Análise e otimização termoeconômica de sistemas de geração de energia por incineração de resíduos com filtro biológico de emissões

Abstract

Resumo: Este trabalho verificou a viabilidade econômica de uma planta de tratamento de resíduos sólidos urbanos (RSU) e águas degradadas com a geração de produtos de alto valor agregado, construída no NPDEAS/UFPR. Os RSU provenientes do campus universitário foram destinados à incineração a uma taxa de 50 kg/h, onde houve o aproveitamento da energia térmica dos gases de combustão para a geração de eletricidade em um ciclo Rankine de 15 kW de potência. Buscando uma maior sustentabilidade econômica e ambiental, foi realizado o tratamento dos gases provenientes da incineração através de um filtro biológico de microalgas cultivadas em fotobiorreatores (FBR) tubulares com volume de 60 m³. É neste ponto que reside a inovação do trabalho, que integra a incineração de RSU com o aproveitamento da energia térmica, aliada ao tratamento biológico dos gases de combustão. Tem-se que o cultivo de microalgas nos FBR absorve CO2, e ainda consome matéria orgânica proveniente de águas degradadas da indústria agrícola, tornando-as mais adequadas ao retorno para o meio ambiente. A integração dos FBR com a incineração permitiu a produção de biomassa de microalgas com custos reduzidos, pois a combustão dos RSU forneceu gases com alta densidade de CO2, permitindo o cultivo ótimo das microalgas. O estudo de viabilidade econômica foi desenvolvido por meio de uma análise exergoeconômica, onde foi atribuído um valor financeiro aos fluxos exergéticos do sistema. O modelo matemático do sistema baseado nas 1ª e 2ª leis da termodinâmica foi desenvolvido no programa Engineering Equation Solver (EES), onde a otimização dos parâmetros exergoeconômicos foi realizada para buscar a melhor viabilidade técnica e econômica do sistema. A planta integrada foi capaz de gerar 29,5 toneladas de biomassa ao ano, a um custo médio de 1,84 R$/kg, absorvendo 54 toneladas de CO2 no mesmo período, ou 25% de todo CO2 gerado na incineração. Sete entre dez equipamentos puderam ser termoeconomicamente otimizados. Apesar da eletricidade gerada ter um custo de 76% a 100% mais caro que a eletricidade fornecida pela rede, o sistema teve um período de retorno de 3,19 anos. Palavras-chave: Análise exergoeconômica. Exergia. Aproveitamento energético de resíduos. Incineração. Fotobiorreator.

Abstract: This work verified the economic viability of a municipal solid waste (MSW) and degraded water treatment plant that generates products with high market values, built in NPDEAS/UFPR. Incineration is used for the correct destination of MSW at a rate of 50 kg/h where the stack gas thermal energy is considered to electricity generation in a 15 kW Rankine cycle. Aiming a better economic and environmental viability, the incineration stack gas undergoes a biological treatment with microalgae in tubular 60 m³ photobioreactor (PBR). This work innovative contribution resides on the integration of energy generation from incineration of MSW with the microalgae biological filters for the combustion gases. The microalgae culture in PBR consumes de stack gases CO2 as well the organic matter from agro-industry degraded water, making it better suitable to the return in the environment. The PBR and incineration integration promoted the production of microalgae biomass with lower costs, since the incinerator stack gases has a high CO2 density, resulting in an optimal microalgae growth. The economic feasibility investigation is conducted by an exergoeconomic analysis, where a monetary value is attributed to the system exergy flows. The system mathematical model based on the 1st and 2nd laws of thermodynamic was developed in the Engineering Equation Solver (EES) software, in which an exergoeconomic optimization was done aiming the best technical and economic viability for the system. The integrated powerplant was able to produce 29,5 tons per year of microalgae biomass, at an average cost of 1,84 R$/kg, absorbing 54 tons of CO2 in the same time period, or 25% of all the CO2 generated in the incineration process. Seven of ten equipment in the system could be optimized in the thermoeconomic analysis. Despite of the electricity generated had a cost 76% to 100% costlier than the electricity supplied by the grid, the system had a payback period of 3.19 years. Keywords: Exergoeconomic analysis. Exergy. Waste-to-energy. Incineration. Photobioreactor.