Orientador: Camila de Almeida Melo / Coorientador: Altair Benedito Moreira / Banca: Maurício Boscolo / Banca: Odair Pastor Ferreira / Resumo: O processamento da cana-de-açúcar para a produção do etanol e do açúcar vem crescendo a cada ano no Brasil, gerando grandes quantidades de subprodutos de biomassa, a destacar a vinhaça e o bagaço de cana. O principal uso dessas biomassas é na geração de energia (bagaço de cana) e na fertirrigação (vinhaça). Porém a busca por novas alternativas de utilização do bagaço de cana e da vinhaça são necessárias na tentativa de agregar ainda mais valor a estes subprodutos. Sendo assim, estes subprodutos podem ser utilizados no processo de carbonização hidrotérmica (CHT), uma técnica capaz de converter termicamente a biomassa úmida em um material sólido rico em carbono, denominado carvão hidrotérmico. Devido às características físico-químicas do carvão hidrotérmico, diversas aplicações têm sido sugeridas, sendo umas delas o uso como possível fertilizante. No processo de CHT, também é gerada uma fração líquida denominada água de processo. Conhecer a composição orgânica do carvão hidrotérmico e da água de processo é fundamental para entender os efeitos do uso do carvão hidrotérmico como um fertilizante e para propor um destino adequado para a água de processo. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo fazer um screening inicial dos principais compostos orgânicos presentes no carvão hidrotérmico e na água de processo, utilizando um espectrômetro de massas com ionização por electrospray (ESI-MS), seguido da identificação dos compostos orgânicos não voláteis, utilizando... / Abstract: The processing of sugarcane for ethanol and sugar production has been growing every year in Brazil, generating large quantities of biomass by-products, including vinasse and sugarcane bagasse. The main use of these biomasses is for energy generation (sugarcane bagasse) and fertigation (vinasse). However the search for new alternatives of sugarcane bagasse and vinasse uses are necessary in an attempt to add even more value to these byproducts. Thus, these by-products can be used in the hydrothermal carbonization (HTC) process, a technique capable to convert thermally the wet biomass into a solid carbon-rich material called hydrochar. Due to the physical-chemical characteristics of the hydrochar, several applications have been suggested, one of them being the use as a possible fertilizer. In the HTC process, a liquid fraction called process water is also generated. Knowing the organic composition of hydrochar and process water is fundamental to understand the effects of the use of hydrochar as a fertilizer and to propose a suitable destination for process water. In this context, the present work aimed to perform an initial screening of the main organic compounds present in hydrochar and process water using an electrospray ionization mass spectrometer (ESI-MS), followed by the identification of the non-volatile organic compounds, using gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS). From the results obtained by ESI-MS analysis, it can be concluded that the conditions of ... / Mestre

As propriedades de pellets de biomassa utilizados como combustíveis são essenciais para o desempenho em processos termoquímicos, tais como combustão, gaseificação e pirólise. Estas propriedades podem afetar aspectos relacionados ao transporte, estocagem, manuseio, conversão de energia, emissões de gases no meio ambiente, bem como variáveis a serem controladas durante o processo de pelletização, influenciando diretamente o consumo de energia e os custos para a sua produção. Este trabalho apresenta um estudo realizado em uma indústria brasileira de produção de pellets de bagaço de cana-de-açúcar para determinação das principais propriedades do produto final e das variáveis do processo de produção. O objetivo deste trabalho é caracterizar, dentro do processo de pelletização, as principais propriedades físicas, químicas e mecânicas da matéria prima e do produto final, bem como conhecer os fluxos de massa, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo. Como primeira parte dos resultados, concluiu-se que as propriedades de pellets de bagaço de cana-de-açúcar analisadas, tais como diâmetro, comprimento, umidade, densidade, durabilidade, quantidade de finos, poder calorífico, elementos químicos e teor de cinzas, não estão em total conformidade com outros trabalhos científicos realizados e com normas internacionais de comercialização e de qualidade de pellets de biomassa. Em segundo lugar, pôde-se conhecer a taxa de consumo de matéria prima e de produção de pellets, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo de produção como secagem, moagem e pelletização. Por fim, foi encontrada uma função matemática em que o consumo de energia e os custos de produção crescem de maneira exponencial com a variação de umidade da matéria prima. / Properties of pellets used as biomass fuels are essential to the performance of thermochemical processes, such as combustion, gasification and pyrolysis. These properties can affect aspects related to transportation, storage, handling, power conversion, emissions into the environment as well as variables to be controlled during the pelletizing process, directly influencing the energy consumption and production cost. This paper presents a study in a Brazilian industry of sugarcane bagasse pellets in order to determine the main properties of pellets and process variables. The objective of this work is to characterize within the pelletizing process the main physical, chemical and mechanical properties on the raw material and final product, as well as knowing the mass flows, energy consumption and cost involved in each step of the process and its variations. As the first part of the results, it was conclude that the properties of the sugarcane bagasse pellets analyzed as diameter, length, moisture, density, durability, amount of fine, calorific value, chemical elements and ash content are not full compliance with other scientific work and international marketing standards and quality pellets biomass. Secondly, one can know the rate of material consumption and production of pellets, energy consumption and costs for each step of the production process as drying, grinding and pelletizing. Finally, a mathematical function in which the power consumption and production costs grow exponentially with the variation of moisture of the raw material entry was found.

As propriedades de pellets de biomassa utilizados como combustíveis são essenciais para o desempenho em processos termoquímicos, tais como combustão, gaseificação e pirólise. Estas propriedades podem afetar aspectos relacionados ao transporte, estocagem, manuseio, conversão de energia, emissões de gases no meio ambiente, bem como variáveis a serem controladas durante o processo de pelletização, influenciando diretamente o consumo de energia e os custos para a sua produção. Este trabalho apresenta um estudo realizado em uma indústria brasileira de produção de pellets de bagaço de cana-de-açúcar para determinação das principais propriedades do produto final e das variáveis do processo de produção. O objetivo deste trabalho é caracterizar, dentro do processo de pelletização, as principais propriedades físicas, químicas e mecânicas da matéria prima e do produto final, bem como conhecer os fluxos de massa, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo. Como primeira parte dos resultados, concluiu-se que as propriedades de pellets de bagaço de cana-de-açúcar analisadas, tais como diâmetro, comprimento, umidade, densidade, durabilidade, quantidade de finos, poder calorífico, elementos químicos e teor de cinzas, não estão em total conformidade com outros trabalhos científicos realizados e com normas internacionais de comercialização e de qualidade de pellets de biomassa. Em segundo lugar, pôde-se conhecer a taxa de consumo de matéria prima e de produção de pellets, o consumo de energia e os custos envolvidos em cada etapa do processo de produção como secagem, moagem e pelletização. Por fim, foi encontrada uma função matemática em que o consumo de energia e os custos de produção crescem de maneira exponencial com a variação de umidade da matéria prima. / Properties of pellets used as biomass fuels are essential to the performance of thermochemical processes, such as combustion, gasification and pyrolysis. These properties can affect aspects related to transportation, storage, handling, power conversion, emissions into the environment as well as variables to be controlled during the pelletizing process, directly influencing the energy consumption and production cost. This paper presents a study in a Brazilian industry of sugarcane bagasse pellets in order to determine the main properties of pellets and process variables. The objective of this work is to characterize within the pelletizing process the main physical, chemical and mechanical properties on the raw material and final product, as well as knowing the mass flows, energy consumption and cost involved in each step of the process and its variations. As the first part of the results, it was conclude that the properties of the sugarcane bagasse pellets analyzed as diameter, length, moisture, density, durability, amount of fine, calorific value, chemical elements and ash content are not full compliance with other scientific work and international marketing standards and quality pellets biomass. Secondly, one can know the rate of material consumption and production of pellets, energy consumption and costs for each step of the production process as drying, grinding and pelletizing. Finally, a mathematical function in which the power consumption and production costs grow exponentially with the variation of moisture of the raw material entry was found.

Orientador: Celso Eduardo Tuna / CoOrientador: José Luz Silveira / Banca: Eliana Vieira Canettieri / Banca: João Andrade de Carvalho Júnior / Banca: Christian Jeremi Coronado Rodriguez / Banca: Carlos Manuel Romero Luna / Resumo: O bagaço e a palha são resíduos do processamento industrial da cana-de-açúcar que constituem uma importante fonte de recurso para cogeração de energia no setor sucroalcooleiro. Os sistemas de cogeração neste setor geram potência mecânica ou elétrica e vapor, que são utilizados no próprio processo e o excedente é vendido as concessionárias de energia. Porém, estes sistemas encontram-se bem abaixo do potencial real. Uma alternativa tecnológica que poderá contribuir com a oferta de excedentes de energia elétrica é a introdução da tecnologia BIG-GT (gaseificadores de biomassa associados a turbina a gás e caldeira de recuperação). O presente trabalho, tem como objetivo o estudo termoeconômico da incorporação desta tecnologia em usinas sucroalcooleiras como alternativa para o aumento de geração de eletricidade. As análises energéticas e exergéticas foram realizadas para quatro possíveis configurações de uma usina sucroalcooleira com a integração da tecnologia BIG-GT com o objetivo de avaliar a eficiência de geração de eletricidade e vapor de processo, bem como o aproveitamento global de energia de cada uma delas. Na análise termoeconômica, é determinado o custo de produção de gás de gaseificação, eletricidade e vapor do processo no sistema proposto, assim como, tempo de recuperação do investimento. Na parte final do trabalho foi realizada a otimização multiobjetiva do sistema considerando três funções objetivo: tecnológica, econômica e ambiental, para identificar a configuração com... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Bagasse and straw are residues from the industrial processing of sugarcane that constitute an important source for cogeneration of energy in the sugar-alcohol sector. The cogeneration systems in this sector generate mechanical or electrical power and steam, which are used in the process itself and the surplus is sold to energy distribution companies. However, these systems are well below real potential. One of the technological alternatives that may improve the supply of surplus electricity is the introduction of BIG-GT technology (biomass gasifier associated with gas turbine and Heat recovery steam generator). In this work, it is proposed to conduct thermoeconomic studies of the incorporation of this technology in the sugarcane ethanol plants as an alternative to increasing the supply of electricity generation. The energetic and exergetic analyses were performed for four possible configurations of a sugarcane ethanol plant with the integration of BIG-GT technology with the objective of evaluating the efficiency of electricity generation and process steam as well as the global energy utilization of each one of them. In the thermoeconomic analysis, it is determined the cost of production of producer gas, electricity and steam of the process in the proposed system, as well as the investment payback period. In the final part of the work, it is developed the multiobjective optimization of the system considering three objective functions: technological, thermoeconomic and environmental, for identifying the configuration with better behavior. According to the results obtained in the study, it is concluded that case III and case IV are presented as the best of the proposed options / Doutor

Orientador: Maurício Boscolo / Banca: Sandra Helena da Cruz / Banca: Roberto da Silva / Resumo: No presente trabalho foi avaliada a utilização de pré-tratamentos com micro-ondas e ultrassom, associados ou não a agentes químicos, sobre o bagaço de cana-de-açúcar para posterior sacarificação enzimática para produção de açúcares fermentescíveis. Os sobrenadantes dos pré-tratamentos foram analisados por HPLC-RI para quantificação de açúcares e HPLC-UV para determinação de compostos fenólicos, provenientes da degradação da lignina e inibidores da sacarificação. Os bagaços pré-tratados foram hidrolisados com dois complexos enzimáticos fornecidos pela Novozymes, o complexo NS50012 contendo diversas enzimas como celulases, xilanases e hemicelulases e o complexo NS50013 mais específico, contendo maior atividade de -glicosidase. Verificou-se que as amostras controle tratadas com micro-ondas e ultrassom sofreram perda de massa de 3% e 1,6% respectivamente, porém, variações consideráveis ocorreram com as amostras tratadas com ácidos minerais, chegando a 55,8 % de perda de massa com ácido clorídrico, seguido do ácido nítrico, com perda de 51,5%, ambas com liberação de açúcares, como glicose e xilose. Em meio alcalino, a maior perda foi com o tratamento de NaOH , com 17,3%. O uso de peróxido de hidrogênio seguido de hidróxido de sódio mostrou-se eficiente na deslignificação, com perdas de massa na ordem de 22 e 17%, com o uso de micro-ondas e ultrassom, respectivamente. O uso de CaO proporcionou perda de massa de 45,7 % e o tratamento realizado com sais cujos cátions são ácidos de Lewis como o CaCl2 e o FeCl2 resultaram em redução de 30-35% na massa do bagaço. No tratamento ultrassônico destacam-se valores entre 11-29% para os ácidos, mas, de modo geral, os tratamentos com uso de ultrassom demonstraram serem menos efetivos... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work it was tested the utilization of microwave and ultrasound as pretreatments of the sugarcane bagasse associated or not with chemical agents, for later enzymatic saccharification for the production of fermentable sugars. The supernatants of the pretreatments was analyze by HPLC-RI for sugars quantification and HPLC-UV for determination of fenolic compounds, from the lignin degradation and fermentation inhibitors. The treated bagasse was hydrolyzed with two different enzymatic complexes provided by Novozymes, the NS50012 complex that content some different enzymes like cellulases, xylanases and hemicellulases, and the NS50013 complex that is more specific, with larger values of -glucosidase. It was checked that the control samples treated with microwave and ultrasound suffered weight loss of 3% and 1,6% respectively, and considerable variations occurred with the samples treated with mineral acids, reaching to 55,8% of weight loss with chloridric acid, followed of nitric acid, with loss of 51,5%, both with sugar liberation, as such as glucose and xylose. In alkaline medium, the larger weight loss was with the treatment with NaOH, com 17,3%. The utilization of hydrogen peroxide followed by NaOH showed efficiency in the delignification, with weight losses in the order of 22% and 17%, with microwave and ultrasound, respectively. The utilization of CaO provided weight loss of 45,7% and the treatment realized with salts that the cation are Lewis acids like CaCl2 and FeCl2 resulting in reductions of 30-35% in bagasse weight. In the ultrasound treatment stand out values between 29-11% for the acids, but, in overall, the ultrasound treatments showed be fewer effective in weight loss when compared with microwave utilization. Was detect liberation of sugars like glucose, xylose and cellobiose, after treatments... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T18:40:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SosaArnao_JuanHarold_D.pdf: 4617781 bytes, checksum: 0d60bc60f546a91e312ce66083a35ec5 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: SOSA ARNAO, Juan Harold, Caldeiras Aquatubulares de Bagaço - Estudo do Sistema de Recuperação de Energia, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2008. 224p. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desempenho termodinâmico da caldeira de bagaço e reduzir o custo do seu sistema de recuperação de energia dos gases de exaustão. Para isso, foi realizada a caracterização do bagaço; após o que se determinou a velocidade terminal e o coeficiente de arrasto. Também, propriedades do bagaço como: o poder calorífico superior, a exergia, a temperatura de início de pico ou step, e a temperatura de auto-ignição foram determinadas. O desempenho da caldeira foi determinado através da aplicação da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Na análise de Primeira Lei, a eficiência da caldeira foi determinada através do método: (i) das Entradas e Saídas e (ii) do Balanço de Energia, ambos calculados na base do poder calorífico inferior (PCI) e superior (PCS). Na análise de segunda lei, o método dos insumos e produtos e do balanço de exergia foram aplicados. Uma metodologia do balanço de exergia, específica para caldeiras de combustível úmido, foi desenvolvida e aplicada neste trabalho. Através destas análises, o desempenho de quatro sistemas de geração de vapor foi estudado. Estes sistemas foram compostos por: (i) gerador de vapor, economizador de alta temperatura, pré-aquecedor de ar e economizador de baixa temperatura; (ii) gerador de vapor, pré-aquecedor de ar e economizador; (iii) gerador de vapor, pré-aquecedor de ar e secador de bagaço e (iv) gerador de vapor, economizador, pré-aquecedor de ar e secador de bagaço. Os resultados mostraram que o efeito da umidade do bagaço é o fator mais importante no desempenho da caldeira, o qual pode ser melhorado com a inserção de secadores. Além disso, o sistema de geração de vapor, composto pelo: gerador de vapor, economizador, pré-aquecedor de ar e secador de bagaço apresentou o melhor desempenho termodinâmico e também, o menor custo do sistema de recuperação de energia dos gases de exaustão. / Abstract SOSA ARNAO, Juan Harold, Aquatubular boilers fueled by bagasse - Study of Energy Recovery System, Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2008. 224 p. The objective of this work was to evaluate the bagasse boiler thermodynamic performance and reduce the cost of its waste gases energy recovery system. For that, the bagasse characterization was realized; from which, the free-settling velocity and drag coefficient were determined. Also, the bagasse properties, such as, the higher heating value, the exergy, the step or peak initial temperature and ignition spontaneous temperature were determined. The bagasse boiler performance was determined through the application of Thermodynamic First and Second Law. In the first law analysis, the boiler efficiency was determined through (i) Input/Output and (ii) Energy Balance Method, which were calculated based on higher heating value (HHV) and lower heating value (LHV). In the second law analysis, the product/fuel and exergy balance methods were applied. A methodology of exergy balance, specific for wet fuels, was developed and applied in this work. Through these analyses the performance of four steam generation systems was studied. These systems were composed by: (i) steam generator, high temperature economizer, air heater and low temperature economizer; (ii) steam generator, air heater and economizer; (iii) steam generator, air heater and bagasse dryer and (iv) steam generator, economizer, air heater and bagasse dryer. The results showed that the bagasse moisture content effect is the most important factor in boiler performance, which can be improved with the inclusion of bagasse dryers. Besides, the steam generation system composed by: steam generator, economizer, air heater and bagasse dryer presented the best thermodynamic performance and also the lowest cost of the waste gases energy recovery system. Key Words Boiler, bagasse, economizer, air heater, dryer, exergy. / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Submitted by Walter Milan Tatoni (wtatoni@odebrecht.com) on 2012-06-21T00:03:04Z No. of bitstreams: 1 Tese - Walter Milan Tatoni - vfentregue - 12-06-2012.pdf: 3160928 bytes, checksum: 6e188409f47032c74f3fb02c7a06be50 (MD5) / Approved for entry into archive by Gisele Isaura Hannickel (gisele.hannickel@fgv.br) on 2012-06-21T15:55:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese - Walter Milan Tatoni - vfentregue - 12-06-2012.pdf: 3160928 bytes, checksum: 6e188409f47032c74f3fb02c7a06be50 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-06-21T15:57:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese - Walter Milan Tatoni - vfentregue - 12-06-2012.pdf: 3160928 bytes, checksum: 6e188409f47032c74f3fb02c7a06be50 (MD5) Previous issue date: 2012-05-24 / The scenario of continuous increase in consumption of oil products combined with the consciousness that there must be a balance regarding the exploration of natural resources and environmental conservation, has been promoting the search for alternative energy sources. This growing interest has been applied to power generation from biomass of sugarcane, which is becoming more and more common in Brazil, but there is still a huge potential to be explored. Within this context it becomes relevant to decision making for investments in cogeneration projects and this paper intended to increase the analysis and decision making using the Real Options Theory, a tool for adding value to the uncertainties, the model fits perfectly Brazilian Energy regulatory framework, where large energy price volatilities are observed over the years. This study aims is to determine the best moment to invest in cogeneration units. The structure of the study was divided into three scenarios for biorefineries size, 2 million of crushing capacity of sugar cane per year, 4 million and 6 million, thus aiming to have a representation of the all biorefineries size in the country. In addition, we analyzed three scenarios of energy price and linked volatility, as the main variable of this type of project viability is the price of energy. Volatilities were calculated according to the historical price in regulated environment, twice the regulated environment and projection of PLD, representing, respectively, low, medium and high, volatile energy price. After this, were elaborated nine decision trees, which show for the investment managers that in a scenario of low volatility creates value to be positioned and have the real option to invest or postpone investment for any size of plant. In the scenario with an average volatility, the manager is advised to be positioned in plants of medium to large for the feasibility of the investment. Finally, when the price scenario is highly volatile, there is a greater risk and there is a greater probability of viability of investment in large plants. / O cenário de continuo aumento do consumo de derivados do petróleo aliado a conscientização de que é necessário existir um equilíbrio com relação a exploração de recursos naturais e preservação do meio ambiente, vem impulsionando a busca por fontes alternativas de energia. Esse crescente interesse vem se aplicando a geração de energia a partir de biomassa da cana de açúcar, que vem se tornando cada vez mais comuns no Brasil, porém ainda existe um imenso potencial a ser explorado. Dentro deste contexto, se torna relevante a tomada de decisão de investimentos em projetos de cogeração e este trabalho busca incrementar a analise e tomada de decisão com a utilização da Teoria das Opções Reais, uma ferramenta de agregação de valor às incertezas, cabendo perfeitamente ao modelo energético brasileiro, onde grandes volatilidades do preço de energia são observadas ao longo dos anos. O objetivo do trabalho é determinar o melhor momento para uma biorrefinaria investir em unidades de cogeração. A estrutura do trabalho foi dividida em três cenários de porte de biorrefinarias, as de 2 milhões de capacidade de moagem de cana-de-açúcar por ano, as de 4 milhões e as de 6 milhões, visando assim ter uma representação amostral das biorrefinarias do país. Além disso, analisaram-se três cenários de volatilidade atrelados ao preço futuro de energia, dado que a principal variável de viabilização deste tipo de projeto é o preço de energia. As volatilidades foram calculadas de acordo com histórico do ambiente regulado, o dobro do ambiente regulado e projeção de PLD, representando, respectivamente, níveis baixos, médios e altos, de volatilidade do preço de energia. Após isso, foram elaboradas as nove árvores de decisão, que demonstram para os gestores de investimento que em um cenário de baixa volatilidade cria-se valor estar posicionado e ter a opção real de investir ou adiar investimento para qualquer porte de usina. No cenário de média volatilidade de preço, aconselha-se ao gestor estar posicionado em usinas de médio a grande porte para viabilização do investimento. Por fim, quando o cenário de preços é de grande volatilidade, tem-se um maior risco e existe a maior probabilidade de viabilização do investimento em usinas de grande porte.