[pt] A partir das equações fundamentais da teoria clássica das misturas, é proposto um modelo simplificado, em regime pseudo-estacionário e isotérmico, da gaseificação do carvão sofrendo gaseificação com vapor dágua é analisada por meio de balanços diferenciais de conservação de massa de cada espécie química. O modelo leva em conta as reações do vapor dágua com o carbono e o monóxido de carbono. Estas duas reações aparecem no modelo como condições de contorno lineares, que englobam fenômenos intraparticulares, os quais são agrupados à superfície. As condições ambientais são consideradas constantes. Também são incluídas equações diferenciais que permitem calcular a taxa de consumo de vapor dágua e calor, a taxa de gaseificação e a taxa de geração de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio. Por meio de simulação digital foi possível estudarem-se os efeitos, sobre o processo, da granulometria, temperatura e fração volumétrica de vapor dágua no meio ambiente. As equações cinéticas utilizadas neste trabalho são aquelas do carvão de charqueadas, Rio Grande do Sul, Brasil. / [en] A simplified model for steady, isothermal diffusion in the layer surrounding a spherical carbon particle undergoing steam gasification process is considered by way of the classical theory of reacting fluid mixtures. The model accounts for the steam – carbon reaction and the steam – carbon monoxide reaction. These two reactions appear in the model as linear boundary conditions that comprise the intraparticle effects, which are lumped at the surface. The ambient conditions are assumed to be constant. Differential equations for the calculation of steam and heat rate consumption, carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen rate generation and rate of gasification are also included. By means of digital simulation it was possible to study the effects of particle radius, temperature and steam concentration on the process. The kinect equations used in this paper are those of coal from Charqueadas, State of Rio Grande do Sul, Brasil.

[pt] O Revestimento Gasto de Cuba, comumente conhecido pelas suas siglas em inglês como SPL (spent potliner), é um resíduo gerado na indústria de alumínio, indicado como o maior problema ambiental ligado a esta indústria. O SPL é formado por duas frações: carbonácea e refratária. Segundo a Norma Brasileira NBR 10004, o SPL é classificado como resíduo perigoso (K088) devido ao fato de possuir elevadas concentrações de cianetos (complexos). O presente trabalho busca desenvolver métodos para melhorar o gerenciamento do SPL, principalmente fazer uma caracterização química de acordo com as leis Brasileiras. E também desenvolver um método para tratar a fração carbonácea do SPL. Segundo as análises químicas, apenas a fração carbonácea do SPL foi classificada como Resíduo Classe I (resíduo perigoso), enquanto os materiais refratários foram classificados como Resíduo Classe II-A (resíduo não perigoso). A classificação e segregação do SPL permitiram à Valesul a recuperação e reutilização deste resíduo, manifestando-se em ganhos econômicos estimados em R00000/ano e na redução de 4% na geração de SPL. A fração carbonácea do SPL foi caracterizada mediante o uso de microscopia ótica, MEV/EDS, DRX e TG. A fração carbonácea foi tratada em um Sistema de Gaseificação e Combustão Combinadas (GCC) em escala piloto. Neste processo a destruição dos compostos de cianetos foi maior que 86%. A temperatura no reator de combustão, inicialmente foi de 1000oC (operando com lenha), elevando-se para temperaturas maiores que 1250oC depois de alimentado o SPL, mostrando que é possível recuperar quantidades apreciáveis de energia. Neste processo atingiu-se a gaseificação de aproximadamente 21% do SPL. Os resultados mostraram que o tratamento do SPL por gaseificação é um processo alternativo, com potencial para seguir sendo desenvolvido. Mediante testes em forno tubular (escala de bancada) foi determinado que a volatilização de fluoretos do SPL ocorre em temperaturas maiores a 850oC. / [en] Spent Potliner (SPL) is a residue from the primary aluminium production. It is indicated as the major environmental problem in the aluminum industry. SPL is formed by two fractions: Carbonaceous and refractory. According to Brazilian Standards NBR 10004, the SPL is listed as hazardous waste (K088) because it contains high levels of cyanides (complex). The present work has as objective to develop methods to improve SPL management, mainly carrying out a chemical characterization according Brazilian regulations and to develop a method to treat the SPL carbonaceous fraction. According to the chemical analysis only a carbonaceous fraction was listed as Resíduo Classe I (hazardous waste), while the refractory materials were listed as Resíduo Classe II-A (no hazardous waste). The SPL classification and segregation allow Valesul to recovery and reuse this waste, it reveals in an earning calculated in R00000/year and 4% reduction of SPL generation. SPL carbonaceous fraction was characterized by optical microscopy, SEM/EDS, XRD and TGA. SPL carbonaceous fraction was treated in a Gasification and Combustion Combined System (GCC). In this process, cyanide destruction was higher than 86%. In the GCC process was registered an increase in the combustion reactor temperature, initially it was 1000oC (operating with wood) and after the SPL feeding it increased above 1250oC. In this process was obtained approximately 21% of SPL gasification. The results showed that the gasification is a potential alternative process to treat SPL and it should be improved. Tubular furnace tests (laboratory scale) for SPL combustion showed that the fluorides volatilization occurs at temperatures higher than 850oC.

[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] A industrialização e a crescente preocupação com o meio ambiente geram, cada vez mais, a busca por fontes de energia que emitam menos gases efeito estufa. A biomassa, devido a sua grande ocorrência ao redor do mundo e a sua diversidade, é uma forte alternativa aos combustíveis fósseis. Sua gaseificação gera um combustível gasoso chamado syngas. A problemática no manejo dos resíduos sólidos urbanos (RSU) e a grande disponibilidade do bagaço de cana-de-açúcar no Brasil fizeram deles tipos de biomassa de interesse para este trabalho. Objetivou-se simular no MATLAB® a gaseificação cocorrente de biomassa com ar a partir de uma abordagem cinética. O modelo foi validado com dados da literatura e aplicado à simulação da co-gaseificação de RSU e bagaço de cana-de-açúcar, na qual a razão de co-gaseificação (RCG) representou a percentagem de RSU na biomassa de entrada. Um planejamento composto central com 3 fatores e 3 níveis foi realizado, resultando em 27 ensaios variando os fatores RCG, umidade da biomassa e razão de equivalência. Foram criados modelos polinomiais para a composição do syngas obtido, o PCI do syngas, a eficiência energética do processo e a soma das frações molares de CO e H2 em base úmida. Os modelos foram considerados robustos, com valores de R2 e R2 ajustado variando de 0,96082 a 0,99345 e 0,94007 a 0,98998, respectivamente. O impacto dos fatores escolhidos nas respostas foi analisado, e os modelos de eficiência energética e soma das frações molares de CO e H2 foram maximizados. O caso otimizado, com RCG 7,98 porcento, umidade 5,00 porcento e razão de equivalência 0,18, resultou em um syngas de composição 3,72 porcento H2O, 29,68 porcento CO, 7,87 porcento CO2, 19,07 porcento H2 e 0,80 porcento de CH4 em mol, correspondendo a um PCI de 6,56 MJ/Nm3 e uma eficiência energética de 37,66 porcento. Por fim, o processo demonstrou bom potencial para geração de um gás rico em CO e H2. / [en] Industrialization and growing environmental concern are increasingly leading to the search for energy sources that emit less greenhouse gases. Biomass, due to its great accessibility around the world and its diversity, is a strong alternative to fossil fuels. Its gasification produces a gaseous fuel called syngas. The urban solid waste (MSW) management problems and the wide availability of sugarcane bagasse in Brazil made them types of biomass of interest for this work. This work aimed to model biomass gasification in MATLAB ® for a downdraft gasifier and air as gasifying agent, using a kinetic approach. The model was validated with experimental and numerical data from the literature and was then applied to MSW and sugarcane bagasse co-gasification simulation, in which co-gasification ratio (CGR) represented MSW percentage in the incoming biomass. A central composite design of experiments with 3 factors and 3 levels was carried out, resulting in 27 tests varying CGR, biomass moisture and equivalence ratio. Polynomial models were created for syngas composition, syngas LHV, process energy efficiency and sum of CO and H2 molar fractions on a wet basis. The models were considered robust, with values of R2 and adjusted R2 ranging from 0,96082 to 0,99345 and 0,94007 to 0,98998, respectively. The impact of each chosen factor was investigated, and the energy efficiency and sum of CO and H2 molar fractions models were maximized. The optimized case, with CGR 7,98 percent, biomass moisture 5,00 percent and equivalence ratio 0,18, resulted in a syngas composition of 3,72 percent H2O, 29,68 percent CO, 7,87 percent CO2, 19,07 percent H2 and 0,80 percent CH4 in molar basis, corresponding to a LHV of 6,56 MJ/Nm3 and an energy efficiency of 37,66 percent. By the end, the process showed great potential to produce a syngas rich in CO and H2.