Estimativa do potencial de acréscimo da oferta de energia no setor sucroalcooleiro paulista a partir de cogeração e gaseificação do bagaço de cana-de-açúcar com utilização de ciclo combinado

This work evaluates the existing potential in the state of Sao Paulo for the generation of electrical energy using the sugar cane bagasse as fuel. As the bagasse is a by-product of the sugarcane and alcohol industry and it is produced in large scale in the country, mainly in the state of Sao Paulo, it is important to develop researches that aim the best utilization of this input. In order to determine its potential, at first, a study was conducted considering the utilization of the cogeneration, which is a common practice in the plants of the sector. However, it was concluded that the cogeneration could provide a higher quantity of energy if more modern technologies and more efficient processes were used. Another study to estimate the potential considered a system of gasification of the sugar cane bagasse integrated with the combined cycle (BIG/GTCC). It was concluded that this technology can provide a considerable increase in the electrical supply. In this work it was also developed an energetic study based on real data from a plant located in the state of Sao Paulo. A thermodynamic analysis was done in the existing equipment of the cogeneration section of the plant. And another analysis was done considering the implementation of the BIG/GTCC technology to the cogeneration system. Comparing the results of both settings, it was concluded that the utilization of the sugar cane bagasse integrated to a combined cycle increased considerably the efficiency in the generation of electricity of the plant, increasing more than six times its production capacity of electrical energy

Estimativa do potencial de acréscimo da oferta de energia no setor sucroalcooleiro paulista a partir de cogeração e gaseificação do bagaço de cana-de-açúcar com utilização de ciclo combinado

This work evaluates the existing potential in the state of Sao Paulo for the generation of electrical energy using the sugar cane bagasse as fuel. As the bagasse is a by-product of the sugarcane and alcohol industry and it is produced in large scale in the country, mainly in the state of Sao Paulo, it is important to develop researches that aim the best utilization of this input. In order to determine its potential, at first, a study was conducted considering the utilization of the cogeneration, which is a common practice in the plants of the sector. However, it was concluded that the cogeneration could provide a higher quantity of energy if more modern technologies and more efficient processes were used. Another study to estimate the potential considered a system of gasification of the sugar cane bagasse integrated with the combined cycle (BIG/GTCC). It was concluded that this technology can provide a considerable increase in the electrical supply. In this work it was also developed an energetic study based on real data from a plant located in the state of Sao Paulo. A thermodynamic analysis was done in the existing equipment of the cogeneration section of the plant. And another analysis was done considering the implementation of the BIG/GTCC technology to the cogeneration system. Comparing the results of both settings, it was concluded that the utilization of the sugar cane bagasse integrated to a combined cycle increased considerably the efficiency in the generation of electricity of the plant, increasing more than six times its production capacity of electrical energy

Use of alternative fuels obtained from renewable sources in brayton cycles

Analysis and simulation of the behaviour of gas turbines for power generation using different nonconventional fuels obtained from different renewable sources are presented. Three biomass-tobiofuel processes are considered: anaerobic digestion of biomass (biogas), biomass gasification (synthesis gas) and alcoholic fermentation of biomass and dehydration (bioethanol), each of them with two different biomass substrates (energy crops and municipal solid waste) as input. The gas turbine behaviour in a Brayton cycle is simulated both in an isolated operation and in combined cycle. The differences in gas turbine performance when fired with the considered biofuels compared to natural gas are studied from different points of view related with the current complex energetic context: energetic and exergetic efficiency of the simple/combined cycle and CO2 emissions. Two different tools have been used for the simulations, each one with a different approach: while PATITUG (own software) analyses the behaviour of a generic gas turbine allowing a total variability of parameters, GT-PRO (commercial software) is more rigid, albeit more precise in the prediction of real gas turbine behaviour. Different potentially interesting configurations and its thermodynamic parameters have been simulated in order to obtain the optimal range for all of them and its variation for each fuel.

Use of alternative fuels obtained from renowable sources in Brayton cycles

Analysis and simulation of the behaviour of gas turbines for power generation using different nonconventional fuels obtained from different renewable sources are presented. Three biomass-tobiofuel processes are considered: anaerobic digestion of biomass (biogas), biomass gasification (synthesis gas) and alcoholic fermentation of biomass and dehydration (bioethanol), each of them with two different biomass substrates (energy crops and municipal solid waste) as input. The gas turbine behaviour in a Brayton cycle is simulated both in an isolated operation and in combined cycle. The differences in gas turbine performance when fired with the considered biofuels compared to natural gas are studied from different points of view related with the current complex energetic context: energetic and exergetic efficiency of the simple/combined cycle and CO2 emissions. Two different tools have been used for the simulations, each one with a different approach: while PATITUG (own software) analyses the behaviour of a generic gas turbine allowing a total variability of parameters, GT-PRO (commercial software) is more rigid, albeit more precise in the prediction of real gas turbine behaviour. Different potentially interesting configurations and its thermodynamic parameters have been simulated in order to obtain the optimal range for all of them and its variation for each fuel.

Techno-economic assessment and uncertainty analysis of thermochemical processes for second generation biofuels

Biomass-To-Liquid (BTL) is one of the most promising low carbon processes available to support the expanding transportation sector. This multi-step process produces hydrocarbon fuels from biomass, the so-called “second generation biofuels” that, unlike first generation biofuels, have the ability to make use of a wider range of biomass feedstock than just plant oils and sugar/starch components. A BTL process based on gasification has yet to be commercialized. This work focuses on the techno-economic feasibility of nine BTL plants. The scope was limited to hydrocarbon products as these can be readily incorporated and integrated into conventional markets and supply chains. The evaluated BTL systems were based on pressurised oxygen gasification of wood biomass or bio-oil and they were characterised by different fuel synthesis processes including: Fischer-Tropsch synthesis, the Methanol to Gasoline (MTG) process and the Topsoe Integrated Gasoline (TIGAS) synthesis. This was the first time that these three fuel synthesis technologies were compared in a single, consistent evaluation. The selected process concepts were modelled using the process simulation software IPSEpro to determine mass balances, energy balances and product distributions. For each BTL concept, a cost model was developed in MS Excel to estimate capital, operating and production costs. An uncertainty analysis based on the Monte Carlo statistical method, was also carried out to examine how the uncertainty in the input parameters of the cost model could affect the output (i.e. production cost) of the model. This was the first time that an uncertainty analysis was included in a published techno-economic assessment study of BTL systems. It was found that bio-oil gasification cannot currently compete with solid biomass gasification due to the lower efficiencies and higher costs associated with the additional thermal conversion step of fast pyrolysis. Fischer-Tropsch synthesis was the most promising fuel synthesis technology for commercial production of liquid hydrocarbon fuels since it achieved higher efficiencies and lower costs than TIGAS and MTG. None of the BTL systems were competitive with conventional fossil fuel plants. However, if government tax take was reduced by approximately 33% or a subsidy of £55/t dry biomass was available, transport biofuels could be competitive with conventional fuels. Large scale biofuel production may be possible in the long term through subsidies, fuels price rises and legislation.

Características do gás durante a gasificação de biomassa em leito fluidizado

Durante os últimos anos, a procura mundial de recursos energéticos renováveis tem sofrido um grande aumento. Neste grupo insere-se a biomassa, cuja conversão termoquímica, principalmente através de tecnologias de combustão e gasificação, é utilizada para a produção de energia térmica e elétrica. No processo de gasificação de biomassa é possível obter um combustível gasoso secundário com variadas aplicações, podendo inclusive servir como substituto do gás natural. No entanto, ao contrário da combustão, esta tecnologia aplicada à biomassa ainda está em fase de demonstração a nível industrial, apresentando algumas limitações em alguns aspetos tecnológicos, entre os quais a qualidade do gás produzido. Neste contexto, e com o objetivo de contribuir para o conhecimento da aplicabilidade desta tecnologia, surge o presente trabalho, onde a caracterização e definição das condições de operação de um gasificador de biomassa, bem como a caracterização do gás produzido foram objeto de estudo. Foi realizado um conjunto de experiências de gasificação direta, num reator de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, com dois tipos de biomassa tipicamente encontrados em Portugal, e para diferentes condições de operação do gasificador, nomeadamente no que diz respeito à razão de equivalência. A biomassa utilizada consistiu em pellets comerciais de madeira e estilha de biomassa florestal residual derivada de pinheiro (Pinus pinaster), e resultante de operações florestais em Portugal. Na gama de temperatura do leito aplicada, tipicamente entre 800ºC e 875ºC, o reator funcionou em condições auto térmicas, isto é, sem a necessidade de recorrer a uma fonte de calor auxiliar externa. Em relação à composição do gás seco durante o processo de gasificação, os gases presentes em maior percentagem (em volume), para as experiências com ambos os tipos de biomassa, são o CO2 e o CO, com o primeiro a registar valores médios entre os 13.4% e os 16%, e o segundo entre 11.3% e 16.3%. Por ordem decrescente de concentração encontra-se o H2, na gama de 5.8% a 12.7%, o CH4 com valores médios entre 2.8% e 4.5%, e o C2H4 com concentrações médias entre 1.0% e 2.2%. Importa referir ainda a ausência de O2 no gás produzido. Verificou-se na concentração de H2, a principal diferença na composição do gás seco relativamente à gasificação dos dois combustíveis utilizados, com valores de concentração inferiores durante a operação com estilha de biomassa florestal residual derivada de pinheiro. Nas várias experiências realizadas, e para as condições operatórias utilizadas, observou-se que a razão de equivalência (RE) exerce um efeito significativo na composição do gás, verificando-se, genericamente, que com o aumento da RE a concentração de gases combustíveis diminui. Os valores de Poder Calorífico Inferior (PCI) obtidos para o gás seco produzido encontram-se na gama 3.4-5.6 MJ/Nm3, sendo que os valores mais elevados foram registados no decorrer dos ensaios de gasificação com pellets de madeira. Para ambos os combustíveis, o PCI do gás seco diminui com o aumento da RE.

Características de cinzas e sua aplicação no tratamento de gases durante a gasificação de biomassa

Na procura de melhores combustíveis para a produção de energia térmica e energia elétrica, a biomassa apresenta-se como uma das fontes de energia renováveis menos prejudiciais ao meio ambiente, esta é considerada como um recurso neutro do ponto de vista de emissões de dióxido de carbono. Atualmente, a tecnologia predominante no domínio da conversão energética de biomassa por via termoquímica é a combustão. Contudo, verifica-se a procura de combustíveis de melhor qualidade produzidos a partir de biomassa, como por exemplo na forma gasosa (gás de combustível). A produção deste tipo de combustíveis gasosos envolvendo processos de gasificação carece do desenvolvimento de tecnologia que permita obter um gás combustível com características adequadas às utilizações pretendidas. Os problemas mais relevantes relacionados com a conversão termoquímica da biomassa incluem a produção de cinzas e de alcatrões, estes podem levar a vários problemas operatórios. O presente trabalho teve dois objetivos, a caracterização das cinzas resultantes do processo de combustão de biomassa e o estudo do efeito da aplicação das cinzas para melhorar as propriedades do gás produzido durante o processo de gasificação de biomassa, principalmente na redução de compostos condensáveis (alcatrões). As cinzas volantes da combustão de biomassa analisadas apresentam na sua constituição elementos químicos característicos da biomassa, onde o cálcio apresenta-se em concentrações mais elevadas. Em menores concentrações encontram-se sódio, magnésio, fósforo, enxofre, cloro, potássio, manganês e ferro. As cinzas de fundo, pelo contributo que a areia do leito tem, são caracterizadas por conterem grandes concentrações de silício. Durante os processos de gasificação de biomassa a concentração de compostos condensáveis diminuiu com o aumento da razão de equivalência. As cinzas, colocadas no reator de leito fixo, apresentam um efeito positivo sobre a qualidade do gás, nomeadamente um aumento de 47,8% no teor de H2 e de 11% de CO, consequentemente obteve-se um gás combustível com PCI (poder calorífico inferior) mais elevado.

Gasificação de biomassa num reator de leito fluidizado à escala piloto

A gasificação de biomassa permite a produção de um gás combustível com capacidade para reduzir o consumo de combustíveis fósseis. Contudo, para promover a utilização deste processo a nível industrial é necessário ultrapassar diversas limitações e elaborar tecnologias de gasificação que sejam mais rentáveis e eficientes. No presente trabalho efetuou-se a gasificação direta com ar, num reator auto-térmico com um leito fluidizado borbulhante, de diferentes tipos de biomassa provenientes da floresta portuguesa, nomeadamente pellets de madeira e diferentes tipos de biomassa florestal residual derivada de eucalipto. A investigação foi realizada numa instalação à escala piloto localizada no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro. A infraestrutura foi desenvolvida de modo a permitir o estudo do processo de gasificação de biomassa. O reator utilizado apresenta 3 metros de altura, consistindo a câmara de gasificação em 2.25 metros, 0.25 metros de diâmetro interno e uma potência entre 40 e 70 kWth. O leito é composto por areia (partículas com granulometria entre os 355 e 1000 µm) e tem uma altura de 0.23 m. A infraestrutura experimental oferece condições para efetuar a gasificação de biomassa, determinar a composição do gás produzido em termos de CO, CO2, H2, N2, CH4 e C2H4 e efetuar a sua combustão num queimador localizado a jusante do reator. O leito fluidizado operou com temperaturas médias entre os 700 e 850ºC. Para as razões de equivalência estabelecidas, entre 0.17 e 0.36, o gás seco apresentou uma composição que, em termos volumétricos e em função das condições operatórias, variou entre 14.0 a 21.4% CO, 14.2 a 17.5% CO2, 3.6 a 5.8% CH4, 1.3 a 2.4% C2H4, 2.0 a 10.2% H2 e 48.9 a 61.1% N2. A maior concentração de CO, CH4 e C2H4 foi observada durante a gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.17, contudo, a maior concentração de H2 foi obtida na gasificação de pellets de madeira com razão de equivalência de 0.25. Tendo em conta a composição gasosa, o poder calorífico inferior do gás seco encontrou-se entre 4.4 e 6.9 MJ/Nm3 e os valores mais elevados foram observados durante os processos de gasificação efetuados com menor razão de equivalência. A produção específica de gás variou entre 1.2 e 2.2 Nm3/kg biomassa bs, a eficiência do gás arrefecido entre 41.1 e 62.6% e a eficiência de conversão de carbono entre 60.0 e 87.5%, encontrando-se na gama dos valores reportados na literatura. A melhor condição, em termos da eficiência de gás arrefecido, consistiu na gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.25, e em termos da produção específica de gás seco e eficiência de conversão de carbono, na gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.35. Contudo, o gás com maior poder calorífico inferior foi obtido durante a gasificação de biomassa residual florestal derivada de eucalipto com razão de equivalência de 0.17. O reator demonstrou adequabilidade na gasificação de diferentes tipos de biomassa e foram observadas condições estáveis de operação, tanto em termos de temperatura como da composição do gás produzido. Geralmente, o gás apresentou propriedades combustíveis apropriadas para ser comburido de forma contínua e estável pelo queimador de gás, sem ser necessária uma fonte de ignição permanente ou a utilização de um combustível auxiliar.

Oxy-steam gasification of biomass for hydrogen rich syngas production using downdraft reactor configuration

The paper focuses on the use of oxygen and steam as the gasification agents in the thermochemical conversion of biomass to produce hydrogen rich syngas, using a downdraft reactor configuration. Performance of the reactor is evaluated for different equivalence ratios (ER), steam to biomass ratios (SBR) and moisture content in the fuel. The results are compared and evaluated with chemical equilibrium analysis and reaction kinetics along with the results available in the literature. Parametric study suggests that, with increase in SBR, hydrogen fraction in the syngas increases but necessitates an increase in the ER to maintain reactor temperature toward stable operating conditions. SBR is varied from 0.75 to 2.7 and ER from 0.18 to 0.3. The peak hydrogen yield is found to be 104g/kg of biomass at SBR of 2.7. Further, significant enhancement in H-2 yield and H-2 to CO ratio is observed at higher SBR (SBR=1.5-2.7) compared with lower range SBR (SBR=0.75-1.5). Experiments were conducted using wet wood chips to induce moisture into the reacting system and compare the performance with dry wood with steam. The results clearly indicate the both hydrogen generation and the gasification efficiency ((g)) are better in the latter case. With the increase in SBR, gasification efficiency ((g)) and lower heating value (LHV) tend to reduce. Gasification efficiency of 85.8% is reported with LHV of 8.9MJNm(-3) at SBR of 0.75 compared with 69.5% efficiency at SBR of 2.5 and lower LHV of 7.4 at MJNm(-3) at SBR of 2.7. These are argued on the basis of the energy required for steam generation and the extent of steam consumption during the reaction, which translates subsequently in the LHV of syngas. From the analysis of the results, it is evident that reaction kinetics plays a crucial role in the conversion process. The study also presents the importance of reaction kinetics, which controls the overall performance related to efficiency, H-2 yield, H-2 to CO fraction and LHV of syngas, and their dependence on the process parameters SBR and ER. Copyright (c) 2013 John Wiley & Sons, Ltd.