A indústria calçadista gera uma significativa quantidade de resíduos, sendo uma alternativa para destino destes o tratamento térmico, que reduz o volume e estabiliza componentes perigosos. Por conseguinte, isto vai ao encontro dos novos desafios na busca de fontes de energias alternativas pelo fato da combustão destes resíduos ser bastante convidativa em função do seu alto poder calorífico. Este estudo está focado na análise de uma planta piloto para o processamento de resíduos sólidos da indústria calçadista (biomassa) e posterior aproveitamento térmico na geração de energia elétrica. A planta é constituída basicamente de um sistema de gaseificação e combustão combinadas e um sistema de controle de poluição do ar. O detalhamento do comportamento do gaseificador é fundamental para a maximização da eficiência do processo, sendo assim, abordado neste estudo. Para análise do gaseificador, foi desenvolvida a sua modelagem matemática. Entretanto, sabe-se da indisponibilidade, muitas vezes, do maior ou menor detalhamento de dados experimentais (geometria do sistema, identificação de espécies intermediárias, etc.) para a simulação numérica satisfatória do processo. Neste sentido, são apresentados neste trabalho, dois modelos matemáticos: um modelo rigoroso e um modelo simplificado, com diferentes abordagens e detalhamento de dados a serem informados. O modelo rigoroso considera a cinética química e os fenômenos de transferência envolvidos; já o modelo simplificado, limita-se a um modelo de equilíbrio químico e termodinâmico do sistema. Os modelos foram implementados no simulador de processos genéricos baseado em equações, EMSO. Depois de validados com dados de literatura, os modelos foram aplicados para simulações de condições reais de operação da planta e análise de sensibilidade frente a parâmetros de operação. Ambos modelos conseguiram representar razoavelmente bem o sistema experimental, dentro das limitações de cada abordagem, o que foi possível identificar condições teóricos ideais para operação a fim de se conseguir a máxima eficiência da planta. / The footwear industries generate an expressive amount of solid wastes. So that the thermal treatment technologies are an alternative destination to these wastes, once their filled volume are reduced and dangerous components are stabilized. Consequently, it can be related to new challenge on alternative energy resources due to combustion of these wastes is attractive in reason of their high calorific value. This study is focalized in the analysis of a pilot plant to process solid wastes (biomass) of footwear industries and using of its thermal capacity to generate electrical energy. The pilot unit is basically formed of one combined gasifier-combustor and one air pollution control system. The analysis of gasifier operation is fundamental to improve the process performance, so that evaluated here. To this task, the mathematical modeling of gasification system was developed. However it is well-known that practical data (geometric measures, identification of intermediary compounds, etc.) are oftentimes available on high or low detailed levels to satisfactory process simulation. In this sense, two mathematical models are presented: one rigorous model and one simplified model based on the level of details and input data. The rigorous model takes into account the chemical kinetics and the involved transfer phenomena; on the other hand the simplified model is limited to thermochemical equilibrium of the system. The models were implemented in an equation-based simulator of generic processes, EMSO. After validation with data from literature, the models were applied for simulation of actual operating conditions of pilot plant and sensitivity analyses regarding to operating parameters. Both models compare reasonably well with experimental system, inside of limitations of each approach. This makes possible to predict the ideal operating conditions in order to reach the maximum efficiency of the pilot plant.

This study aims to evaluate thermoelectric energy potential in Alagoas’s and Brazil’s sugaralcohol sector by using biomass gasification technology integrated with natural gas, taking into account the current energy scenario and its tendency. The indiscriminate use of fossil energy caused serious effects in the environment; the global warming is one of consequences. Otherwise, it is a matter of fact that the energy demand will still be growing in the next years and that economic factors will continue to be decisive in the choice of energy resources. The types of energy resource which can support the energetic demand in a more efficient, economic, sustainable way, surely, will be options applied more often. The use of sugar-cane biomass energy is an option to electric energy generation, which is already employed in sugar-alcohol sector, nonetheless, it still has a large potential to be explored. The technologies employed in this sector are able to generate 26 kWh/tc (kilo watt-hour per sugar-cane crushed) on average, however, these technologies are considered inefficient when compared to sugar-cane biomass gasification technology, which are able to generate more than 300 kWh/tc. Nevertheless this technology is not commercial available. In this study, it will be explained the electric energy generation principles of biomass gasification and verified that the use of this technology together with natural gas can provide technical and economic advantages, which can accelerate the viability of the commercial use of this technology. / Este trabalho tem como objetivo quantificar o potencial de geração de energia termelétrica no setor sucroenergético alagoano e brasileiro através da tecnologia de gaseificação da biomassa integrada ao gás natural, levando em consideração o cenário energético atual e suas tendências. O uso indiscriminado da energia de origem fóssil trouxe consigo severos efeitos ao meio ambiente, tendo como uma das conseqüências o aquecimento global. Por outro lado, é fato que a demanda energética continuará a crescer nos próximos anos e que fatores econômicos continuarão a ser decisivos na escolha das fontes de energia. Nesse sentido, alternativas energéticas que possam atender a demanda de energia de forma mais eficiente, econômica e sustentável, certamente, serão opções aplicadas com maior intensidade. O aproveitamento da energia da biomassa da cana-de-açúcar é uma alternativa para geração de energia elétrica já empregada no setor sucroalcooleiro, entretanto, ainda possui um vasto potencial a ser explorado. As tecnologias empregadas nesse setor são capazes de gerar em média 26 kWh por tonelada de cana (tc), sendo estas ineficientes quando comparadas a tecnologia de gaseificação da biomassa da cana-de-açúcar que pode produzir 300 kWh/tc. Entretanto, esta tecnologia ainda não é comercialmente utilizada. No presente trabalho serão abordados os princípios de geração de energia elétrica através da gaseificação da biomassa e verificado que o uso desta tecnologia integrada ao gás natural implica em vantagens técnicas e econômicas que podem acelerar a viabilidade do uso comercial desta tecnologia.

A gaseificação é um processo de conversão termoquímica que compreende a oxidação parcial de um combustível para convertê-lo em uma mistura gasosa (“syngas”). Geralmente a modelagem desses processos utiliza uma descrição cinética detalhada ou os aproximam ao equilíbrio químico. Ambas as abordagens têm vantagens e desvantagens, bem como limitações. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de uma nova modelagem fenomenológica de processos de gaseificação através de um modelo “híbrido” aqui chamado de modelo híbrido adaptativo por zonas (HAZ). Este modelo assumiu que o gaseificador é representado por zonas de dois tipos: uma dominada pela cinética química, representada por um modelo cinético, e outra onde a cinética química é rápida e as espécies químicas estão em equilíbrio químico, representada por um modelo de equilíbrio. Um critério de transição entre as zonas foi proposto através de um número de Damköhler (Da) que relaciona tempos de residência e de reação química. Desta forma, o modelo adapta-se conforme os processos dominantes em cada zona. Em um primeiro momento, um modelo de equilíbrio multifásico (EM) foi desenvolvido e aplicado para um estudo da cogaseificação de carvão mineral e biomassas disponíveis no Brasil. A seguir, o modelo HAZ foi construído através da técnica de rede equivalente de reatores químicos (ERN) a partir do modelo EM e de um modelo cinético, também desenvolvido neste trabalho. Uma metodologia de aplicação do modelo HAZ foi proposta, aplicada e validada para duas configurações de gaseificadores: dois casos de gaseificadores de biomassa em leito fluidizado borbulhante e um caso de gaseificador de carvão mineral em leito de arraste. Para os dois primeiros casos foi estimada que a transição ocorra para Da ≥ 10+5 e para o último caso; chegou-se a Da ≥ 10+3. A aplicação do modelo HAZ se mostrou satisfatória sendo que foi possível a redução do tempo computacional em pelo menos 40% com relação a uma abordagem puramente cinética. Cabe ressaltar ainda que o modelo HAZ possibilitou um maior entendimento físico e químico ao identificar os processos dominantes locais. / Gasification is a thermochemical conversion process consisting of partial oxidation of a fuel to convert it to a gas mixture (“syngas”). Generally, the gasification process modeling uses a kinetic detailed description, or approach it to a chemical equilibrium state. Both approaches have advantages and disadvantages, as well as limitations. The objective of this work was to develop a new phenomenological modeling of gasification processes through a “hybrid” model here called hybrid adaptive zone model (HAZ). This proposed modeling assumed the gasifier is represented by two types of zones: one dominated by chemical kinetics, represented by a kinetic model, and another where chemical kinetics is fast so chemical species are assumed in chemical equilibrium states, represented by an equilibrium model. A transition criterion between zones was defined by a Damköhler number (Da) which relates residence time and chemical reaction time. Therefore, the HAZ model can adapted according to the dominant processes in each zone. Firstly, a multi-phase equilibrium model (ME) was developed and applied to study the coal-biomass co-gasification of Brazilian sources. Hereafter, the HAZ model was built using the technique of equivalent reactor network (ERN) with the ME model and a kinetic model developed in this work. A methodology of use of the HAZ model was proposed, applied and validated for two configurations of gasifiers: two cases of biomass bubbling fluidized-bed gasifiers and one case of coal entrained-flow gasifier. In the first two cases the transition was estimated to occur on Da ≥ 10+5 and in the last case; we estimated on Da ≥ 10+3. The application of the HAZ model proved to be satisfactory since it could reduce the computation time by at least 40% compared to a pure kinetic approach. It should already be emphasized that the HAZ model allowed a better physical and chemical understanding of gasification by identifying the dominant local processes.

Submitted by Juliana Laiate (jlaiatetana@gmail.com) on 2018-10-04T19:13:17Z No. of bitstreams: 1 Juliana Laiate_Tese Doutorado_Correção Biblioteca_Versão Final.pdf: 5872852 bytes, checksum: c627770397e856b9d9aba7d0f399f835 (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2018-10-05T13:30:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 laiate_j_dr_guara.pdf: 5872852 bytes, checksum: c627770397e856b9d9aba7d0f399f835 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-05T13:30:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 laiate_j_dr_guara.pdf: 5872852 bytes, checksum: c627770397e856b9d9aba7d0f399f835 (MD5) Previous issue date: 2018-08-31 / Outra / O interesse na diversificação da matriz energética por meio de fontes de energias renováveis tem promovido mudanças no âmbito nacional e internacional, em setores acadêmicos, industriais, sociais e governamentais com foco no desenvolvimento de processos biotecnológicos baseados nos três pilares da sustentabilidade: ambiental, social e econômico. Frente a esse contexto, as microalgas são consideradas uma fonte promissora alternativa para a produção de biocombustíveis por apresentarem alta taxa de crescimento e de concentração de lipídeos. O presente trabalho realizou um estudo do processo de cultivo da microalga marinha Chlorella minutíssima por meio da ferramenta DOE – Design of Experiments para maximização da sua concentração microalgal e do teor lipídico simultaneamente, além de sua caracterização termoquímica para aplicação no processo de gaseificação. O cultivo ocorreu em fotobiorreator tubular descontínuo do tipo coluna de bolhas seguindo o arranjo ortogonal L8 de Taguchi, e as variáveis de processo foram fluxo de CO2 na alimentação, concentração de nitrato, concentração de fosfato, suplementação, temperatura e salinidade. A investigação demonstrou que a concentração de nitrato e fosfato, o fluxo de gás carbônico, a suplementação do meio e a temperatura são fatores influentes na concentração microalgal e no teor lipídico, sendo a melhor configuração para maximização conjunta, utilizando-se a função desirability, com o nitrato operando em nível alto e os demais fatores em nível baixo. A análise elementar forneceu teores condizentes com alguns relatos da literatura, a termogravimetria auxiliou na identificação das faixas de temperatura com maior taxa de decomposição (300 °C a 400 °C), e o poder calorífico superior da biomassa encontrado se demonstrou atrativo para a produção de syngas quando comparado ao de materiais como casca de arroz e lascas de eucalipto já empregados na gaseificação em maior escala. Dessa forma, a metodologia empregada e os resultados apresentados neste trabalho podem auxiliar na busca da viabilização econômica do cultivo, em grande escala, da microalga marinha Chlorella minutíssima para produção de biocombustível pelo processo de gaseificação. / The interest in diversifying the energy matrix through renewable energy sources has promoted changes at the national and international levels in academic, industrial, social and governmental sectors, focused on the development of biotechnological processes based on the three pillars of sustainability: environmental, social and economic. In this context, microalgae are considered a strong promising alternative source for the production of biofuels due to their high rate of growth and lipid concentration. The present work carried out a study of the cultivation process of the marine microalgae Chlorella minutíssima using DOE – Design of Experiments to maximize the cell growth and the lipid content simultaneously, besides its thermochemical characterization for application in the gasification process. Cultivation occurred in a discontinuous-tubular photobioreactor, bubble-column type, following Taguchi L8 Orthogonal Array design, and the process variables were: CO2 feed flow rate, nitrate concentration, phosphate concentration, supplementation (metals and vitamins), temperature and salinity. Results showed that the nitrate and phosphate concentration, CO2 feed flow, supplements and temperature are influential factors in the cell growth and lipid content, and the best configuration presenting good results for simultaneous maximization, using desirability, was nitrate operating at high level and the other factors at low level. Ultimate analysis provided levels consistent with some reports in the literature. Thermogravimetric analysis identified the temperature ranges with the highest decomposition rate (300 °C to 400 °C). The higher heating value of the biomass found was attractive for the production of syngas when compared to raw materials such as rice husk and eucalyptus chips already used in the larger scale gasification. In face of, the methodology employed and the results presented in this work can be useful in seeking economic feasibility of the large-scale cultivation of Chlorella minutíssima for the production of biofuels by the gasification process. / PRH48 - ANP

Orientador: Prof. Dr. Antonio Garrido Gallego / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / Embora classificada como biomassa, no Brasil, os resíduos sólidos urbanos apresentam-se como um desafio tanto na utilização como fonte energética como também em sua destinação. Desde a promulgação da Lei 12.305 de 02 de agosto de 2010, poucas mudanças foram realizadas principalmente em relação à disposição dos resíduos. Desse montante, 42% dos resíduos gerados não são destinados em aterros sanitários e sim em lixões ou vazadouros, colocando em risco a saúde da população local quanto o meio ambiente. Tecnologias de conversão dos resíduos como fonte energética já existem em vários países do mundo inclusive para minimizar a problemática de armazenamento, e apesar da matriz energética brasileira ser em grande parte renovável, o processo termoquímico de conversão dos resíduos ainda não está implantado para fins comerciais. Neste trabalho pretendeu-se analisar a influência da umidade e da composição gravimétrica dos resíduos sólidos urbanos em específico da cidade de Santo André, em uma planta de gaseificação. Para isso foram efetuadas simulações modificando-se a umidade dos resíduos e sua composição para verificação do rendimento e eficiência da planta. O estudo foi realizado utilizando-se o ciclo Rankine e posteriormente escolhido o Rankine Orgânico para as demais simulações. Como estes resíduos não são em sua maioria homogêneos, poderão ocorrer variações do ciclo ao longo do ano aumentando ou diminuindo sua eficiência global principalmente devido a variação da umidade e do poder calorífico inferior. Foi escolhido o ciclo Rankine Orgânico por apresentar como característica principal a minimização de utilização de água. Com esse estudo pode-se verificar também a eficiência de minimização de gases de efeito estufa em especial a emissão de metano na atmosfera. Dessa forma pode-se concluir que a gaseificação em conjunto com o ciclo Rankine Orgânico se apresenta como tecnologia apropriada para mitigação de vários problemas que envolvem a destinação do RSU e utilização desses recursos. Pode-se observar também que a medida que a umidade e a quantidade de compostos orgânicos diminuem, maior é a eficiência energética da planta. / Although municipal solid waste is classified as biomass in Brazil, it presents a challenge in utilization as energetic source as well as its destination. Since the enactment of law 12,305 of August 02nd , 2010, few changes were made mainly related to waste disposal. Of this amount, 42% of the waste generated are not disposed in controlled landfills but in dumps, posing a risk to population¿s health and the environment. Waste conversion technologies as an energetic source is already exists overseas in order to minimize major issues concerning its disposal; Brazilian energy matrix is in most part renewable, although thermochemical conversion is not available for commercial purposes. The aim of this work is analyze the influence of moisture content and gravimetric composition of MSW in the city of Santo Andre in a gasification plant. Simulation of generation plant was carried out modifying the moisture content of residues and its composition to verify the yield and efficiency of the plant. This study was carried out using Rankine cycle and then Organic Rankine cycle for the remaining simulations. As these residues are not mostly homogeneous, variations of the cycle may occur throughout the year increasing or decreasing their overall efficiency concerning with humidity and low heating value variation. Organic Rankine cycle was chosen due to the main characteristic of this cycle is the minimization of water use. The efficiency related to greenhouse gases emission was also verified concerning methane emission. Thus, gasification and Organic Rankine cycle may present as an appropriate technology despite municipal solid waste destination be still a question. The maximization of the efficiency of the plant is achieved when the humidity and organic compounds decrease.

Orientador: Prof. Dr. Antonio Garrido Gallego / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / A gaseificação é o processo de conversão termoquímica de um combustível sólido em um gasoso, produzindo o chamado gás de síntese a partir da sua combustão incompleta. O caráter energético do gás de síntese provém das parcelas metano (CH4), monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2) presentes, permitindo assim a utilização de resíduos sólidos para produção de um gás combustível, possibilitando sua melhor valoração em energia (waste-to-energy) com a sua utilização em ciclos de potência mais eficientes a partir de ciclos combinados e ganhos ambientais com esta conversão. Também há sua valoração para síntese de outros produtos químicos (waste-to-products) com maior valor agregado. Este trabalho tem como objetivo o estudo do processo de gaseificação, culminando na criação de modelos termodinâmicos para a descrição e predição deste fenômeno. Para isso foi realizada uma revisão bibliográfica, na qual foi feito um levantamento dos principais mecanismos descritivos do processo, principais aspectos relevantes de influência, parâmetros de análise e configurações dos principais gaseificadores utilizados atualmente. Também foram avaliados os modelos utilizados na literatura para descrição do processo, que dentre os quais escolheu-se metodologias baseadas na condição de equilíbrio químico para este trabalho. Estas metodologias utilizaram o chamado modelo estequiométrico e não-estequiométrico que se baseiam na condição supracitada. Foram identificadas deficiências quanto a previsão do gás de síntese resultante dos modelos propostos quando comparadas a dados experimentais levantados na literatura. Estas derivam principalmente da não representação de alguns fatores cinéticos, principalmente no tocante ao fenômeno de decomposição térmica no processo de gaseificação. Para contornar estas limitações, a introdução de correlações externas se mostra uma ferramenta comumente utilizada na bibliografia. Assim, foi analisada a inclusão de correlações para a previsão das parcelas de CO2, H2 e CH4, e uma função para a previsão de carbono não convertido (coque). Esta última se mostrou fundamental para uma melhor acurácia da previsão do poder calorífico do gás de síntese pelos modelos propostos. / Gasification is a thermochemical conversion process of a solid combustible into gaseous phase, producing a so-called syngas from an incomplete combustion. The energetic value of syngas is due to fractions of methane (CH4), carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2), which enable the utilization of solid residues to produce a combustible gas (waste-to-energy). Gasification provides a better energetic valuation with its utilization on more efficient power cycles through combined cycles and environmental gains due to the conversion process. In addition, it is possible to usage utilize syngas to produce other chemical compounds (waste-to-products) with a higher commercial value. This thesis main objective is to study the gasification process, where it is proposed mathematical models to describe and predicts this phenomenon. It is conducted a bibliographical review, of which includes the descriptive mechanism and main analysis influential parameters related to this process, where commonly utilized configurations gasifier is also explored. It was also analyzed the main models observed on the literature to describe the gasification process, of which was selected methodologies based on the chemical equilibrium for this work. These methodologies utilized the stoichiometric and non-stoichiometric models that were based on the previously mentioned condition. Deficiencies related to predicted values of the composition fractions of the syngas are observed when compared to experimental data from the literature. These derive mainly from the non-representation of kinetic factors, primarily due to the pyrolysis stage of the gasification process. The usage of external correlations are useful tools to smooth these deficiencies. Therefore, an analysis of the inclusion of correlations to predict gaseous fractions of CO2, H2 and CH4 of the syngas and the fraction of non-converted carbon (char) was made. The latter proposal has shown essential to a better accuracy of the modelled calorific value of syngas.

A indústria calçadista gera uma significativa quantidade de resíduos, sendo uma alternativa para destino destes o tratamento térmico, que reduz o volume e estabiliza componentes perigosos. Por conseguinte, isto vai ao encontro dos novos desafios na busca de fontes de energias alternativas pelo fato da combustão destes resíduos ser bastante convidativa em função do seu alto poder calorífico. Este estudo está focado na análise de uma planta piloto para o processamento de resíduos sólidos da indústria calçadista (biomassa) e posterior aproveitamento térmico na geração de energia elétrica. A planta é constituída basicamente de um sistema de gaseificação e combustão combinadas e um sistema de controle de poluição do ar. O detalhamento do comportamento do gaseificador é fundamental para a maximização da eficiência do processo, sendo assim, abordado neste estudo. Para análise do gaseificador, foi desenvolvida a sua modelagem matemática. Entretanto, sabe-se da indisponibilidade, muitas vezes, do maior ou menor detalhamento de dados experimentais (geometria do sistema, identificação de espécies intermediárias, etc.) para a simulação numérica satisfatória do processo. Neste sentido, são apresentados neste trabalho, dois modelos matemáticos: um modelo rigoroso e um modelo simplificado, com diferentes abordagens e detalhamento de dados a serem informados. O modelo rigoroso considera a cinética química e os fenômenos de transferência envolvidos; já o modelo simplificado, limita-se a um modelo de equilíbrio químico e termodinâmico do sistema. Os modelos foram implementados no simulador de processos genéricos baseado em equações, EMSO. Depois de validados com dados de literatura, os modelos foram aplicados para simulações de condições reais de operação da planta e análise de sensibilidade frente a parâmetros de operação. Ambos modelos conseguiram representar razoavelmente bem o sistema experimental, dentro das limitações de cada abordagem, o que foi possível identificar condições teóricos ideais para operação a fim de se conseguir a máxima eficiência da planta. / The footwear industries generate an expressive amount of solid wastes. So that the thermal treatment technologies are an alternative destination to these wastes, once their filled volume are reduced and dangerous components are stabilized. Consequently, it can be related to new challenge on alternative energy resources due to combustion of these wastes is attractive in reason of their high calorific value. This study is focalized in the analysis of a pilot plant to process solid wastes (biomass) of footwear industries and using of its thermal capacity to generate electrical energy. The pilot unit is basically formed of one combined gasifier-combustor and one air pollution control system. The analysis of gasifier operation is fundamental to improve the process performance, so that evaluated here. To this task, the mathematical modeling of gasification system was developed. However it is well-known that practical data (geometric measures, identification of intermediary compounds, etc.) are oftentimes available on high or low detailed levels to satisfactory process simulation. In this sense, two mathematical models are presented: one rigorous model and one simplified model based on the level of details and input data. The rigorous model takes into account the chemical kinetics and the involved transfer phenomena; on the other hand the simplified model is limited to thermochemical equilibrium of the system. The models were implemented in an equation-based simulator of generic processes, EMSO. After validation with data from literature, the models were applied for simulation of actual operating conditions of pilot plant and sensitivity analyses regarding to operating parameters. Both models compare reasonably well with experimental system, inside of limitations of each approach. This makes possible to predict the ideal operating conditions in order to reach the maximum efficiency of the pilot plant.

A gaseificação é um processo de conversão termoquímica que compreende a oxidação parcial de um combustível para convertê-lo em uma mistura gasosa (“syngas”). Geralmente a modelagem desses processos utiliza uma descrição cinética detalhada ou os aproximam ao equilíbrio químico. Ambas as abordagens têm vantagens e desvantagens, bem como limitações. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de uma nova modelagem fenomenológica de processos de gaseificação através de um modelo “híbrido” aqui chamado de modelo híbrido adaptativo por zonas (HAZ). Este modelo assumiu que o gaseificador é representado por zonas de dois tipos: uma dominada pela cinética química, representada por um modelo cinético, e outra onde a cinética química é rápida e as espécies químicas estão em equilíbrio químico, representada por um modelo de equilíbrio. Um critério de transição entre as zonas foi proposto através de um número de Damköhler (Da) que relaciona tempos de residência e de reação química. Desta forma, o modelo adapta-se conforme os processos dominantes em cada zona. Em um primeiro momento, um modelo de equilíbrio multifásico (EM) foi desenvolvido e aplicado para um estudo da cogaseificação de carvão mineral e biomassas disponíveis no Brasil. A seguir, o modelo HAZ foi construído através da técnica de rede equivalente de reatores químicos (ERN) a partir do modelo EM e de um modelo cinético, também desenvolvido neste trabalho. Uma metodologia de aplicação do modelo HAZ foi proposta, aplicada e validada para duas configurações de gaseificadores: dois casos de gaseificadores de biomassa em leito fluidizado borbulhante e um caso de gaseificador de carvão mineral em leito de arraste. Para os dois primeiros casos foi estimada que a transição ocorra para Da ≥ 10+5 e para o último caso; chegou-se a Da ≥ 10+3. A aplicação do modelo HAZ se mostrou satisfatória sendo que foi possível a redução do tempo computacional em pelo menos 40% com relação a uma abordagem puramente cinética. Cabe ressaltar ainda que o modelo HAZ possibilitou um maior entendimento físico e químico ao identificar os processos dominantes locais. / Gasification is a thermochemical conversion process consisting of partial oxidation of a fuel to convert it to a gas mixture (“syngas”). Generally, the gasification process modeling uses a kinetic detailed description, or approach it to a chemical equilibrium state. Both approaches have advantages and disadvantages, as well as limitations. The objective of this work was to develop a new phenomenological modeling of gasification processes through a “hybrid” model here called hybrid adaptive zone model (HAZ). This proposed modeling assumed the gasifier is represented by two types of zones: one dominated by chemical kinetics, represented by a kinetic model, and another where chemical kinetics is fast so chemical species are assumed in chemical equilibrium states, represented by an equilibrium model. A transition criterion between zones was defined by a Damköhler number (Da) which relates residence time and chemical reaction time. Therefore, the HAZ model can adapted according to the dominant processes in each zone. Firstly, a multi-phase equilibrium model (ME) was developed and applied to study the coal-biomass co-gasification of Brazilian sources. Hereafter, the HAZ model was built using the technique of equivalent reactor network (ERN) with the ME model and a kinetic model developed in this work. A methodology of use of the HAZ model was proposed, applied and validated for two configurations of gasifiers: two cases of biomass bubbling fluidized-bed gasifiers and one case of coal entrained-flow gasifier. In the first two cases the transition was estimated to occur on Da ≥ 10+5 and in the last case; we estimated on Da ≥ 10+3. The application of the HAZ model proved to be satisfactory since it could reduce the computation time by at least 40% compared to a pure kinetic approach. It should already be emphasized that the HAZ model allowed a better physical and chemical understanding of gasification by identifying the dominant local processes.

A indústria calçadista gera uma significativa quantidade de resíduos, sendo uma alternativa para destino destes o tratamento térmico, que reduz o volume e estabiliza componentes perigosos. Por conseguinte, isto vai ao encontro dos novos desafios na busca de fontes de energias alternativas pelo fato da combustão destes resíduos ser bastante convidativa em função do seu alto poder calorífico. Este estudo está focado na análise de uma planta piloto para o processamento de resíduos sólidos da indústria calçadista (biomassa) e posterior aproveitamento térmico na geração de energia elétrica. A planta é constituída basicamente de um sistema de gaseificação e combustão combinadas e um sistema de controle de poluição do ar. O detalhamento do comportamento do gaseificador é fundamental para a maximização da eficiência do processo, sendo assim, abordado neste estudo. Para análise do gaseificador, foi desenvolvida a sua modelagem matemática. Entretanto, sabe-se da indisponibilidade, muitas vezes, do maior ou menor detalhamento de dados experimentais (geometria do sistema, identificação de espécies intermediárias, etc.) para a simulação numérica satisfatória do processo. Neste sentido, são apresentados neste trabalho, dois modelos matemáticos: um modelo rigoroso e um modelo simplificado, com diferentes abordagens e detalhamento de dados a serem informados. O modelo rigoroso considera a cinética química e os fenômenos de transferência envolvidos; já o modelo simplificado, limita-se a um modelo de equilíbrio químico e termodinâmico do sistema. Os modelos foram implementados no simulador de processos genéricos baseado em equações, EMSO. Depois de validados com dados de literatura, os modelos foram aplicados para simulações de condições reais de operação da planta e análise de sensibilidade frente a parâmetros de operação. Ambos modelos conseguiram representar razoavelmente bem o sistema experimental, dentro das limitações de cada abordagem, o que foi possível identificar condições teóricos ideais para operação a fim de se conseguir a máxima eficiência da planta. / The footwear industries generate an expressive amount of solid wastes. So that the thermal treatment technologies are an alternative destination to these wastes, once their filled volume are reduced and dangerous components are stabilized. Consequently, it can be related to new challenge on alternative energy resources due to combustion of these wastes is attractive in reason of their high calorific value. This study is focalized in the analysis of a pilot plant to process solid wastes (biomass) of footwear industries and using of its thermal capacity to generate electrical energy. The pilot unit is basically formed of one combined gasifier-combustor and one air pollution control system. The analysis of gasifier operation is fundamental to improve the process performance, so that evaluated here. To this task, the mathematical modeling of gasification system was developed. However it is well-known that practical data (geometric measures, identification of intermediary compounds, etc.) are oftentimes available on high or low detailed levels to satisfactory process simulation. In this sense, two mathematical models are presented: one rigorous model and one simplified model based on the level of details and input data. The rigorous model takes into account the chemical kinetics and the involved transfer phenomena; on the other hand the simplified model is limited to thermochemical equilibrium of the system. The models were implemented in an equation-based simulator of generic processes, EMSO. After validation with data from literature, the models were applied for simulation of actual operating conditions of pilot plant and sensitivity analyses regarding to operating parameters. Both models compare reasonably well with experimental system, inside of limitations of each approach. This makes possible to predict the ideal operating conditions in order to reach the maximum efficiency of the pilot plant.

Orientador: Prof. Dr. Adriano Viana Ensinas / Coorientador: Prof. Dr. Reynaldo Palacios Bereche / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, Santo André, 2018. / A indústria brasileira de bioetanol estima uma produção de vinhaça de 339,5 bilhões de litros na safra de 2017/2018. Devido a presença de compostos orgânicos e inorgânicos, há grande interesse em seu reaproveitamento como fertilizante nas lavouras de cana-de-açúcar. Porém, é observado que ao utilizá-la em grande quantidade, sem respeitar a saturação do solo pela Capacidade de Troca Catiônica (CTC), este efluente é lixiviado poluindo o lençol freático. De maneira a aproveitar a água em excesso contida nesse efluente, diferente dos processos termoquímicos convencionais os quais necessitam uma etapa de concentração, este trabalho propõe uma rota que aplica a tecnologia da Gaseificação Hidrotérmica Supercrítica (SCWG) para beneficiamento da vinhaça com o objetivo de produzir gás de síntese com alto teor de CH4 ou H2, o qual pode ser comercializado para produção de outros compostos com maior valor agregado, como a amônia ou o metanol, ou ainda, utilizado como combustível para conversão a energia elétrica. Para isso foi elaborado um diagrama de processo e desenvolvida uma metodologia para representação das propriedades físico-químicas da vinhaça visando sua modelagem/simulação por meio do software Aspen Plus®. Além disso, foi realizado um estudo para otimização do consumo de energia do processo utilizando técnicas de integração energética pelo Método Pinch. A modelagem do efluente indicou que a equação de estado de SoaveRedlich-Kulong (SRK) é a que melhor se adequa a definição das propriedades físicas e químicas em condição de equilíbrio Vapor-Liquido-Liquido (VLL) ao serem comparadas com dados experimentais. Ao tratar 582.75 m³/h de vinhaça, a rota possui uma capacidade de produção equivalente a 17 kg de CH4 ou 8,6 kg de H2 por kg de cana-de-açúcar. O gás de síntese produzido apresenta poder calorífico inferior (PCI) igual a 49 MJ/kg para o gás rico em CH4 e 64 MJ/kg para o H2. Além disso, ao ser utilizado na conversão em energia elétrica em uma turbina a gás foi capaz de produzir excedentes de eletricidade de 19 e 31 MW para o CH4 e o H2 respectivamente. A conversão total da vinhaça produzida no Brasil por meio desta tecnologia tem um potencial para atender a demanda de eletricidade de 7,5 milhões de residências. As eficiências energéticas do processo independente dos compostos produzidos são equivalentes, o que não estabelece um critério para favorecimento da produção. Este direcionamento deve considerar o valor agregado e o comportamento do mercado para sua comercialização, desta maneira, o emprego da SCWG seja em alta ou baixa escala, pode afetar positivamente a receita da usina além de contribuir na diversificação da matriz energética nacional e diminuição dos impactos ambientais locais proporcionados pelo uso inapropriado da vinhaça. / The Brazilian bioethanol industry estimates a production of 339.5 billion litres of vinasse in the 2017/2018 harvest season. Due to the presence of organic and inorganic compounds, there is great interest in its reuse as fertilizer. However, is observed that when it is used in large quantity, without respecting the saturation of the soil by the Cation Exchange Capacity (CEC), this effluent is leached polluting the groundwater. In order to take advantage of the water excess contained in this effluent, different from conventional thermochemical processes which require a concentration step, this work proposes a route that applies Supercritical Water Gasification (SCWG) technology for the vinasse treatment in order to produce syngas with a high CH4 or H2 content, which can be commercialized to produce other compounds with higher added value, such as ammonia or methanol, or used as fuel for conversion to electric energy. For this, a process diagram and a methodology were developed to represent the physical-chemical properties of the vinasse to simulate the route using Aspen Plus® software. In addition, a study was carried out to optimize the process energy consumption using Pinch Method by energy integration techniques. The effluent modeling indicated that the most appropriate equation to the physical-chemical properties definition is the Soave-Redlich-Kulong (SRK) with VaporLiquid-Liquid equilibrium (VLL) when compared with experimental data. The treatment of 582.75 m³/h of the vinasse by the proposed route, has a production capacity equivalent to 17 kg of CH4 or 8.6 kg of H2 per kg of sugarcane. The syngas produced has a lower heat value (LHV) in dry basis equal to 49 MJ / kg for CH4 rich gas and 64 MJ / kg for the case with H2. Moreover, when used for conversion to electric energy in a gas turbine, it is being able to produce a surplus energy equal to 19 or 31 MW, respectively. The total conversion of vinasse produced in Brazil through this technology has the potential to meet the electricity demand of 7.5 million residences. The process energy efficiencies are equivalent independently of which compounds are produced, which does not establish a production criterion. This targeting should consider the value added and the market behavior for its commercialization, so that the SCWG's employment on a high or low scale, can positively affect the plant's revenue, besides contributing to the diversification of the national energy matrix and the reduction of local environmental impacts of the inappropriate use of vinasse.