Simulação computacional de gaseificação de madeira de pequeno prte empregando um gaseificador downdraft

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Utilização de syngas em substituição a combustíveis gasoso em processos siderúrgicos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Atendimento de energia elétrica domiciliar para comunidades isoladas de baixa potência do interior do estado do Pará através de um gaseificador de 1kw

No Pará, quase 21% de sua população, não tem acesso ao uso da energia elétrica na sua residência. Neste universo está o público alvo deste trabalho que são as comunidades isoladas. Dado a extensão territorial e a extensa bacia hidrográfica do Estado do Pará, estas comunidades dificilmente serão atendidas por extensão da rede de distribuição. A proposta deste trabalho consiste na sugestão de uso do caroço de Açaí como biomassa para um gaseificador indiano de 1 Kg/hora, co-corrente e topo aberto, adaptado e adequado às especificidades da região; o sistema de gaseificação é acoplado a um gerador de 2 KVA (Diesel ou Gasolina), para suprir com energia elétrica as comunidades isoladas, onde já existe a biomassa como resultado do processamento do Açaí e que vem sendo tratada como lixo. Neste contexto, foram pesquisados os programas governamentais que podem respaldar esta proposta, utilizando-a como uma das muitas opções de atendimento de energia elétrica através das fontes alternativas.

Aproveitamento da biomassa flutuante do Rio Madeira para geração de energia elétrica

A universalização do fornecimento de energia elétrica é uma meta ainda distante de ser alcançada na Amazônia brasileira, em face dos obstáculos geográficos, da dispersão de seus habitantes, da indefinição de tecnologias adequadas, além dos aspectos econômicos, em que pese ações governamentais, traduzidas no Programa Luz para Todos - PLpT, criado em 2003, cuja meta é atender a totalidade dos consumidores rurais até 2010, e a determinação da Agência Nacional de Energia Elétrica –ANEEL, responsável no Brasil pela regulação do setor elétrico, da obrigatoriedade da universalização até 2015. Este trabalho descreve pesquisa realizada no rio Madeira, na Amazônia brasileira, em que a geração de energia elétrica para atendimento de comunidades e pequenas cidades ao longo do rio, contribuindo para a universalização, pode ser viabilizada usando como fonte renovável inédita a biomassa lenhosa depositada no fundo do rio, decorrente de processos naturais, cuja retirada faz parte da rotina do Ministério dos Transportes, por obrigação legal, para viabilizar segurança na navegação. Como etapa inicial foram realizadas revisões bibliográficas para dar suporte à fundamentação teórica acerca de sistema elétrico brasileiro, universalização de acesso à energia elétrica, fontes renováveis na Amazônia, tecnologias para geração de eletricidade usando biomassa como fonte, subsídios no setor elétrico do Brasil, o rio Madeira, suas características e importância, além de ferramentas de análise de investimento. Em seguida, foram coletadas informações junto à AHIMOC, órgão responsável pela hidrovia do Madeira, quanto aos dados quantitativos e qualitativos da retirada de biomassa lenhosa do leito desse rio, bem como trabalhos de coleta in locu de amostras dessa biomassa para posterior análise de suas características físico-químicas em laboratório da UFAM. De posse dessas informações procedeu-se a avaliação de potencial de geração de energia elétrica da biomassa, assim como de rotas tecnológicas para tal. Os resultados obtidos das biomassas coletadas serviram como balizadores para confirmação de valores constantes na literatura e foram usados posteriormente na avaliação de potencial de geração de energia elétrica com identificação de rotas tecnológicas para tal. Etapa posterior contemplou a obtenção junto à concessionária de identificação e caracterização de potenciais mercados consumidores localizados na calha do Rio Madeira. Uma vez caracterizada a biomassa disponível, as possíveis rotas tecnológicas e os potenciais mercados consumidores, foram avaliados os aspectos tecnológicos, econômicos, ambientais, sociais e legais envolvidos. O estudo conclui pela competitividade do sistema de gaseificação, podendo contribuir para a universalização do acesso a eletricidade, cuja viabilização depende de adoção de política pública neste sentido, a partir de ações entre os Ministérios dos Transportes, de Minas e Energia e do Meio Ambiente. Conclui, também, pelo potencial de atração de capital privado, o que contribuiria para a redução de gastos públicos. Trabalhos futuros quanto à replicabilidade do estudo em áreas com fenômeno semelhante, bem como de oportunidades de uso de outras biomassas apresentam-se viáveis.

Caracterização de um gaseificador do tipo downdraft

A gaseificação é uma conversão termoquímica da biomassa em gás combustível, que pode ser usado como combustível em motores de combustão interna ou como gás de síntese para a indústria química. Para checar o desempenho de um gaseificador temos de quantificar a energia contida no gás produzido e a quantidade de carbono convertido por meio dos cálculos de eficiência energética e de conversão de carbono através dos dados obtidos experimentalmente. A eficiência energética é uma relação entre os fluxos de gás e biomassa e de suas respectivas quantidades de energia, no mesmo sentido, a conversão de carbono é a quantidade de compostos carbonáceos presentes no gás convertido a partir da quantidade de carbono presente na composição da biomassa. O presente documento avalia a eficiência energética e de carbono na conversão de um protótipo de um gaseificador indiano do tipo downdraft produzido por uma empresa local (Floragás). Os parâmetros nominais do gaseificador são: capacidade de produção de gás de 45 kWt, consumo de biomassa (caroço de açaí) de 15 kg/h. As dimensões do gaseificador são: DI 150 mm e altura de 2000 mm). A eficiência energética e a taxa de conversão de carbono foram quantificados, a queda de pressão devido ao leito do reator e a temperatura dos gases também foram medidos na saída do reator e também, a concentração de alcatrão, partículas e gases não condensáveis (CO, CO², CH⁴, SO², N² e NO^x) nos gases de combustão após a sistema de limpeza.

Estudo experimental de um reator de gaseificação em um leito fixo de açaí

Um leito de gaseificação de pequena escala foi projetado, construído e operado com o objetivo de investigar os parâmetros que influenciam o processo de gaseificação de um leito fixo de caroço de açaí. O reator é do tipo topo aberto downdraft estratificado, de dimensões de 15 cm de diâmetro interno por 1,5 m de altura, com isolamento térmico. O gás produzido foi coletado a jusante do leito de gaseificação e condensado para remoção de alcatrão, o qual foi posteriormente quantificado em titulador Karl Fisher. Após remoção do alcatrão o gás foi introduzido em um Micro GC para quantificação dos percentuais molares de H², CO, N² e CH⁴. O perfil de temperatura do leito foi medido com termopares tipo K posicionados ao longo do eixo longitudinal do leito em distâncias de 10 cm. A vazão de ar foi medida com auxilio de um tubo de Pitot e um micromanômetro. As aquisições dos dados de temperatura foram feitas por um data logger e vazão mássica do ar sendo feita usando comunicação RS232 do micromanômetro. Os procedimentos experimentais foram feitos ao longo de 4 horas de operação do leito de gaseificação, com consumo médio de biomassa de 1,6 kg/h, com 6 dados do perfil de temperatura, vazão mássica de ar, perda de carga do leito e concentração dos gases obtidos no processo de gaseificação e quantificação do teor de alcatrão condensável presente no gás. Verificou-se que o gaseificador de leito de açaí pode ser operado através de uma gama bastante ampla de taxas de fluxo de ar de 2 a 5 kg/h, com a quantidade de energia do gás produzido variando de 5 a 15 MJ/h. As concentrações típicas dos gases obtidos no leito foram de 13% de H², 11% de CO, 1,3% de CH⁴. A eficiência máxima de gás frio de 57% e teor médio de alcatrão de 155 g/m³.

Predição do desempenho de gasificadores de biomassa utilizando equilíbrio químico

A tecnologia de gasificação tem sido objeto de estudo de vários pesquisadores ao redor do planeta, principalmente para aplicações na geração de eletricidade a partir de biomassa. Neste trabalho é apresentado um modelo simplificado para gasificação de biomassa baseado nas considerações de equilíbrio químico. O modelo consiste da aplicação das leis de conservação de massa e energia acompanhadas da aplicação da minimização da energia livre de Gibbs no gás produzido. Apesar da simplicidade do modelo seus resultados são confiáveis ao predizer os parâmetros de trabalho de sistemas de gasificação. A composição da biomassa, temperatura do ar, teor de umidade e perdas de calor são parâmetros que podem ser variados para se fazer a análise dos diferentes pontos de operação do gasificador. Os resultados obtidos foram comparados com resultados experimentais e apresentaram boa concordância com mos mesmos.

Simulação numérica da gaseificação de biomassa em leito fixo

O objetivo deste trabalho foi avaliar a potencialidade das sementes de açaí rejeitadas após beneficiamento em Belém – Pará, a fim de ser usada como fonte de biomassa para a produção de energia por gaseificação. Resultados da análise elementar obtidas no LABCAT – UNB em base seca foram obtidas com percentuais de Carbono, 46,06 %, Hidrogênio 6,01 % Oxigênio 43,37 %, Nitrogênio 4,33 % e Enxofre 0,08%. Tais valores entre outros parâmetros obtidos em estudo experimental realizados por Santos 2011 e Cruz, 2010, foram utilizados para realizar uma simulação numérica do processo de gaseificação por meio de um código FORTRAN zero dimensional desenvolvido especificamente para esta finalidade. Variações da influência da razão de equivalência e teor de umidade nas concentrações de CO, H2 e CH4 foram comparados a resultados experimentais. Um modelo transiente unidimensional também foi analisado. Utilizando a aplicação de um mecanismo de pirólise de dois passos onde o alcatrão primário (ou oxigenados) são inicialmente formados e então craqueados em alcatrão secundário (ou hidrocarbonetos) e outros gases combustíveis. Assim se revela a complexidade dos processos físicos e químicos que ocorrem no reator pelo uso do balanço de energia e massa e com informações das taxas de reação das reções químicas e os processos de transporte físicos. O modelo computacional é capaz de prever o perfil da composição de gases, temperatura, alcatrão primário e secundário ao longo do eixo longitudinal do gaseificador. Foram obtidos resultados para simulações realizadas nos dois modelos e posteriormente analisado tal comportamento em comparação ao resultado experimental obtidos por Santos (2011).

Aumento da oferta de eletricidade no setor sucroalcooleiro: incorporação de ciclo combinado associado à gaseificador de leito fluidizado

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Thermochemical equilibrium modeling of a biomass downdraft gasifier: Constrained and unconstrained non-stoichiometric models

The objective of this work is to develop a non-stoichiometric equilibrium model to study parameter effects in the gasification process of a feedstock in downdraft gasifiers. The non-stoichiometric equilibrium model is also known as the Gibbs free energy minimization method. Four models were developed and tested. First a pure non-stoichiometric equilibrium model called M1 was developed; then the methane content was constrained by correlating experimental data and generating the model M2. A kinetic constraint that determines the apparent gasification rate was considered for model M3 and finally the two aforementioned constraints were implemented together in model M4. Models M2 and M4 showed to be the more accurate among the four developed models with mean RMS (root mean square error) values of 1.25 each.Also the gasification of Brazilian Pinus elliottii in a downdraft gasifier with air as gasification agent was studied. The input parameters considered were: (a) equivalence ratio (0.28-035); (b) moisture content (5-20%); (c) gasification time (30-120 min) and carbon conversion efficiency (80-100%). (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Thermochemical equilibrium modeling of biomass downdraft gasifier: Stoichiometric models

The aim of this work is to develop stoichiometric equilibrium models that permit the study of parameters effect in the gasification process of a particular feedstock. In total four models were tested in order to determine the syngas composition. One of these four models, called M2, was based on the theoretical equilibrium constants modified by two correction factors determined using published experimental data. The other two models, M3 and M4 were based in correlations, while model M4 was based in correlations to determine the equilibrium constants, model M3 was based in correlations that relate the H-2, CO and CO2 content on the synthesis gas. Model M2 proved to be the more accurate and versatile among these four models, and also showed better results than some previously published models. Also a case study for the gasification of a blend of hardwood chips and glycerol at 80% and 20% respectively, was performed considering equivalence ratios form 0.3 to 0.5, moisture contents from 0%-20% and oxygen percentages in the gasification agent of 100%, 60% and 21%. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Thermodynamic analysis and comparison of downdraft gasifiers integrated with gas turbine, spark and compression ignition engines for distributed power generation

The objective of the present article is to assess and compare the performance of electricity generation systems integrated with downdraft biomass gasifiers for distributed power generation. A model for estimating the electric power generation of internal combustion engines and gas turbines powered by syngas was developed. First, the model determines the syngas composition and the lower heating value; and second, these data are used to evaluate power generation in Otto, Diesel, and Brayton cycles. Four synthesis gas compositions were tested for gasification with: air; pure oxygen; 60% oxygen with 40% steam; and 60% air with 40% steam. The results show a maximum power ratio of 0.567 kWh/Nm(3) for the gas turbine system, 0.647 kWh/Nm(3) for the compression ignition engine, and 0.775 kWh/Nm(3) for the spark-ignition engine while running on synthesis gas which was produced using pure oxygen as gasification agent. When these three systems run on synthesis gas produced using atmospheric air as gasification agent, the maximum power ratios were 0.274 kWh/Nm(3) for the gas turbine system, 0.302 kWh/Nm(3) for CIE, and 0.282 kWh/Nm(3) for SIE. The relationship between power output and synthesis gas flow variations is presented as is the dependence of efficiency on compression ratios. Since the maximum attainable power ratio of CIE is higher than that of SIE for gasification with air, more research should be performed on utilization of synthesis gas in CIE. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Fluid-dynamic assessment of sugarcane bagasse to use as feedstock in bubbling fluidized bed gasifiers

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Analise técnico-econômica de um gaseificador Downdraft e de filtros para limpeza de gás de síntese

The biomass gasification systems have been used for a long time and prove to be a good alternative to the generation of energy problems. This type of management requires a simple installation and maintenance which gives them a high availability. In Biomass project via Call CTEnerg 33/2006-1, funded by the Ministry of Science and Technology - MCT - Brazil, the Group Energy Systems Optimization – GOSE - at FEG - UNESP built and tested two prototypes of gasifiers. These is fed with 25 kg / h of dry wood (chips), and 50 Nm3 / h of air to produce gas at a flow rate of approximately 70 Nm3 / h of wood (syngas) at a temperature approximately 600 ° C. In this work of graduation, studies were conducted on the materials used in both the gasifier as well as cleaning the filter synthesis gases. The system of gas cleaning and conditioning is vital to ensure the life of the Internal Combustion Engine. In this case the studies of different filters for small gasification systems (properties, materials used, characteristics, types, etc.) are very relevant to its use in the prototype of the college campus. Were also performed a technical and economic analysis of a cogeneration system that consists in the combination of the downdraft gasifier studied in this work, an internal combustion engine, two heat exchangers and a SRA (absorption system refrigerator). Were calculated the costs of electricity generation, hot water and cold water. Finally, we analyzed the economic feasibility of the project

Aspectos técnicos e ambientais da incorporação de novas tecnologias no setor sucroalcooleiro: produção de hidrogênio e gaseificação do bagaço

The purpose of this work is to study the incorporation of hydrogen production (Case A) and the process of gasification of sugarcane bagasse associated with combined cycle gas turbine and steam turbine (Case B) for Distillery Pioneers process. These technologies can be used to improve the energy supply in the sugarcane mill. Initially the processes for obtaining sugar and ethanol from sugarcane is discussed, with a theoretical introduction to hydrogen, the process of steam reforming and gasification of biomass (bagasse) by inserting a turbine associated with the recovery boiler gas. Subsequently makes up the energy and exergy analysis of the incorporation of the above technologies. In end stage makes it an ecological analysis considering or not the carbon cycle (photosynthesis), to determine the levels of emissions of pollutants, carbon dioxide equivalent, indicators of pollution and ecological efficiencies associated with technological developments proposed. It is concluded that hydrogen production by steam reforming of ethanol and gasification of bagasse are viable alternatives from the point of view of technical and environmental applications in the biofuels industry, contributing to the development of the sector in the country