Processo para redução volumétrica de vinhaça a partir do aproveitamento do potencial energético de gases de combustão oriundos da queima de biomassa em caldeiras

  • Número do pedido da patente:
  • PI 1100004-0 A2
  • Data do depósito:
  • 05/01/2011
  • Data da publicação:
  • 16/04/2013
Inventores:
  • Classificação:
  • C05F 5/00
    Fertilizantes fabricados com refugos de destilarias, mela?o, vinha?a, refugo de usinas de a??car, refugos ou res?duos similares;
    ;
    B01D 5/00
    Condensa??o de vapores; Recuperação de solventes vol?teis por condensa??o;
    ;
    B01D 1/16
    Evapora??o; / por vaporiza??o;
    ;
    B01D 1/18
    Evapora??o; / por vaporiza??o; / para obter s?lidos secos;
    ;
    C12S 3/10
    Tratamento de materiais de origem animal ou vegetal ou micro-organismos; / Recupera??o ou purifica??o de material que cont?m carboidratos; / Tratamento do a??car ou mela?os;
    ;

PROCESSO PARA REDUÇÃO VOLUMÉTRICA DE VINHAÇA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGÉTICO DE GASES DE COMBUSTÃO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS. Um processo que permite simultaneamente ou alternativamente a redução volumétrica da vinhaça e o tratamento dos gases de combustão provenientes de caldeiras que utilizam biomassa como combustível.

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Documento


“PROCESSO PARA REDUÇÃO VOLUMÉTRICA DE VINHAÇA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGÉTICO DE GASES DE COMBUSTÃO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS”

CAMPO DA INVENÇÃO

Trata a presente solicitação de Patente de Invenção de um inédito “PROCESSO PARA REDUÇÃO VOLUMÉTRICA DE VINHAÇA A PARTIR DO APROVEITAMENTO DO POTENCIAL ENERGÉTICO DE GASES DE COMBUSTÃO ORIUNDOS DA QUEIMA DE BIOMASSA EM CALDEIRAS”,

especialmente de um processo que permite simultaneamente ou alternativamente a redução volumétrica da vinhaça e o tratamento dos gases de combustão provenientes de caldeiras que utilizam biomassa como combustível. Como resultado, obtêm-se dois produtos de alto valor agregado para o setor sucroalcooleiro: uma corrente de vapor d’água, que depois de condensada pode ser reutilizada na indústria ou descartada como efluente, e uma corrente composta de vinhaça concentrada total ou parcialmente, rica em minerais e também em cinzas e fuligem coletados da combustão da biomassa na caldeira, podendo esse composto ser utilizado como biofertilizante,

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

O processo de fabricação de álcool etílico a partir da fermentação de matérias-primas amiláceas e/ ou celulósicas, como qualquer outro processo industrial, gera subprodutos, resíduos, efluentes e emissões gasosas. Dentre tais resíduos destaca-se a vinhaça que sempre foi encarada como problema importante, não só pelo seu elevado potencial poluidor, mas também pelo grande volume gerado (10 a 15 litros de vinhaça para cada litro de álcool produzido). Segundo a União da Indústria de Cana-de-açúcar (UNICA), a produção de etano no Brasil na safra 2008/


2009 foi de 27.512.962 m3, o que explicaria a enorme dificuldade e alto custo no seu tratamento.

A vinhaça é o resíduo gerado durante a destilação do vinho proveniente da fermentação no processo de produção de álcool etílico a partir da 5 cana-de-açúcar, beterraba, milho, mandioca e outros caldos vegetais ricos em açúcares fermentescíveis.

A composição da vinhaça depende de inúmeros parâmetros de processamento, como a composição da matéria-prima, a linhagem de levedura utilizada, os aditivos químicos utilizados para a preparação do caldo, do tempo de 10 fermentação e qualidade do vinho e das características do equipamento de destilação, dentre outros parâmetros.

Tabela 1 - características típicas da vinhaça proveniente da cana-de-açúcar

Caracterização da vinhaça Mínimo Médio Máximo

PH (-)

Temperatura (°C)

DBO (mg/L)

DQO (mg/L)

Sólidos Totais (mg/L)

Sólidos Suspensos Totais (mg/L) Sólidos Suspensos Fixos (mg/L) Sólidos Suspensos Voláteis (mg/L) Sólidos Dissolvidos Totais (mg/L) Sólidos Dissolvidos Voláteis (mg/L) Sólidos Dissolvidos Fixos (mg/L) Resíduos Sedimentáveis (mg/L) Nitrogênio (mg/L)

Nitrogênio amoniacal (mg/L) Fósforo Total (mg/L)

Potássio Total (mg/L)

Cálcio (mg/L)

Magnésio (mg/L)

Ferro (mg/L)

Sódio (mg/L)

Cloreto (mg/L)

Sulfato (mg/L)

Sulfito (mg/L)


3,50

4,15

4,90

65

89

111

6680

16950

75330

9200

28450

97400

10780

25155

38680

260

3967

9500

40

294

1500

40

3632

9070

1509

18420

33680

588

6580

15000

921

11872

24020

0,20

2,29

20,00

90

357

885

1

11

65

18

60

188

814

2035

3852

71

515

1096

1

5

12

2

25

200

8

52

220

480

1210

2300

790

1538

2800

5

36

153


H-


Etanol (% v/v)

0,1

0,09

1,19

Levedura (% v/v)

0,38

1,35

5,00

Glicerol (% v/v)

0,26

0,59

2,5

Em relação ao processo que utiliza a cana-de-açúcar como matéria-prima, a vinhaça pode resultar da fermentação de três mostos de origens distintas:

5


>    Mosto de melaço - o mosto é produzido a partir de um subproduto da produção do açúcar, chamado melaço ou mel final;

>    Mosto de caldo - o mosto é produzido quando da utilização do caldo de cana, geralmente caldo misto, proveniente da extração do segundo ao último terno da moenda, como também o caldo filtrado, oriundo da filtração de lodo do tratamento de caldo;

10


15


>    Mosto misto - o mosto é produzido com mistura de caldo e melaço. Em uma mesma safra, a vinhaça pode se apresentar em diversas categorias, resultante do uso de caldo, melaço ou com mistura de caldo mais melaço, dependendo do mix de produção da planta. Normalmente, as indústrias que têm perfil mais açucareiro produzem álcool etílico somente com o melaço para maior aproveitamento do açúcar presente no caldo, uma vez que o melaço ou mel final é o esgotamento da centrifugação para a produção do açúcar. De acordo com o mercado, a produção pode se inverter e a mistura de caldo com o melaço se torna frequente.

O poder poluente da vinhaça é devido ao alto teor de matéria orgânica, baixo pH, elevada corrosividade, presença de cátions alcalinos e alcalino terrosos e altos índices de demanda bioquímica de oxigênios (DBO), além de elevada temperatura na saída da etapa de destilação (« 85 a 95°C). Por essa razão, a vinhaça é considerada altamente nociva à fauna, flora, microfauna e mtcroflora das águas doces.


A elevada carga orgânica da vinhaça (DBO entre 7.000 e 75.000 mg/L) comparada ao esgoto doméstico (DBO menor que 1.000 mg/L), impede que esse efluente líquido industrial possa ser alimentado in natura para tratamento em Estações de Tratamento de Efluentes (ETE), principalmente pela grande vazão 5 volumétrica.


15


A principal destinação da vinhaça, com ou sem tratamento, é a disposição no solo por meio da fertirrigação, substituindo em grande parte o uso de fertilizantes. No Estado de São Paulo, a Companhia Ambiental do Estado de São Paulo apresenta a Norma CETESB P4 231/06 que estipula os critérios e procedimentos para o armazenamento, transporte e aplicação de vinhaça no solo. A concentração máxima de potássio no solo não deve exceder 5% da Capacidade de Troca Catiônica (CTC). Quando este limite é atingido, a aplicação da vinhaça fica restrita à reposição desse nutriente em função da extração média.pela.cultura, que é de 185 Kg de K20 por hectare por corte.

Apesar do poder poluente, de 92 a 96% da composição mássica da vinhaça in natura é água. O uso rotineiro da fertirrigação da vinhaça in natura no solo esbarra, portanto, nos altos custos de transporte e bombeamento até as áreas de plantação, situadas cada vez mais distantes do ponto de geração da vinhaça.

É de interesse cientifico e tecnológico no Brasil, grande produtor de etanol, o desenvolvimento de técnicas de tratamento, fracionamento e/ ou redução volumétrica da vinhaça que possibilitem:

> Separação da fração sólida da vinhaça para reduzir o volume dos nutrientes minerais a ser transportados para a fertirrigação do solo, reduzindo custos de transporte e insumos agrícolas;

>    Degradação da matéria orgânica da vinhaça, para que seu poder poluente seja reduzido;

>    Recuperação da água contida na vinhaça para seu reuso na indústria sucroalcooleira, preservando assim os recursos hídricos com uma menor captação

5 de água para o processo industrial.

Quando a vinhaça é concentrada até cerca de 60% dos sólidos totais, eia pode ser utilizada como fertilizante e ração animal. Após a concentração, a vinhaça pode ser seca por atomização, sendo o pó obtido usado como complemento de ração ou incinerada em caldeiras para a geração de vapor e obtenção de cinzas 10 potássicas para uso como fertilizante.

DO ESTADO DA TÉCNICA

A separação da fração mineral da vinhaça por técnicas de precipitação, eletrocoagulação, evaporação, secagem, incineração e/ ou filtração tem sido abordada por diferentes autores na literatura bem como documentos de patentes.

15    O documento PI 0809055-6 trata da concentração da vinhaça através

da sua pulverização em queimador torsional. Pelo fato da vinhaça apresentar baixo poder calorífico, a técnica declara a necessidade de uso de combustível auxiliar, como palha em pó e outros, para suprir a energia necessária para a evaporação da água contida na vinhaça. O processo de incineração da vinhaça gera vapor, água, 20 energia térmica e cinzas com alto teor de potássio para uso como fertilizante.

O documento PI 0805597-1 trata do uso de elementos de prensagem e filtração por osmose reversa para a retirada dos particulados sólidos da vinhaça, reaproveitamento da água recuperada e reutilização da torta formada como adubo orgânico ou ração animal. Declara-se como vantagem a não necessidade de 25 consumo térmico no processo e nem o consumo ou geração de vapor.

O documento PI 08006547-7 propõe a degradação da fração orgânica da vinhaça pela ação fermentativa de microorganismos simbiontes denominados Kefir. Os benefícios da técnica incluem a redução drástica da DQO da vinhaça em pouco tempo, a geração de gases a formação do precipitado rico em minerais e em 5 biomassa do microrganismo, que depois de separado do processo pode ser destinado à alimentação animal ou adubação do solo. A técnica relatada não inclui qualquer etapa térmica de evaporação, secagem ou incineração, e tampouco atuação concomitante de tratamento dos gases de combustão emitido pelas caldeiras.

10    O documento PI 0706144-7 trata de processo biológico para

reciclagem da vinhaça e sequestro do gás carbônico gerado durante a queima do bagaço de cana em caldeiras através do cultivo de algas e/ ou cianobactérias em tanques e/ ou biorreatores. As principais vantagens da técnica incluem a captura do C02, gás do efeito estufa, a redução de DBQ ei ou DQO presente na vinhaça e 15 concomitante produção de biomassa algal rica em lipídios, útil para a produção de óleos ou biodiesel.

O documento PI 0705520-0 relata um processo integrado para a produção concomitante de lipídeos e biodiesel por algas que utilizam a vinhaça e CO2 de destilarias de álcool como substrato para 0 seu crescimento.

20    O documento PI 0603286-9 propõe a redução volumétrica da vinhaça

através de sucessivas etapas de evaporação e destilação. Não há menção neste pedido ao reaproveitamento térmico ou concomitante tratamento dos gases de combustão efluentes da caldeira.

O documento M U 8502073-7 trata de processo para a geração e 25 comercialização de créditos de carbono pela queima de metano oriundo da


biogestão da vinhaça. Não é mencionada etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamento de gases de queima de biomassa em caldeira.

O documento PI 9304915-3 trata de processo para obtenção de calcário de vinhaça, a ser utilizado como corretivo de solo, sendo esse calcário 5 composto de mistura de vinhaça, cal hidratada, fosso gesso e restos de animais e vegetais.


15


O documento de patente US 5.851.405 propõe um tratamento físico na vinhaça, por meio de uma centrifugação altamente eficiente na qual a vinhaça é concentrada e os sais de potássio são removidos. Não é proposta a etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamento de gases de combustão.

O documento US 6.022.394 relara a clarificação da vinhaça através da correção de pH, com precipitação e separação de componentes inorgânicos do seio da solução. Não é proposta etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamentos de gases de combustão.

O documento US 5.760.078 relata a recuperação de componentes valiosos da vinhaça através da adição de sulfato de amônio, seguido de filtração e microfiltração para a concentração da vinhaça. Não é proposta etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamento de gases de combustão

O documento US 6.770.757 relata método de recuperar betaína, eritritol, inositol, sacarose, manitol, glicerol e aminoácidos de soluções residuais e caldos de cana-de-açúcar e de frutas através de resina de troca catiônica em coluna cromatográfica. Não é proposta etapa de evaporação da vinhaça ou de tratamentos de gases de combustão.

Outra fonte impactante do meio ambiente em um complexo sucroalcooleiro é a queima do bagaço de cana nas caldeiras que gera como

principais poluentes: material particulado (MP), monóxido e dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio. A utilização do bagaço como combustível nas usinas e destilarias já é tradicional em todo o setor, sendo responsável por auto-suficiência nas demandas de energia térmica e eletromecânica. A palha retirada da cana no momento da colheita também vem sendo utilizada como combustível juntamente com o bagaço. Ela pode ser recolhida diretamente no campo ou separada da indústria através de sistema de limpeza a seco e posteriormente triturada para a obtenção de uma granulometria próxima a do bagaço, desse modo não interferindo no projeto das caldeiras. O bagaço e a palha são queimados diretamente na caldeira, sem nenhum tratamento prévio.

A emissão de poluentes gasosos durante a queima de biomassa é menor quando comparada ao uso de combustíveis fósseis. A emissão de óxidos de enxofre é muito baixa devido à reduzida concentração de enxofre na análise elementar do combustível. Portanto, pode-se afirmar que durante a operação de caldeiras e fornalhas que usam biomassa como combustível, o controle de emissão é geralmente limitado às instalações de equipamentos de coleta de particulado.

Na queima do bagaço de cana nas caldeiras, a parte mais leve dos sólidos residuais é arrastada junto aos gases de exaustão, requerendo a instalação de sistemas de remoção dos sólidos desses gases, para que os mesmos se enquadrem aos parâmetros de emissão exigidos pela legislação ambiental brasileira, como estabelecidos pela resolução CONAMA 382 de 2006. Os sólidos não arrastados pelos gases se depositam nos cinzeiros das caldeiras e também precisam ser removidos para evitar a obstrução do equipamento e a perda de eficiência.

Para o controle da poluição gerada são atualmente utilizados lavadores

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de gases que removem o material particulado presente nos gases de combustão através do contato direto com um líquido atomizado, geralmente água tratada. Estes equipamentos apresentam alta eficiência para controle da poluição do ar e utilizam em média uma vazão de água correspondente a 1,0 a 1,5 m3 de água por tonelada de vapor gerado na caldeira, além de contar com uma taxa de reposição devido à evaporação, perdas e arraste de 5,0 a 7,5% do total da água de entrada no lavador de gases.

Os sistemas de limpeza dos gases efluentes das caldeiras que utilizam a via úmida (lavadores de gases) são os de concepção mais simples, de menor investimento e de grande eficiência. Nestes sistemas, a limpeza dos gases dos cinzeiros deve ser realizada com água limpa. No caso de uma operação em circuito fechado, a água de lavagem, após passar pelos lavadores de gases, deve seguir para um sistema de tratamento para a separação do material sólido que foi removido dos gases e dos cinzeiros, a fim de permitir o seu reciclo e evitar problemas de entupimentos de linhas, além de desgastes em tubulações e em equipamentos. Os sólidos coletados no lavador e sedimentadores são dispostos na lavoura como fontes de minerais.

Há uma grande variedade de geometrias de lavadores no mercado, a maioria pode ser agrupada de acordo com o mecanismo de coleta na qual o gás contendo o material particulado entra em contato com uma aspersão de gotas com as quais as partículas se chocam e depositam por difusão. Dentre os tipos de lavadores, destacam-se os lavadores Venturi, lavadores torre de aspersão ou de nebulização (spray tower scrubber) e os lavadores de torre de recheio {packed bed scrubber).

Nas torres de nebulização, o tratamento dos gases é realizado apenas


pela aspersão de água no topo da torre enquanto o gás quente proveniente da caldeira sobre através da torre. Quando a água não evaporada chega ao fundo da torre, esta é recirculada por meio de bombeamento para o topo. Em torno de 7,5% da água de entrada é evaporada durante o contato com os gases quentes, e por isso a reposição desta água deve ser constantemente realizada. A velocidade ótima dos gases no lavador tipo torre de borrifo situa-se entre 0,6 e 2,0 m/s, enquanto o tamanho das gotas está entre 0,5 e 1,5 mm. Já no lavador tipo Venturi, a velocidade dos gases na garganta situa-se entre 40 e 130 m/s.

O documento PI 0711726-4 trata de sistema antipoluente por lavagem que promove resfriamento dos gases, remoção de fuligem e ácidos emitidos por fontes poluidoras. Não se reivindica o uso ou tratamento concomitante de vinhaça neste pedido.

O documento PI 0705526-1 relata uma combinação de sistema lavador de gases com tratamento biológico em circuito fechado de água de lavagem. O sistema proposto caracteriza-se pela lavagem dos gases contaminados em torre verticalizada, onde a aeração por nebulização seriada, a formação de múltiplas quedas de água e formação de um leito fluidizado removem os contaminantes, enquanto provocam oxigenação do fluido, compreendendo absorção, condensação e interceptação, com adsorção e biodegradação dos contaminantes, em circuito fechado de água de lavagem e efluentes gerados. Não se reivindica o uso da técnica para a redução volumétrica da vinhaça por ação térmica de evaporação.

O documento M U 8402530-1 relata o uso de lavador tipo Venturi otimizado para ser acrescentado ao sistema convencional de lavagem de gases de caldeiras a bagaço. O sistema proposto maximiza a eficiência de coleta dos particulados. Não se reivindica o uso da técnica para a concomitante redução



volumétrica da vinhaça por ação térmica de evaporação.

O documento US 2009/0183632 relata como invento um lavador baseado na combinação de múltiplos Venturis e que remove material particulado, gases ou líquidos de correntes gasosas. Não se reivindica o uso da técnica para a 5 concomitante redução volumétrica da vinhaça por ação térmica de evaporação.

Torna-se claro que no estado da arte não existe técnica antecipada que permita a redução volumétrica da vinhaça por evaporação com simultânea ação desse resíduo líquido na coleta de material particulado em lavadores de gases em caldeiras de biomassa.