
9. Processo de obtenção de material vítreo, empregando o sistema conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: a) Secagem, em que o lodo com 75% a 77%de umidade é levado a um secador térmico (4) e submetido a temperaturas de 100°C a 120°C, sob pressão de 6 a 8 bar; b) Descarbonização, em que o lodo com até 15% de umidade é submetido a temperaturas de 600° a 700°C em um forno de descarbonização (6) a uma vazão de 173 kg/h a 184 kg/h; c) Tratamento por Plasma: em que o material é transferido do forno (6) e submetido a temperaturas de 1300°C a 1400°C por meio do forno inertizador (9) a uma vazão de 70
Kg/h a 74 Kg/h.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da vazão do lodo da estrutura (14)
FOLHAS DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26)
ao secador (4) corresponder a 625 kg/hora.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato da vazão do lodo ser opcionalmente coletado após a etapa c) e transportado por meio de caçambas a uma vazão de 66 Kg/h a 70 Kg/h.
FOLHAS DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26)
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