This work has examined the thermochemical conversion of sugar cane processing wastes (bagasse and cane harvesting trash) for use in the design of pressurised entrained flow gasification power cycles (~20 Barg, 600-900oC). The two key parameters of interest were the residual char yield from initial pyrolysis and the heterogeneous reactivity of the char with respect to carbon dioxide. Char yield and gasification rates were measured by a conventional wire mesh reactor and thermogravimetric (TGA) technique, an in-situ sample charring TGA technique and with an entrained flow reactor specifically designed for this work. The new experimental reactor concept is one of the major contributions of the work. Chars from the entrained flow experiments were characterised by optical microscope, SEM/EDS, TEM/EDS and XPS techniques, to help elucidate the processes occurring during pyrolysis and gasification. The key findings and conclusions of the work were as follows: 1. Initial (pyrolysis) char yields were consistent with the data reported in literature for similar materials. Char yields varied with reaction conditions, from 6 to 49 wt% daf for cane trash and 4 to 40 wt% daf for bagasse. Ash content also had a significant effect on char yield. The char yield for both cane trash and bagasse increased in proportion to the logarithm of system pressure. 2. A relatively simple empirical model for char yield under pressurised entrained flow conditions was formulated. This could predict char yields for both the experimental data in this work and those reported in literature for similar biomass materials. While temperature, pressure and ash content were all significant parameters in the model, the primary fitting parameter was a measure of the contribution of secondary char forming reactions and ongoing pyrolysis to char yield. The identification of this parameter is one of the contributions of this work. 3. The measured initial rate of char gasification by carbon dioxide was 0.06 to 1.2 mg per gram of initial char, over the temperature range 750 to 900oC. The rate of gasification was so low as to not contribute significantly to overall fuel conversion in the reaction residence times iv expected of a commercial gasifier. In essence almost all of the experimentally measured fuel conversion could be attributed to pyrolysis, which resulted in 85-95% fuel conversion. 4. Both the raw materials and the residual chars had low surface areas and negligible microporosity. The majority of the measured surface area may have been associated with the ash component rather than the carbonaceous component, which supported the finding of low reactivity. 5. The silica component of the chars exhibited crystalline silicate formation by migration of metal species over time periods of minutes. These silicates displayed signs of sintering, but otherwise remained physically intact; leaving a characteristic skeleton that corresponded to the original structure in the raw materials. 6. The gasification rate showed a time dependent decrease in the entrained flow experiments. This was attributed to coke formation on the char surface, followed by carbon trapping in the ash component at high levels of conversion. Both findings are significant contributions from this work, because they highlight key mechanisms that hinder fuel conversion in the proposed gasification concept. The broad coverage achieved in this work has provided an overall picture of how fuel conversion progresses during the pressurised entrained flow gasification of sugar cane wastes. It is recommended that many of the aspects highlighted in this work be examined further, to confirm the findings and to investigate the means to avoid the factors identified in this work as hindering fuel conversion.

O presente trabalho teve como objetivos estudar o desempenho operacional dos equipamentos utilizados num sistema de enleiramento e recolhimento de palhiço de cana-de-açúcar colhida mecanicamente, sem queima prévia. O experimento foi desenvolvido em área pertencente ao Grupo COSAN, Usina Costa Pinto. Foi adotado o delineamento inteiramente casualizado para avaliar os dois diferentes tratamentos adotados neste estudo. Com o intuito de facilitar o entendimento das variáveis consideradas, estas foram agrupadas em três capítulos. Foram consideradas as variáveis nas operações de enleiramento e recolhimento do palhiço: velocidade de trabalho, capacidade efetiva e operacional, consumo de combustível, eficiência de campo, produtividade e poder calorífico do material, palhiço recolhido e remanescente, massa específica e percentagem de terra no palhiço, energia disponível por hectare, eficácia de manipulação e custos do sistema. Pode-se concluir que a utilização dos diferentes enleiradores não influenciou de maneira significativa as características do palhiço recolhido, nem o desempenho operacional da recolhedora. O sistema de recolhimento a granel, sob o ponto de vista operacional, pode ser considerado como uma opção viável no manejo do palhiço de cana-de-açúcar, visando seu recolhimento e utilização na geração de energia. / This work had as goal to study the operational performance of equipments used in an rowing and collecting system of the sugarcane trash of the crop harvested mechanically, without being previously burned. The experiment was developed in an area belonged to COSAN Group, Costa Pinto sugar mill. An experimental delineation entirely random was adopted to evaluate two different treatments adopted in this study. Aiming to ease the understanding of the considered variables, these were grouped in three chapters. The considered variables were: work speed, effective and operational capacities, fuel consumption, work efficiency, yield and heat power of the material, collected and remaining sugarcane trash, its density and the dust percentage in it, available energy per hectare, manipulation efficiency and system cost. It could be concluded that the use of different rowers did not affected in a significant manner the sugarcane trash features, nor the operational performance of the collecting machine. The barn collecting system, under the operational point of view, can be considered as an feasible way in the sugarcane trash management aiming its collecting and the use of it in energy generation process.

O presente trabalho teve como objetivos estudar o desempenho operacional dos equipamentos utilizados num sistema de enleiramento e recolhimento de palhiço de cana-de-açúcar colhida mecanicamente, sem queima prévia. O experimento foi desenvolvido em área pertencente ao Grupo COSAN, Usina Costa Pinto. Foi adotado o delineamento inteiramente casualizado para avaliar os dois diferentes tratamentos adotados neste estudo. Com o intuito de facilitar o entendimento das variáveis consideradas, estas foram agrupadas em três capítulos. Foram consideradas as variáveis nas operações de enleiramento e recolhimento do palhiço: velocidade de trabalho, capacidade efetiva e operacional, consumo de combustível, eficiência de campo, produtividade e poder calorífico do material, palhiço recolhido e remanescente, massa específica e percentagem de terra no palhiço, energia disponível por hectare, eficácia de manipulação e custos do sistema. Pode-se concluir que a utilização dos diferentes enleiradores não influenciou de maneira significativa as características do palhiço recolhido, nem o desempenho operacional da recolhedora. O sistema de recolhimento a granel, sob o ponto de vista operacional, pode ser considerado como uma opção viável no manejo do palhiço de cana-de-açúcar, visando seu recolhimento e utilização na geração de energia. / This work had as goal to study the operational performance of equipments used in an rowing and collecting system of the sugarcane trash of the crop harvested mechanically, without being previously burned. The experiment was developed in an area belonged to COSAN Group, Costa Pinto sugar mill. An experimental delineation entirely random was adopted to evaluate two different treatments adopted in this study. Aiming to ease the understanding of the considered variables, these were grouped in three chapters. The considered variables were: work speed, effective and operational capacities, fuel consumption, work efficiency, yield and heat power of the material, collected and remaining sugarcane trash, its density and the dust percentage in it, available energy per hectare, manipulation efficiency and system cost. It could be concluded that the use of different rowers did not affected in a significant manner the sugarcane trash features, nor the operational performance of the collecting machine. The barn collecting system, under the operational point of view, can be considered as an feasible way in the sugarcane trash management aiming its collecting and the use of it in energy generation process.

Orientador: Luis Augusto Barbosa Cortez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T13:04:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PelaezSamaniego_ManuelRaul_M.pdf: 2941644 bytes, checksum: 7339da84b3d945856dfe27ff9c0c79c4 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Em setembro de 2002 foi promulgada no Estado de São Paulo a Lei Nº 11.241, que dispõe sobre a abolição gradativa do uso das queimadas como método para eliminar a palha de cana-de-açúcar (folhas e pontas) no processo de colheita. Um dos impactos diretos da execução dessa lei será a disponibilidade no curto prazo de grandes quantidades de palha de cana, cujo potencial energético é muito importante, mas precisa do desenvolvimento e/ou adaptação de tecnologias adequadas para seu uso que incluem operações de colheita e processamento termoquímico. Entre as tecnologias aplicáveis ao aproveitamento energético da palha de cana (e da biomassa em geral), a pirólise rápida oferece a vantagem de produzir altas quantidades de derivados líquidos, e outros produtos como carvão vegetal e gases. O uso destes produtos da pirólise é diverso: produção de energia, ou na industria química, dentro do conceito de bio-refinaria. No contexto apresentado, o presente trabalho realiza a avaliação técnica do uso dos ésteres dos ácidos carboxílicos derivados do bio-óleo de pirólise da palha de cana misturados com gasolina em um motor Otto. Para isto, a palha de cana foi acondicionada e depois pirolisada na planta de pirólise rápida PPR-200, de propriedade da Unicamp. Os produtos foram o bio-óleo, finos de carvão vegetal, gases de pirólise e ácido pirolenhoso. Do bio-óleo obtido foram extraídos os ácidos carboxílicos, mediante esterificação de Fisher em meio ácido, usando etanol, dando como resultado um composto denominado de bioflex. A palha de cana-de-açúcar, o bio-óleo de pirólise e o bioflex foram caracterizados para determinar suas propriedades físicas e químicas. O Poder Calorífico Inferior (PCI) do bio-óleo resultou em 21,46 MJ/kg. No caso do bioflex, o PCI foi 31 MJ/kg. Foram desenvolvidos testes preliminares para determinar as possibilidades de misturar o bioflex com combustíveis derivados do petróleo. Observou-se impossibilidade de misturar bioflex com diesel, e as porcentagens de mistura com gasolina tipo A foram baixas (até 3%). Quando se usou gasolina tipo C se conseguiu maior adição de bioflex na gasolina. Das misturas bioflex-gasolina C, a de maior interesse resultou a denominada G90-B10 (90% de gasolina tipo C com 10% de bioflex), a qual foi utilizada nos ensaios em um motor-gerador elétrico de gasolina de 2 KVA. Nesse motor foram avaliados e comparados: variação de potência com a carga aplicada, consumo de combustível, etc., quando usadas a mistura G90-B10, gasolina tipo A e gasolina tipo C. A carga aplicada durante os ensaios consistiu de um banco de resistências elétricas variáveis desde 200 W até 2000 W. A medição da potência elétrica gerada foi efetuada sob distintas condições de carga e diferentes regimes de rotação do eixo do motor. Os resultados mostraram que a potência gerada pelo gerador e o consumo de combustível do motor são similares quando usados os três combustíveis, fato que permite concluir que é tecnicamente viável o uso do bioflex misturado com gasolina C em proporções 10/90 em motores de ciclo Otto / Abstract: In September 2002 the state of São Paulo promulgated the Law Nº 11241 by which was codified the gradual elimination of fire as a method to remove trash from the sugar-cane fields before harvestig. Large amounts of sugar-cane trash with an important energy potential will be available as a result of this law. New technologies to harvest and process this biomass need to be developed and/or adapted. Amongst the potential concepts to use the energy contained in sugar-cane trash, fast pyrolysis offers important advantages since high liquid yield, char and syngas can be obtained with this technology. These materials can be used to produce energy or chemicals in power plants or in new bio-refineries. A technical evaluation of using carboxylic acids ethyl esters derived from sugar-cane trash bio-oil, mixed with gasoline in an Otto engine is presented. The sugar-cane trash was ground, dried and further pyrolyzed in the PPR-200 fast pyrolysis plant, owned by Unicamp. The products were: a decanted bio-oil, an aqueous phase, charcoal fines and pyrolitic gases. The carboxylic acids were extracted from the decanted oil and esterified by the Fisher acid catalyzed method, using ethanol. The resulting product was called bioflex. The sugar-cane trash, the bio-oil and the bioflex were characterized to determine their physico-chemical properties. The Lower Heating Value (LHV) of the bio-oil resulted 21,46 MJ/kg. In the case of bioflex, its LHV was 31 MJ/kg. Preliminary tests were performed to evaluate the fuel performance of bioflex /conventional petroleum derived fuel blends. The bioflex was not miscible in diesel and only very low amount (3 vol %) was soluble in gasoline type A. Larger solubility was observed with Brazilian gasoline type C. The blend containing 90% of gasoline type C and 10% of bioflex, herein called G90-B10, presented the biggest interest so was used as fuel in a 2 KVA electric Otto engine-generator. The engine power versus applied load, fuel consumption, etc., when used G90-B10 mixture, gasoline type A and gasoline type C were evaluated and compared. The load applied during the tests consisted of a variable electric resistance with capacity from 200 W to 2000 W. The measurement of the generated electricity was made under different load conditions and under different shaft-engine rotation speed. Results showed that the power generated and the fuel consumed by the engine was similar when using the three fuels. These results confirm the technically viability of 10/90 (bioflex-gasoline C) blends as fuels in Otto engines / Mestrado / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

Urea is the main nitrogen (N) fertilizer used worldwide, but N losses in the form of ammonia (NH3) is a major problem when this fertilizer is topdressed over crop residues. The treatment of urea with N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) decreases the activity of urease enzyme and volatilization losses in many crops. However, the amount of straw over the soil in green cane trash blanketing (GCTB) systems affect the effectiveness of NBPT-treated urea in reducing NH3 losses. The hypothesis of this study is that an increase of NBPT concentration in NBPT-treated urea above the commercial concentration adopted nowadays (530 mg kg-1) is necessary to reduce volatilization losses and improve the efficiency of this fertilizer in GCTB systems. The aim of this study was to evaluate, under field conditions, NH3 losses from urea amended with four NBPT concentrations and applied over sugarcane straw. Six field trials were carried out across the State of São Paulo, the main sugarcane-cropped area in Brazil. It was adopted the randomized block experimental design with four replications. The treatments consisted of urea amended with the NBPT concentrations 0, 530, 850, 1500 and 2000 mg kg-1, ammonium nitrate and a control treatment (without N fertilizer). The NH3 volatilization was measured through an enclosure semi-static collector system containing two polyethylene foam discs treated with orthophosphoric acid and glycerol. The foam discs were collected and replaced at 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25 and 30 days after the fertilizer application (DAF). The N trapped into the foams was extracted using deionized water and the N concentration determined by Flow Injection Analysis (FIA). Boltzmann sigmoidal models were fitted to cumulative losses of NH3 along the days. Cumulative losses between locals were compared by Tukey HSD and the effect of NBPT concentrations were tested by regression analyses (P<0.05). There was a significant effect of local and environmental conditions on amount of NH3 losses. NBPT was less effective in reducing NH3 losses under high temperatures and thick straw layer, probably because of the high urease activity and the early inhibitor degradation. The increase on NBPT concentration on urea above 530 mg kg-1 not only delayed the time of maximum rate of loss (Tmax), but also reduced cumulative NH3 losses. The two higher NBPT concentrations promoted an average delay of six days from untreated urea Tmax. Linear reduction of NH3 emissions occurred up to the NBPT concentration of 1000 mg kg-1 that reduced 43% of NH3 losses as compared to urea. Any increment in NBPT concentration above this range did not reflect in substantial reduction of NH3 losses. Increase NBPT concentration showed potential in reducing NH3 volatilization losses under GCTB sugarcane, however, further research is necessary to evaluate the impact of NH3 savings on sugarcane yield and the economic feasibility of this technology. / A ureia é o principal fertilizante nitrogenado utilizado em todo o mundo, porém, perdas de nitrogênio (N) na forma de amônia (NH3) são um importante problema associado ao uso desse fertilizante. O tratamento da ureia com N-(n-butil) tiofosfórico triamida (NBPT) reduz a atividade da enzima urease e a volatilização de NH3 em muitos cultivos. Entretanto, a quantidade de palha sobre o solo em sistemas de cultivo da cana-de-açúcar colhida sem queima (CCSQ) afeta a eficiência do tratamento da ureia com NBPT em reduzir as perdas de NH3. A hipótese deste estudo é que é necessário aumentar a concentração de NBPT na ureia acima da atual concentração comercial (530 mg kg-1) para reduzir as perdas por volatilização, de modo a viabilizar o uso de ureia tratada com NBPT em sistemas de CCSQ. O objetivo desse estudo foi avaliar, em condições de campo, as perdas de NH3 de ureia tratada com quatro concentrações de NBPT e aplicada sobre a palhada de cana-de-açúcar. Seis experimentos de campo foram conduzidos no Estado de São Paulo, principal área cultivada com cana-de-açúcar no Brasil. Foi utilizado delineamento aleatorizado em blocos com quatro repetições. Os tratamentos consistiram em ureia tratada com NBPT nas concentrações 0, 530, 850, 1500 e 2000 mg kg-1, nitrato de amônio e um tratamento controle (sem adubação nitrogenada). A volatilização e NH3 foi mensurada através de sistema coletor semiestático fechado, contendo dois discos de espuma de polietileno embebidos com solução de ácido ortofosfórico e glicerina. Os discos de espuma foram coletados e substituídos aos 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25 e 30 dias após a aplicação dos fertilizantes (DAF). O N retido nas espumas foi extraído usando água deionizada e a concentração de N determinada por Análise por Injeção em Fluxo (FIA). Modelos sigmoides de Boltzmann foram ajustados para as perdas cumulativas de NH3 ao longo dos dias. As médias das perdas acumuladas entre locais foram comparadas usando teste de Tukey e o efeito das concentrações de NBPT foi testado por análise de regressão (P<0,05). Houve forte influência do local e das condições ambientais nas perdas de NH3. O NBPT foi menos eficiente reduzir as perdas de NH3 em condições de alta temperatura e grossa camada de palha, provavelmente devido à alta atividade de urease e à degradação prematura do inibidor. O aumento na concentração de NBPT na ureia acima de 530 mg kg-1 não apenas retardou o pico de máxima taxa de perda diária (Tmax), mas também reduziu as perdas acumuladas de NH3. As duas maiores concentrações de NBPT promoveram um retardamento médio de seis dias em relação ao Tmax da ureia. Uma redução linear nas emissões de NH3 foi verificada até a dose de 1000 mg kg-1 de NBPT, que levou a uma redução de 43% nas perdas em comparação à ureia não tratada. Incrementos na concentração de NBPT acima desse valor não se refletiram em redução substancial das perdas de NH3. Aumentar a concentração de NBPT na ureia demonstrou potencial em reduzir as perdas e NH3 por volatilização em sistemas de CCSQ, entretanto são necessárias mais pesquisas avaliando o impacto do N preservado no sistema sobre a produtividade da cana-de-açúcar e a viabilidade econômica dessa tecnologia.

Urea is the main nitrogen (N) fertilizer used worldwide, but N losses in the form of ammonia (NH3) is a major problem when this fertilizer is topdressed over crop residues. The treatment of urea with N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) decreases the activity of urease enzyme and volatilization losses in many crops. However, the amount of straw over the soil in green cane trash blanketing (GCTB) systems affect the effectiveness of NBPT-treated urea in reducing NH3 losses. The hypothesis of this study is that an increase of NBPT concentration in NBPT-treated urea above the commercial concentration adopted nowadays (530 mg kg-1) is necessary to reduce volatilization losses and improve the efficiency of this fertilizer in GCTB systems. The aim of this study was to evaluate, under field conditions, NH3 losses from urea amended with four NBPT concentrations and applied over sugarcane straw. Six field trials were carried out across the State of São Paulo, the main sugarcane-cropped area in Brazil. It was adopted the randomized block experimental design with four replications. The treatments consisted of urea amended with the NBPT concentrations 0, 530, 850, 1500 and 2000 mg kg-1, ammonium nitrate and a control treatment (without N fertilizer). The NH3 volatilization was measured through an enclosure semi-static collector system containing two polyethylene foam discs treated with orthophosphoric acid and glycerol. The foam discs were collected and replaced at 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25 and 30 days after the fertilizer application (DAF). The N trapped into the foams was extracted using deionized water and the N concentration determined by Flow Injection Analysis (FIA). Boltzmann sigmoidal models were fitted to cumulative losses of NH3 along the days. Cumulative losses between locals were compared by Tukey HSD and the effect of NBPT concentrations were tested by regression analyses (P<0.05). There was a significant effect of local and environmental conditions on amount of NH3 losses. NBPT was less effective in reducing NH3 losses under high temperatures and thick straw layer, probably because of the high urease activity and the early inhibitor degradation. The increase on NBPT concentration on urea above 530 mg kg-1 not only delayed the time of maximum rate of loss (Tmax), but also reduced cumulative NH3 losses. The two higher NBPT concentrations promoted an average delay of six days from untreated urea Tmax. Linear reduction of NH3 emissions occurred up to the NBPT concentration of 1000 mg kg-1 that reduced 43% of NH3 losses as compared to urea. Any increment in NBPT concentration above this range did not reflect in substantial reduction of NH3 losses. Increase NBPT concentration showed potential in reducing NH3 volatilization losses under GCTB sugarcane, however, further research is necessary to evaluate the impact of NH3 savings on sugarcane yield and the economic feasibility of this technology. / A ureia é o principal fertilizante nitrogenado utilizado em todo o mundo, porém, perdas de nitrogênio (N) na forma de amônia (NH3) são um importante problema associado ao uso desse fertilizante. O tratamento da ureia com N-(n-butil) tiofosfórico triamida (NBPT) reduz a atividade da enzima urease e a volatilização de NH3 em muitos cultivos. Entretanto, a quantidade de palha sobre o solo em sistemas de cultivo da cana-de-açúcar colhida sem queima (CCSQ) afeta a eficiência do tratamento da ureia com NBPT em reduzir as perdas de NH3. A hipótese deste estudo é que é necessário aumentar a concentração de NBPT na ureia acima da atual concentração comercial (530 mg kg-1) para reduzir as perdas por volatilização, de modo a viabilizar o uso de ureia tratada com NBPT em sistemas de CCSQ. O objetivo desse estudo foi avaliar, em condições de campo, as perdas de NH3 de ureia tratada com quatro concentrações de NBPT e aplicada sobre a palhada de cana-de-açúcar. Seis experimentos de campo foram conduzidos no Estado de São Paulo, principal área cultivada com cana-de-açúcar no Brasil. Foi utilizado delineamento aleatorizado em blocos com quatro repetições. Os tratamentos consistiram em ureia tratada com NBPT nas concentrações 0, 530, 850, 1500 e 2000 mg kg-1, nitrato de amônio e um tratamento controle (sem adubação nitrogenada). A volatilização e NH3 foi mensurada através de sistema coletor semiestático fechado, contendo dois discos de espuma de polietileno embebidos com solução de ácido ortofosfórico e glicerina. Os discos de espuma foram coletados e substituídos aos 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25 e 30 dias após a aplicação dos fertilizantes (DAF). O N retido nas espumas foi extraído usando água deionizada e a concentração de N determinada por Análise por Injeção em Fluxo (FIA). Modelos sigmoides de Boltzmann foram ajustados para as perdas cumulativas de NH3 ao longo dos dias. As médias das perdas acumuladas entre locais foram comparadas usando teste de Tukey e o efeito das concentrações de NBPT foi testado por análise de regressão (P<0,05). Houve forte influência do local e das condições ambientais nas perdas de NH3. O NBPT foi menos eficiente reduzir as perdas de NH3 em condições de alta temperatura e grossa camada de palha, provavelmente devido à alta atividade de urease e à degradação prematura do inibidor. O aumento na concentração de NBPT na ureia acima de 530 mg kg-1 não apenas retardou o pico de máxima taxa de perda diária (Tmax), mas também reduziu as perdas acumuladas de NH3. As duas maiores concentrações de NBPT promoveram um retardamento médio de seis dias em relação ao Tmax da ureia. Uma redução linear nas emissões de NH3 foi verificada até a dose de 1000 mg kg-1 de NBPT, que levou a uma redução de 43% nas perdas em comparação à ureia não tratada. Incrementos na concentração de NBPT acima desse valor não se refletiram em redução substancial das perdas de NH3. Aumentar a concentração de NBPT na ureia demonstrou potencial em reduzir as perdas e NH3 por volatilização em sistemas de CCSQ, entretanto são necessárias mais pesquisas avaliando o impacto do N preservado no sistema sobre a produtividade da cana-de-açúcar e a viabilidade econômica dessa tecnologia.