Author(s):
Furtado, Samira Gomes
Date: 2014
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.21/4430
Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico de Lisboa
Subject(s): Gestão de resíduos sólidos urbanos; Incineração de resíduos sólidos urbanos; Central de tratamento de resíduos sólidos urbanos da Valorsul; Emissões atmosféricas; Sistema de tratamento dos gases de combustão; Sistemas de controlo PID; Municipal solid waste management; Municipal solid waste incineration; CTRSU of VALORSUL; Atmospheric emissions; Treatment system of the combustion gases; PID control systems
Description
Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre Em Engenharia Química e Biológica Ramo de processos Químicos
O sistema de tratamento dos gases formados durante a combustão de Resíduos Sólidos Urbanos, (RSU), é um dos componentes mais importantes de uma instalação de incineração. O seu controlo e optimização asseguram a redução dos gases nocivos formados para valores que não representam quaisquer perigos para a saúde pública e ambiental, o que leva a incineração a ser considerada uma das técnicas mais seguras e eficientes para o tratamento dos RSU. A combinação desta técnica com produção de energia eléctrica, por recuperação de calor da combustão dos resíduos, tem contribuído gradualmente para o desenvolvimento socioeconómico. Este trabalho surgiu da necessidade de optimização do sistema de controlo dos gases ácidos, (HCl, NOx, SO2 e HF), da Central de Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos, (CTRSU), daEmpresa Valorsul e dos respectivos consumos dos reagentes utilizados no tratamento dos referidos gases, nomeadamente o leite de cal e a amónia. No entanto, procedeu-se apenas com uma análise detalhada do referido sistema de controlo, de modo a identificar as principais dificuldades e possíveis soluções teóricas para as mesmas. Os conhecimentos adquiridospoderão contribuir futuramente para a optimização do sistema de controlo em questão, de modo a garantir a dosagem óptima dos referidos reagentes, diminuindo assim o custo dos mesmos. O presente trabalho também tem como objectivos, a compreensão da tecnologia de valorização energética de resíduos no contexto do tratamento de RSU em Portugal e a análise do processo de formação dos gases durante a combustão dos RSU, principalmente a dos gases ácidos. Em Portugal o tratamento dos RSU é sobretudo por eliminação, deposição directa em aterro sanitário, tendo ocupado em 2012, uma percentagem de 54% do total dos RSU produzidos, no entanto a valorização tem vindo a desenvolver-se e actualmente cerca de 21% dos resíduosproduzidos é valorizado energeticamente. Do mesmo modo, a Reciclagem e a valorização orgânica têm progredido nos últimos anos, embora lentamente. A formação dos gases ácidos é influenciada sobretudo pela composição física dos RSU, que contêm na sua matriz materiais constituídos por átomos de azoto, enxofre, cloro e fluor e por certas condições operatórias de incineração, nomeadamente temperatura elevadas, humidadee excesso de ar. A composição física dos resíduos é um parâmetro não controlável pelo operador do sistema de tratamento dos gases, pelo que as condições de incineração devem ser adequadamente controladas, no âmbito de prevenir ou reduzir a formação destes gases. A CTRSU da Valorsul apresenta, em geral, um sistema de tratamento dos gases eficiente, garantido assim que os valores limites de emissão dos gases se encontrem em conformidade com a lei. No entanto, para cumprir este requisito é necessário um consumo excessivo da amónia e leite de cal utilizados no tratamento destes gases. O elevado consumo destes reagentes deve-se sobretudo à dificuldade de optimização da dosagem dos mesmos, comoconsequência de um atraso verificado no sistema de controlo dos gases implementado na Central, “Sample and Hold PID”. Este atraso é de aproximadamente dois minutos e é causado pelo tempo em que os gases levam a percorrer o ponto onde é feita a injecção dos reagentesaté ao ponto de extracção dos gases na chaminé, mais o tempo de atraso imposto pelo sistema de monitorização em contínuo das emissões. Através do software simulink do MATLAB realizou-se uma simples simulação do sistema de controlo de emissão dos gases NOx e caudal de amónia, em malha aberta com controlador proporcional, com o objectivo de reproduzir os resultados obtidos através de um controlo real em malha aberta realizada na CTRSU. Verificou-se que estes estão de acordo com o esperado, ou seja as saídas dos controladores do caudal de amónia e concentração do NOx, correspondem às variações efectuadas na válvula de regulação de amónia. Como possíveis soluções teóricas para a redução do atraso do sistema, sugeriu-se a introdução de um compensador de atraso baseado na técnica de Predição de Smith, no sistema de controlo já implementado, ou a implementação de um novo sistema de controlo baseado em sistemas de inteligências artificiais, nomeadamente as Redes Neuronais.
Abstract: The system to treat the gases, formed during Municipal Solid Waste (MSW) incineration, is one of the most important components of a waste incineration plant. Its control and optimization ensure the reduction of harmful gases formed, to values that not represent risks to the public and environmental health, which makes incineration one of the safest and most efficient techniques to treat MSW. The Combination of this technique with energy production, (electricity), through heat recovery from waste combustion, has contributed to socio -economic development. This study comes from the need to optimize the control system of emission of acid gases (HCl, NOx, HF and SO2) from “Central de Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos”, (CTRSU), of the VALORSUL company and optimize the consumption of the reagents used for treating thesegases, in particular ammonia and lime milk. However, this study only proceeded with detailed analysis of acid gases control system, in order to identify the main difficulties and possible theoretical solutions to them. This knowledge can contribute, in the future, to optimize the control system, which ensures the optimal dosage of these reagents, contributing also for the reduction of the cost of these raw materials. This study also aims to understand the MSW management in Portugal, the waste to energy technologies and the analysis of the gases formation process during combustion of MSW, particularly the acid gases. In Portugal, MSW are mainly treated by direct disposal in landfill, which in 2012, corresponded to 54% of total MSW produced, however, “waste to energy” has been developing and, currently,about 21% of the total MSW produced is valued energetically. Recycling and organic recovery also have progressed in recent years, however, slowly. The formation of the acid gases is largely influenced by the physical composition of MSW ,which contains materials constituted by atoms like nitrogen, sulfur, chlorine and fluorine and certain combustion conditions, including high temperature, humidity and excess air. The physical composition of waste is a non-controllable parameter, therefore, incineration conditions must be rightly controlled in order to reduce these gases formation. The CTRSU of VALORSUL presents, in general, an efficient gas treatment system with emission values in accordance with the law. However, there is excessive consumption of reagents used in the treatment of these gases, mainly due to the difficulty of optimizing the dosage of these reagents, as a result of a delay time observed in the gas control system implemented, “Sample and Hold PID”. This delay time is approximately of two minutes and it is caused by the time the gases take to cross from the point where the reagent are injection, to the point of gas extraction, in the stack, plus the delay time imposed by the continuous emissions monitoring system. Using the MATLAB/Simulink software, a simple simulation of the emission control system for NOx and ammonia flow, was made in open loop system, with a proportional controller, in orderto reproduce the results obtained experimentally, through a real control in open loop system,made in CTRSU. It was found that the results are in agreement with what was expected; in other words, the outputs of the ammonia flow and NOx concentration controllers correspond to the changes made in control valve of ammonia flow. As the possible theoretically solutions for reducing the time delay of system, it was suggested to introduce a delay compensator, based on Smith prediction technique, in the control system, or the implementation of a new system based on artificial intelligence control systems, such asneural networks.
