Computational modeling of biosludge drying

Considerable increases in industrial and urban wastewater sludge generation in recent years require proper treatment, such as thermal drying, and disposal. The sludge drying is a complex process involving simultaneous and coupled heat and mass transfer, which can be modeled by taking into account mass and heat balances, and assuming that water diffuses according to kinetic laws. This research implemented a simulation model for biosludge drying processes to predict the temperature and moisture distribution inside the biosludge, using the COMSOL Multiphysics® simulation program v5.2. A parametric analysis was carried out to determine the effect of initial moisture content on biosludge final temperature and moisture reduction. The simulated temperature and moisture content were experimentally validated and good agreement was observed between the simulation and experimental results. This model is a useful tool to optimize the drying process and develop better strategies for the control of the system

Potential of solid waste from the textile industry for energy purposes

Esta pesquisa foi realizada com o objetivo de estudar a viabilidade técnica de utilizar os resíduos sólidos, lodo biológico e resíduo de algodão, gerados pela indústria têxtil, como matéria-prima para a produção de briquetes para a geração de energia. Buscou-se, inicialmente, caracterizar os resíduos, a fim de se avaliar o potencial destes como combustíveis na geração de energia. Posteriormente, o lodo biológico foi misturado com o resíduo de algodão, nas proporções de 0%, 25%, 50%, 75% e 100%, para a fabricação dos briquetes. Foram utilizadas três pressões (900, 1.200 e 1.500 PSI) para a compactação dos resíduos, durante 5 minutos e tempo de resfriamento também de 5 minutos, à temperatura de 90 ºC. Determinaram-se o poder calorífico, a análise química imediata, a densidade aparente, a carga de ruptura máxima e a umidade de equilíbrio higroscópico dos briquetes. Para avaliar os efeitos ambientais da combustão destes resíduos, determinou-se a periculosidade dos resíduos e de suas cinzas residuais. De acordo com os resultados, o lodo biológico e o resíduo de algodão foram classificados como resíduos não perigosos e não inertes (Classe II A). As propriedades físicas e químicas dos resíduos demonstraram que os mesmos apresentam potencial para a produção de energia. As cinzas foram classificadas como resíduos perigosos (Classe I) e, sendo assim, devem ser tratadas e dispostas adequadamente. Os briquetes apresentaram menor teor de materiais voláteis e, consequentemente, maior teor de carbono fixo e cinzas, em relação às matérias-primas utilizadas para a sua produção, evidenciando efeito das variáveis do processo de briquetagem. O poder calorífico superior obtido nos briquetes não diferiu das matérias-primas utilizadas. A pressão de compactação de 1.200 PSI mostrou-se ideal para o processo de briquetagem em escala laboratorial. A melhor proporção de mistura entre os dois resíduos para a produção dos briquetes foi a 25% de lodo. Conclui-se que os resíduos da indústria têxtil podem ser considerados como combustível no processo de combustão para a geração de energia.The objective of this research was to study the technical feasibility of using the solid wastes, biological sludge and cotton residues, generated by the textile mill, as raw material in the production of briquettes for energy generation. Initially, the study aimed to characterize the solids waste, in order to evaluate their potential as fuels in energy generation. Subsequently, the biological sludge was mixed with cotton residues in proportions of 0, 25, 50, 75 and 100%, to produce of the briquettes. Three pressures (900, 1200 and 1500 PSI) were used for waste compaction for five minutes and a temperature of 90ºC was maintained during the cooling time, of also five minutes. The calorific value, chemical analysis, apparent density, rupture load and hygroscopic moisture equilibrium were determined. In order to study the environmental effects of the solid waste combustion, the hazardousness of the waste and residual ashes was determined. According to the results, the biological sludge and cotton residues were classified as non-hazardous and non-inert wastes (Class II A). The physical and chemical properties of the solid waste showed that they have potential for energy production. The ashes were classified as hazardous wastes (Class I), thus they should be treated and disposed properly. The briquettes showed lower content of the volatile matter and, consequently, higher content of fixed carbon and ashes in relation to raw materials for this production, which demonstrates the effect of the briquetting process variables. The high calorific value of the briquettes did not differ to the raw materials commonly used. The compaction pressure of 1200 PSI proved ideal to the laboratory scale briquetting process. The best mixing proportion between the two residues for production of briquettes was that with 25% sludge. It was possible to conclude that waste from a textile mill can be considered as fuel in the combustion process for power generation.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio

Secagem térmica de lodo biológico da indústria de papel para fins energéticos

This research proposes and investigates a drying system using hot gases from a direct coal-furnace as the energy source for biosludge drying, in order to transform it into a fuel for biomass boilers. The materials used were biosludge from a paper mill, and eucalyptus chips and bark as bulking agents. Two different proportions (15% and 25%) were applied. The thesis was divided into four chapters: Chapter I is a paper review that investigated the use of thermal sludge drying technologies for energy purposes. In Chapter II, the characteristics and thermal behavior of the materials and their mixtures were determined. In Chapter III, the drying system was evaluated according to its moisture reduction capacity, final total solids content, drying process efficiency and specific energy consumption. In Chapter IV, a simulation model for the biosludge drying process was implemented to predict the temperature and moisture distribution inside the biosludge, using the COMSOL Multiphysics® simulation program v5.2. The results showed that the addition of either eucalyptus chips or bark improved the biosludge physical and thermochemical characteristics. The proposed drying system was a promising technique when a bulking agent was added to the biosludge. The mixture of biosludge with 25% eucalyptus bark achieved the best drying results, increasing the total solids content from 31 to 72%, over a 5 hour drying interval. The simulation model was found to be an important tool to optimize the drying process and develop better strategies for the control of the system. It can be concluded that the results obtained are a significant step in the development of drying methods capable of using secondary energy (gases released from boilers), potentially available in industrial environments. The combustion of biosludge mixtures may provide an attractive option for the disposal and utilization of a renewable waste source such as industrial sludge.Esta pesquisa teve como objetivo propor e investigar um sistema de secagem utilizando gases quentes de uma fornalha de fogo direto como fonte de energia para secar o lodo biológico para transformá-lo em combustível para caldeiras de biomassa. Os materiais utilizados foram o lodo biológico de uma indústria de papel, cavaco de madeira e casca de eucalipto, que foram utilizados como materiais estruturantes em duas diferentes proporções (15% e 25%). A presente tese foi dividida em quatro capítulos: 0 Capítulo I trata-se de uma revisão bibliográfica que investigou as tecnologias de secagem térmica de lodo para fins energéticos. No Capítulo II, foram determinadas as características e o comportamento térmico dos materiais, bem como de suas misturas. No Capítulo III, o sistema de secagem foi avaliado através da redução da umidade, do teor final de sólidos totais, da eficiência do processo de secagem e do consumo específico de energia. No Capítulo IV, foi implementado um modelo de simulação para o processo de secagem do lodo biológico como o objetivo de prever a temperatura e a distribuição de umidade dentro do lodo, utilizando o programa de simulação COMSOL Multiphysics© v5.2. Os resultados mostraram que a adição de cavaco de madeira e casca de eucalipto melhorou as características fisicas e termoquímicas do lodo. O sistema de secagem mostrou-se bastante promissor quando material estruturante foi adicionado ao lodo. A mistura de lodo com 25% de casca de eucalipto apresentou os melhores resultados de taxa de secagem, aumentando o teor de sólidos totais de 31 para 72%, em um intervalo de secagem de 5 horas. O modelo de simulação pode ser considerado uma ferramenta importante para otimizar o processo de secagem e desenvolver melhores estratégias para o controle do sistema. Pode-se concluir que os resultados obtidos representam uma importante etapa no desenvolvimento de métodos de secagem capazes de utilizar energias secundárias (gases liberados pelas caldeiras), potencialmente disponíveis em ambientes industriais. Pode-se também concluir que a combustão de misturas de lodo biológico proporciona uma ótima opção para a eliminação e utilização de uma fonte de resíduos renováveis, tais como o lodo industrial.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio