Análise termodinâmica de Ciclos Rankine Orgânicos integrados a motogeradores a biogás em aterros sanitários

Abstract

O trabalho consiste na operacionalização de um motogerador a biogás em aterros sanitários e no aproveitamento do calor residual dos gases de exaustão em ciclo combinado. Nos centros urbanos, o destino dos resíduos sólidos tem sido os aterros sanitários, onde o principal produto da decomposição orgânica se converte em biogás, hoje em grande parte ainda emitido diretamente para a atmosfera ou então simplesmente queimado nos drenos. Neste trabalho, dados de campo foram coletados em aterro sanitário existente no município de Brusque-SC, com a expectativa de aproveitar o potencial de biogás, convertendo-o em eletricidade através de motogerador. Considerando o alto calor residual nos gases de exaustão surge a oportunidade de instalar ciclos combinados orgânicos de Rankine, melhorando a eficiência do processo de conversão, através de um melhor aproveitamento exergético. A instalação, instrumentação e operação do motogerador permitiu a coleta de dados relacionados com a operação ainda que em carga parcial, mas fornecendo resultados relevantes para análise. Uma planta do ciclo combinado foi proposta considerando características de motogeradores comerciais. Assim, quatro fluidos térmicos, de diferentes características, foram estudados para a planta proposta. Resultados finais obtidos neste trabalho apontam para a viabilidade técnica de instalação de motogeradores integrados a ciclos de Rankine orgânicos para aplicação em aterros sanitários. Também apontam para a viabilidade do R123, isopentano, etanol e água para a geração de potência elétrica no ciclo Rankine, dadas as diferentes características termodinâmicas de cada fluido térmico.

Abstract : This work is concerned with the operationalization of a biogas motor generator used in a landfill as well as with the usage of exhaust gases in a combined cycle. In urban centers, solid waste is commonly disposed in landfills, where its organic decomposition leads to the production of biogas, the vast majority of which is still immediately emitted into the atmosphere or simply burned in the drains. During the course of this work, field data were collected at a landfill located in Brusque, Santa Catarina, Brazil, with the intention to efficiently exploit the biogas potential by converting it into electricity using a motor generator. The high temperatures of the residual exhaust gases provide the opportunity to install combined organic Rankine cycles (ORC), increasing the efficiency of the conversion process through a better exergetic exploitation. The installation, instrumentation, and operation of the motor generator allowed for the collection of data related to the operation, which, despite the engine only running at partial load, yielded relevant results for the analysis.The proposed model of the combined cycle was based on characteristics of commercial motor generators. In that regard, four thermic fluids with different characteristics were analyzed. The final results suggest a technical viability in the installation of motor generators together with ORC for landfill application. The results further illustrate the viability of R123, isopentane, ethanol and water to generate electric power in Rankine cycles, in accordance to the different thermodynamic characteristics of each thermic fluid.