Avaliação termodinâmica, termoeconômica e econômica da integração de sistemas de gaseificação da biomassa em uma usina sucroalcooleira

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

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).

Geração de hidrogênio por gaseificação de biomassa em água supercrítica integrada com unidade termoelétrica.

2015

Ciclo combinado com gaseificação integrada de biomassa – análise de penalidade exergética de emissão de CO2

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

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

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo da emissão e do controle dos gases e particulados provenientes da queima de biomassa

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

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

Estudo das características fluidodinâmicas do bagaço de cana de açúcar para aplicações da gaseificação no setor sucroalcooleiro

In this work is studied the fluid dynamic characteristics of sugarcane bagasse for gasification applications and use of syngas in the sugarcane sector. This is an experimental work, which is initially performed the particle size separation of sugarcane bagasse particles, using appropriate equipment. Through the experiment is possible to determine the average diameter of particles pomace typical sugarcane mill. The equipment used for the grading sieve separation assembly consists of several dimensions, arranged vertically and which shows adequate for good separation from the pulp. Later, it makes immediate analysis for the determination of moisture, ash, volatile materials and fixed carbon. The study also determines the gross calorific value and allows analysis of densities of particles of sugar cane bagasse. Also studied the bagasse morphology using electron microscopes, where it was possible to visualize the geometry of the particles of bagasse. The use of Electronic Scanning Microscopy (SEM) provided better understand the morphology and particle size measured by using photography methods. Two methods for determining the sphericity of the particles were also used. The experiments carried out using appropriate standards and specific equations, allowing compare the present results with the values found by several researchers. Subsequently, fluid dynamic simulations were performed for the determination of porosity and minimum fluidization velocity theoretical. It follows that the sphericity and porosity of the bagasse particles influence the minimum fluidization velocity of biomass

Analise técnica, econômica e ecológica da incorporação de sistemas de gaseificação de bagaço de cana-de-açúcar no setor sucroalcooleiro: uso de ciclos combinados para o aumento da oferta de eletricidade

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

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

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.

Evaluation of thermochemical biomass conversion in fluidized bed

Dado o aumento acelerado dos preços dos combustíveis fósseis e as incertezas quanto à sua disponibilidade futura, tem surgido um novo interesse nas tecnologias da biomassa aplicadas à produção de calor, eletricidade ou combustíveis sintéticos. Não obstante, para a conversão termoquímica de uma partícula de biomassa sólida concorrem fenómenos bastante complexos que levam, em primeiro lugar, à secagem do combustível, depois à pirólise e finalmente à combustão ou gasificação propriamente ditas. Uma descrição relativamente incompleta de alguns desses estágios de conversão constitui ainda um obstáculo ao desenvolvimento das tecnologias que importa ultrapassar. Em particular, a presença de elevados conteúdos de matéria volátil na biomassa põe em evidência o interesse prático do estudo da pirólise. A importância da pirólise durante a combustão de biomassa foi evidenciada neste trabalho através de ensaios realizados num reator piloto de leito fluidizado borbulhante. Verificou-se que o processo ocorre em grande parte à superfície do leito com chamas de difusão devido à libertação de voláteis, o que dificulta o controlo da temperatura do reator acima do leito. No caso da gasificação de biomassa a pirólise pode inclusivamente determinar a eficiência química do processo. Isso foi mostrado neste trabalho durante ensaios de gasificação num reator de leito fluidizado de 2MWth, onde um novo método de medição permitiu fechar o balanço de massa ao gasificador e monitorizar o grau de conversão da biomassa. A partir destes resultados tornou-se clara a necessidade de descrever adequadamente a pirólise de biomassa com vista ao projeto e controlo dos processos. Em aplicações de engenharia há particular interesse na estequiometria e propriedades dos principais produtos pirolíticos. Neste trabalho procurou-se responder a esta necessidade, inicialmente através da estruturação de dados bibliográficos sobre rendimentos de carbonizado, líquidos pirolíticos e gases, assim como composições elementares e poderes caloríficos. O resultado traduziu-se num conjunto de parâmetros empíricos de interesse prático que permitiram elucidar o comportamento geral da pirólise de biomassa numa gama ampla de condições operatórias. Para além disso, propôs-se um modelo empírico para a composição dos voláteis que pode ser integrado em modelos compreensivos de reatores desde que os parâmetros usados sejam adequados ao combustível ensaiado. Esta abordagem despoletou um conjunto de ensaios de pirólise com várias biomassas, lenhina e celulose, e temperaturas entre os 600 e 975ºC. Elevadas taxas de aquecimento do combustível foram alcançadas em reatores laboratoriais de leito fluidizado borbulhante e leito fixo, ao passo que um sistema termo-gravimétrico permitiu estudar o efeito de taxas de aquecimento mais baixas. Os resultados mostram que, em condições típicas de processos de combustão e gasificação, a quantidade de voláteis libertada da biomassa é pouco influenciada pela temperatura do reator mas varia bastante entre combustíveis. Uma análise mais aprofundada deste assunto permitiu mostrar que o rendimento de carbonizado está intimamente relacionado com o rácio O/C do combustível original, sendo proposto um modelo simples para descrever esta relação. Embora a quantidade total de voláteis libertada seja estabelecida pela composição da biomassa, a respetiva composição química depende bastante da temperatura do reator. Rendimentos de espécies condensáveis (água e espécies orgânicas), CO2 e hidrocarbonetos leves descrevem um máximo relativamente à temperatura para dar lugar a CO e H2 às temperaturas mais altas. Não obstante, em certas gamas de temperatura, os rendimentos de algumas das principais espécies gasosas (e.g. CO, H2, CH4) estão bem correlacionados entre si, o que permitiu desenvolver modelos empíricos que minimizam o efeito das condições operatórias e, ao mesmo tempo, realçam o efeito do combustível na composição do gás. Em suma, os ensaios de pirólise realizados neste trabalho permitiram constatar que a estequiometria da pirólise de biomassa se relaciona de várias formas com a composição elementar do combustível original o que levanta várias possibilidades para a avaliação e projeto de processos de combustão e gasificação de biomassa.

Simulação da produção e combustão de gás de síntese oriundo de gaseificadores de leite fixo

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

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

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG