[pt] Devido aos efeitos nocivos dos combustíveis de origem fóssil, cresceu o interesse no uso de fontes sustentáveis de energia, em particular os derivados da biomassa. O presente trabalho consiste no desenvolvimento de uma ferramenta de modelagem computacional da composição da mistura gasosa, chamado gás de síntese ou syngas resultante da gaseificação, baseado no equilíbrio termodinâmico. Assim, são avaliadas a flexibilidade, a confiabilidade e a estabilidade computacional das abordagens de equilíbrio estequiométrico e de minimização da energia livre de Gibbs para determinação das composições do syngas formado no processo. São investigados a influência da umidade relativa da biomassa (0, 20 e 40 por cento em base mássica), da temperatura de gaseificação (800, 1100 e 1400 K), da razão ar combustível em relação a estequiometria (0,2, 0,3 e 0,4) e da quantidade de oxigênio no agente de gaseificação (oxigênio puro, ar ou mistura equimolar dos dois) na composição do syngas, bem como nas eficiências energética e exergética, para biomassas compostas de carbono, oxigênio e hidrogênio. O melhor modelo é usado para otimizar a concentração de agente oxidante e de temperatura que maximizem a eficiência energética para biomassas com 20 por cento de umidade relativa no ar. Esses dados, estão usados para desenvolver modelos matemáticos preditivos usando o conceito de análise de misturas, cuja robusteza é avaliada por análise de variância (ANOVA). Esses resultados estão comparados com as simulações realizadas em um modelo teórico considerando a cinética das reações. Observou-se que o método usando a minimização da energia livre de Gibbs apresentou os melhores resultados para uma aproximação inicial, se tornando uma boa ferramenta para a fase de projeto. No entanto, é necessário desenvolvimento de outros modelos como cinético, CFD ou RNA para análises precisas da gaseificação. / [en] Due to the harmful effects of fossil fuels, interest in the use of sustainable energy sources, in particular those derived from biomass, has grown. The present work consists in the development of a computational modeling tool for the composition of the gas mixture, called synthesis gas or syngas resulting from gasification, based on thermodynamic equilibrium. Thus, the flexibility, reliability and computational stability of the stoichiometric equilibrium and Gibbs free energy minimization approaches are evaluated to determine the compositions of the syngas formed in the process. The influence of biomass relative humidity (0, 20 and 40 percent on mass basis), gasification temperature (800, 1100 and 1400 K), fuel air ratio related to stoichiometry (0.2, 0.3, 0.4) and the amount of oxygen in the gasification agent (pure oxygen, air or equimolar mixture of the two) are investigated in the composition of the syngas, as well as in the energy and exergy efficiencies, for biomasses composed of carbon, oxygen and hydrogen. The best model is used to optimize the oxidizing agent concentration and temperature that maximize energy efficiency for biomass with 20 percent relative humidity in the air. These data are used to develop predictive mathematical models using the concept of analysis of mixtures, whose robustness is assessed by analysis of variance (ANOVA). These results are compared with simulations performed in a theoretical model considering the reaction kinetics. the method using Gibbs free energy minimization presented the best results for an initial approximation, becoming a good tool for a design phase. However, it is necessary to develop other models such as kinetic, CFD or RNA for accurate gasification analysis.

[pt] Esta tese tem como objetivo encorajar o desenvolvimento da tecnologia híbrida de lixo-energia e sua aplicação em países com acesso a reservas de gás natural, tal como o Brasil. O método consiste em avaliá-la por meio de uma análise integrada de indicadores de desempenho energético, exergético, econômico e ambiental. A tecnologia inclui dois ciclos integrados: um ciclo superior e um inferior que interagem por meio de uma caldeira de recuperação. O lixo urbano não reciclável, in natura, alimenta o ciclo inferior na caldeira de lixo enquanto o gás natural alimenta o ciclo superior na turbina a gás. O objetivo da modelagem destes sistemas consiste em propor um layout de máxima eficiência aliado a um custo acessível de produção de eletricidade/tratamento do lixo, o que é atingido com um design otimizado. O desempenho termodinâmico mais eficiente é proporcional ao percentual de gás natural, isto é, quanto maior a quantidade de lixo em relação ao gás, menos eficiente é a planta, uma vez que o lixo tem menor poder calorífico. Portanto, o desafio é buscar uma maior eficiência com maior percentual de lixo, aliando também o aspecto custo. De uma forma geral, dois cenários coexistem no mundo atual, o dos países desenvolvidos e o dos países em desenvolvimento. Os primeiros possuem inúmeras aplicações de usinas não híbridas, poucas reservas próprias de gás natural e enfrentam redução na produção de lixo, causando a sub-utilização dos sistemas. Esta tese traz uma análise completa de potenciais alternativas para re-potenciamento de plantas sub-utilizadas, demonstrando o quão pior é o seu desempenho em comparação com o ciclo otimizado. Nos países em desenvolvimento ocorre o inverso: há crescente geração de resíduos, reservas pouco exploradas de gás natural e nenhuma usina lixo-energia. Portanto, existe um grande potencial para implantação de usinas híbridas, as quais, conforme a tese demonstra, são uma alternativa muito mais razoável do que implantar usinas convencionais não híbridas. / [en] This thesis aims to foster the development of hybrid waste-energy technology and its application in countries with access to natural gas reserves, such as Brazil. The method consists of evaluating it through an integrated analysis of energy, exergy, economic and environmental indicators. The investigated system consists of a topping and a bottoming cycle integrated through a heat recovery boiler. Raw non-recyclable urban waste feeds the waste boiler while natural gas feeds a gas turbine. The goal is to propose a cycle with high efficiency able to generate electricity/treat waste within affordable costs, which is achieved with an optimized design. The cycle s performance is proportional to the share of natural gas thermal input, that is, the greater the amount of waste the lower the efficiency (waste has lower calorific value). Therefore, the challenge is to seek greater efficiency with higher percentage of waste, including also the cost aspect. In general, there are two scenarios in the world: developed and developing countries. The former has several non-hybrid plants, few natural gas reserves and face reduced waste production, causing underutilization of the existing systems. This thesis provides a complete analysis of potential alternatives for re-potentiation of underutilized plants, demonstrating how worse their performance is compared to the optimized cycle. On the other hand, developing countries present increasing waste generation, under exploited reserves of natural gas and zero waste-to-energy plants. Therefore, there is a great potential for building hybrid waste-to-energy systems, which this work demonstrates are a much more reasonable alternative than nonhybrid conventional waste-to-energy plants.

[pt] A otimização de processos industriais é uma estratégia para mitigar o impacto ambiental das atividades produtivas. Isso envolve a aplicação de conhecimentos multidisciplinares para aprimorar a eficiência dos processos industriais, reduzindo assim o consumo de recursos naturais, as emissões de poluentes e o desperdício de materiais. A análise exergética tem sido abordada de maneira abrangente na literatura, com inúmeros estudos focados nesse tema. Áreas de pesquisa mais presentes incluem a análise de processos industriais, otimização de sistemas de geração e distribuição de energia, e avaliação da eficiência energética em sistemas de transporte e edifícios. A literatura oferece uma ampla gama de estudos de análise exergética realizados para o forno elétrico a arco (EAF) utilizado na produção de aço. No entanto, há uma necessidade de mais pesquisas voltadas para a aplicação da análise exergética do processo de refino em forno-panela (FP), que representa a segunda etapa do refino secundário na indústria do aço. Um programa em linguagem Python usando o Jupyter notebook foi desenvolvido para calcular o balanço de massa, energético e exergético do refino de aço em forno-panela. Os dados termodinâmicos foram obtidos da base de dados SSUB3 do Thermo-Calc. Os dados reais utilizados foram fornecidos por uma siderúrgica semi-integrada, garantindo a relevância e validade dos resultados. As eficiências energéticas e exergéticas encontradas foram de 92,9 por cento e 90,1 por cento. Os valores de eficiência são surpreendentes pois revelam que o forno em análise está otimizado. As otimizações foram conduzidas para examinar variações na massa de argônio, temperatura de entrada de argônio e potência ativa do eletrodo. As variações destes parâmetros revelaram pequenos impactos na eficiência do processo, proporcionando ideias para aprimoramentos efetivos. / [en] The optimization of industrial processes is an interesting strategy to mitigate the environmental impact of productive activities. It involves applying multidisciplinary knowledge to improve the efficiency of industrial processes, thereby reducing the consumption of natural resources, pollutant emissions, and material waste. Exergy analysis has been extensively addressed in the literature, with numerous studies focused on this topic. The most prevalent research areas include analyzing industrial processes, optimizing energy generation and distribution systems, and assessing energy efficiency in transportation systems and buildings. The literature provides various exergy analysis studies conducted for electric arc furnaces (EAF) used in steel production. However, there is a need for more research focused on applying exergy analysis to the ladle furnace (LF) refining process, which represents the second stage of secondary steel refining in the industry. A Python program using Jupyter Notebook was developed to calculate steel refinement s mass, energy, and exergy balances in a ladle furnace. Thermodynamic data were obtained from the SSUB3 database of Thermo-Calc. A semi-integrated steel mill provided the actual data used, ensuring the results relevance and validity. The energy and exergy efficiencies found were 92.9 percent and 90.1 percent, respectively. These efficiency values are surprising, as they reveal that the furnace under analysis is already optimized. Optimizations were conducted to examine variations in argon s mass and inlet temperature, as well as electrode active power. The parameters variations revealed minor impacts on process efficiency, providing insights for effective improvements.