Thermal drying of biological sludge from paper mill for energy purposes

Abstract

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.