Neste trabalho, cujo enfoque é inédito na literatura, apresentam-se as principais diretrizes para a implementação de um Mecanismo de Desenvolvimento Limpo, bem como as possibilidades de geração de Redução Certificada de Emissão e sua valoração. Por meio de sistemas adequados, indicados em literatura, estimaram-se as quantidades de gás carbônico que poderiam ser obtidos, elegendo-se para este trabalho, o processo de gaseificação de resíduos de biomassa em algumas culturas agrícolas brasileiras. Em relação ao gás carbônico gerado no processo sugere-se, para avaliar a obtenção de créditos de carbono, que sua captura seja feita através da sua fixação na produção de um fertilizante, que teve seu valor estimado no mercado. Para comprovar essa possibilidade fizeram-se experimentos em escala laboratorial, retendo-se o CO2 em hidróxido de amônio. Análises termogravimétricas, espectroscopia no infravermelho, de difração de raios-X e CHN comprovaram a obtenção do bicarbonato de amônio. Para os valores numéricos foram consultadas nas bibliografias referentes, as culturas agrícolas brasileiras com índices de produção de resíduos conhecidos, estabelecendo-se então uma base de dados numéricos para a formação dos valores correspondentes. Os resultados deste trabalho permitem afirmar que existe uma grande potencialidade para o aproveitamento dos gases resultantes da gaseificação dos resíduos de biomassa, principalmente do gás carbônico na produção de um fertilizante e, com a possibilidade de implementação de um Mecanismo de Desenvolvimento Limpo no país. / In this work, whose approach is unknown in literature, the main lines of direction for the implementation of a Mechanism of Clean Development are presented, as well as the possibilities of generation of Certified Reduction of Emission and its valuation. By means of adjusted systems, indicated in literature, the approach amounts of carbonic gas had been raised that could be gotten, choosing itself for this work, the process of gasification of residues of biomass in some Brazilian agricultural cultures. In relation to the carbonic gas produced in the process it is suggested that to quantify the carbon credits, the capture is made through its setting in the production of a fertilizer that had its approach value searched in the market. To prove this possibility experiments in laboratorial scale had become, holding back the CO2 in the fertilizer ammonium bicarbonate. Termogravimetics analyses, spectra infra-red ray, x-rays diffratograms and CHN had been made and had confirmed that the product was the fertilizer ammonium bicarbonate. For the numerical values, it had been consulted in referring bibliographies, the Brazilian agricultural cultures with indices of production of known residues, establishing then a numerical database for the formation of the corresponding values. The results of this wok allow to affirm that a great potentiality for the exploitation of the resultant gases of the gasification of the residues of biomass, mainly of the carbonic gas in the production of a fertilizer exists and, with the possibility of implementation of a Mechanism of Clean Development in the country.

Há décadas a energia solar atrai pesquisadores de todo o planeta devido ao seu enorme potencial de aplicações como fonte de energia térmica. Com a crescente preocupação com o Meio Ambiente e a busca por fontes renováveis de energia, o interesse pelo aproveitamento da energia proveniente do Sol cresceu ainda mais. Apesar de desafios como a intermitência e a sazonalidade solares, e a dificuldade de transporte desta forma de energia, a busca por técnicas de armazenamento visa mitigar estes problemas. Uma alternativa termoquímica é a produção de combustíveis solares, ou seja, combustíveis obtidos por meio do uso da energia concentrada do Sol que possam ser estocados e transportados para onde e quando houver demanda de energia. Uma aplicação de destaque neste tema é a gaseificação de biomassa para a produção de gás de síntese (CO + H2). A gaseificação visa aumentar o potencial energético da biomassa sólida ou líquida ao realizar uma reação endotérmica que transfere a energia acumulada do Sol (por meio de concentradores) para as ligações químicas, com a recombinação dos átomos na forma de gás de síntese. Este gás, além do seu maior poder calorífico, é matéria-prima para muitos processos da indústria química. Desta forma, o objetivo desta reação é obter um combustível mais homogêneo e de fácil manuseio. A gaseificação é uma alternativa importante para o aproveitamento energético da biomassa, pois esta é normalmente bastante heterogênea. Sendo assim, o uso de gaseificadores viabiliza o uso de madeira, resíduos urbanos e agrícolas e outras matérias orgânicas como fontes de energia. Assim, este trabalho apresenta um estudo da utilização de concentradores solares para o processo de gaseificação de biomassa e a concepção de um reator químico solar para operação em escala laboratorial para a sequência dos estudos neste campo de pesquisa. Por meio de uma modelagem térmica, o trabalho destaca a viabilidade técnica da gaseificação solar de biomassa, comprovando um ganho energético e uma redução das emissões de gás carbônico em comparação com a queima direta da biomassa. Por fim, são apresentados os parâmetros de construção e operação de um gaseificador de pequena escala. / From decades, solar energy has instigated researchers worldwide due to its enormous potential. With raising concern for the environment and the search for renewable energy sources, the interest in using the Sun as a power supply grew even more. Despite challenges as the solar seasonality and intermittence, and difficulties transport its energy, innovative storage techniques aim to mitigate those issues. A thermochemical alternative is the production of solar fuels - fuels obtained from concentrated solar power (CSP) - which can be stocked and transported to the time and place there is demand. A forthcoming application in this field is biomass steam-gasification for syngas production (CO + H2). Gasification increases the thermal potential of liquid and solid biomass by means of an endothermic reaction that transfers solar energy (via radiation concentrators) to chemical bonds, re-combining the atoms as syngas (hydrogen and carbon monoxide). This gas mixture, besides its thermal potential, is a raw material for numerous processes in chemical industry. The purpose of this process is to obtain a fuel more homogenous and easy to manipulate. The gasification is an important alternative to biomass energy use, once it is generally heterogeneous. Thus, gasifiers enable the use of wood, algae, solid waste, agricultural byproducts, and other organic matter as power supplies. Therefore, this project presents the study of solar concentrators use in the steamgasification of biomass and the conception of a solar chemical reactor for laboratoryscale tests for the future steps of the research in this field. Models and bibliographic references points to the technical feasibility of solar steam-gasification of biomass, verifying a significant energy gain and carbon emission reduction comparing to direct burn of biomass. Ultimately, the dissertation presents the constructive and operational parameters of a small-scale gasifier.

A determinação de cada espécie que compõe uma mistura gasosa tem sido alvo de muitas pesquisas. Existem equipamentos para tal finalidade tais como, cromatografia gasosa, espectroscopia de infravermelho e sensores. A fim de viabilizar uma aplicação de baixo custo para a determinação da concentração de espécies em uma mistura gasosa, neste trabalho, é proposto um aparato para sensoriamento de H₂, CH₄ e CO encontrados em gases combustíveis. O sensoriamento é efetuado por quimioresistores de SnO₂ comercialmente disponíveis. O aparato consiste de um sistema de coleta da mistura gasosa e de sua diluição antes de seguir com a análise feita pelos sensores, obedecendo aos requisitos de segurança contra explosões. O aparato foi submetido a 125 diferentes misturas oriundas da combinação das concentrações de 0, 200, 800, 1500 e 2000 ppm de cada espécie gasosa utilizando o nitrogênio (99,999%) como gás de arraste. As amostragens foram avaliadas sob dois diferentes métodos de recuperação dos sensores: forçado e natural. Através dos resultados experimentais obtidos, foi observado que: a sensibilidade cruzada dos sensores de CO e de CH₄ é bastante elevada enquanto que o sensor de H₂ apresentou maior seletividade e, o método de recuperação natural apresentou melhores resultados em função da estabilidade térmica do sistema. Uma rede neural artificial foi desenvolvida e treinada com o objetivo de superar o problema das sensibilidades cruzadas. Os resultados obtidos pela rede neural são promissores e apresentaram erro máximo de 0,1 % para o hidrogênio, 23% para o metano e 29% para o monóxido de carbono para a obtenção da concentração absoluta de H₂, CH₄ e CO encontrados em misturas com composições conhecidas de antemão. / The achievement of the content of each component of a gas mixture from gasifiers has been a matter of several studies. There are specific techniques for this purpose, such as: gas chromatography, infrared spectroscopy and sensors. In order to allow a low cost application for obtaining the concentrations in a gas mixture, this study proposes a set up for sensing H₂, CH₄ and CO found in fuel gases produced by gasifiers. The sensing is performed by commercially available chemiresistors of SnO₂. The proposed set up collects the gas mixture and dilutes it before proceeding the sensing step, based on the safety requirements to avoid explosion. 125 different gas mixtures were prepared from the combination of 0, 200, 800, 1500 and 2000 ppm of H₂, CH₄ and CO using nitrogen (99.999%) as the carrier gas. The samples were evaluated under two different methods for sensor recovery: forced and natural. Based on the results, it was established that: the cross sensitivity of the CO and CH₄ sensors is too high while the H₂ sensor presents higher selectivity (almost 100%) and the natural recovery method showed improved results because of the better thermal stability of the system. An artificial neural network was developed and trained with the purpose of overcoming the problem of cross sensitivities. The results achieved by means of the neural network are promising and indicated a maximum error of 0.1% for hydrogen, 23% for methane and 29% for carbon monoxide when the absolute concentration of H₂, CH₄ and CO found in the gas mixtures are obtained from well known compositions.

Orientador: Caio Glauco Sánchez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T18:32:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vissotto_JoaoPaulo_M.pdf: 17443827 bytes, checksum: 1532a467facbbea36dcaa47864ef9b7d (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Este trabalho aborda o estudo da cogaseificação de dois tipos de resíduos de biomassas (serragem de pinus e lodo de esgoto sanitário esgoto sanitário e industrial da cidade de Americana - SP) com o objetivo de comprovar experimentalmente os efeitos sinérgicos de misturas dessas biomassas. O lodo de esgoto não tem PCI suficiente para sustentar o processo de gaseificação sozinho, assim sua mistura com a serragem possibilita a realização do processo, além da diluição de possíveis contaminantes. Na caracterização das biomassas escolhidas, foram determinados os valores de PCI para o pinus de 17,19 MJ.kg-1 e para o lodo de 11,48 MJ.kg-1. Os teores de voláteis foram de 89,69 % e 58,32 % respectivamente. Os ensaios foram realizados no gaseificador do Laboratório de Combustão e Gaseificação do Departamento de Engenharia Térmica e de Fluídos da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP, que é um reator de leito fluidizado borbulhante. Durante os ensaios de gaseificação foram selecionados dois fatores de ar para gaseificação exclusiva de pinus (0,30 e 0,50). Os valores de poder calorífico do gás produto foram calculados a partir da concentração do gás obtido, determinado por cromatografia gasosa, sendo os valores de 3,63 ± 0,4 MJ. Nm-3 e 1,92 ± 0,2 MJ. Nm-3 respectivamente. A adição de lodo para os ensaios de cogaseificação foram à razão de 25 % em massa, base seca, para o fator de ar de 0,30, pois nesse fator de ar ocorreu o melhor PCI do gás e o melhor rendimento a frio do gaseificador com gaseificação de pinus puro (37,1%). O valor de PCI para o gás produto da cogaseificação foi de 2,62 ± 0,67 MJ. Nm-3. O rendimento médio do gaseificador caiu para 29,3% / Abstract: This work aims to study the cogasification of two types of biomass residues (sawdust pine and sanitary and industrial sewage sludge from Americana City - São Paulo State) in order to experimentally demonstrate the synergistic effects of mixtures of these biomasses .The LHV of the sewage sludge is not enough to sustain the gasification process alone, so its mixture with sawdust allows the realization of the process and the dilution of possible contaminants. In the characterization of biomasses, the LHV values were for pine 17.19 MJ.kg-1 and for the sludge 11.48 MJ.kg-1. The content of volatiles were 89.69 % and 58.32 % respectively. Experiments were performed in the gasifier of The Combustion and Gasification Laboratory, Department of Thermal Engineering and Fluid Mechanics of the Faculty of Mechanical Engineering , UNICAMP , which is a bubbling fluidized bed reactor. During the gasification tests, two air ratio were selected for gasification of pine alone (0.30 and 0.50). The low heating value of the product gas was calculated from the gas concentration, determined by gas chromatography, with values of 3.63 ± 0.4 MJ.Nm-3 and 1.92 ± 0.2 MJ.Nm-3 respectively. The addition of sewage sludge for cogasification was in the rate of 25 % on dry basis, for 0.30 air ratio, because in this air ratio occurred the best LHV in the gas and the best performance of gasifier with pure pine ( 37.1 %). The average value of LHV for gas product of cogaseificação was 2.62 ± 0.67 MJ . Nm-3. The average efficiency of the gasifier fell to 29.3 % / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Jorge Isaias Llagostera Beltran / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:16:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GarridoGallego_Antonio_D.pdf: 11320974 bytes, checksum: d1702116bf8e0ebf5054039fdb95c556 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: O setor de papel e celulose é um grande consumidor de energia, na forma de eletricidade e vapor de processo. Sistemas de cogeração têm sido utilizados em fábricas de produção de celulose, em particular o processo Kraft, sendo responsável por aproximadamente 50 por cento do total de eletricidade consumida em empresas de produção de celulose e em empresas integradas. O sistema geralmente usado é composto de caldeira de biomassa, queimando cavacos, cascas e resíduos de madeira, e caldeira de recuperação Tomlinson, queimando licor negro, que contém substâncias orgânicas (lignina) dissolvidas provenientes das fibras de celulose. Como a produção de ambos combustíveis depende da produção de celulose, o aumento da geração de potência é limitado com a tecnologia atual. Vários centros de pesquisa propõem novas tecnologias como: Sistema Integrado de Gaseificação de Biomassa e Ciclo Combinado (BIG/CC) e Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado (BLG/CC) estas são tecnologias em desenvolvimento em países como Estados Unidos, Finlândia e Suécia. Estudos realizados indicam que a tecnologia de BLGCC tem potencial de aumentar significativamente a quantidade de eletricidade produzida a partir do licor negro. O Sistema de Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado(BLGCC) possui potencial de dobrar a energia elétrica a ser fomecida à indústria de celulose Kraft, além de melhores perspectivas ambientais e de custo se comparado com a caldeira de recuperação (caldeira Tomlinson) com turbina a vapor. Neste trabalho, diferentes configurações de Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado (BLGCC) foram propostas: gaseificador a baixa temperatura operando a 700ºC e ar a baixa pressão (0,2 MPa), gaseificador a alta temperatura operando a 950ºC e ar pressurizado a 2,5 MPa, gaseificador a alta temperatura operando a l000ºC e oxigênio pressurizado a 2,5 MPa, e gaseificador a alta temperatura operando a 1400ºC e oxigênio pressurizado a 2,5 MPa. Essas quatro configurações são comparadas ao sistema com Caldeira Tomlinson e turbina a vapor. Para avaliar as características termodinâmicas das diferentes configurações de ciclos, um programa computacional foi desenvolvido para modelar os equipamentos do ciclo de potência como gaseificador, turbina a gás, caldeira de recuperação, e turbina a vapor. Os resultados permitiram avaliar a influência dos vários parâmetros de desempenho do ciclo a partir do uso da primeira lei e da segunda lei da Termodinâmica. O modelo desenvolvido possibilitou identificar as irreversibilidades nos sistemas e sub-sistemas, as vantagens e na discussão sobre perspectivas para implantação da Gaseificação de Licor Negro e Ciclo Combinado (BLGCC) no setor de papel e celulose / Abstract: The pulp and paper industry is a large energy consumer, mainly in the forms of electricity and process steam. Cogeneration systems have long been applied in pulp mills, particularly in Kraft process, where they are responsible for roughly 50 per cent of the total of the electricity consumed by an pulp plant and integrated planto The most generally used system is composed of a biomass boiler, bmning bark, branches and waste wood and recovery Tomlison boiler, bmning black liquor which contains most of the organic substances (lignin) that must be dissolved in order to release the celulose fibbers. Since the production of both fuels depend on the pulp production, the increase in power generation is limited with the present technology. Many research centers have been proposing new technologies: the Biomass Integrated Gasifeir/Combined Cycle (BIG/CC) and Black Liquor Gasifer/ Combined Cycle (BLG/CC) are technologies in development in countries like United States, Finland and Sweden. Studies have indicated that BLG/CC technology have the potential for a significant increase in the amount of electricity produced ftom the b1ack liquor. B1ack Liquor Gasification with an integrated Combined Cycle (BLGCC) has the potential to double the amount of net electricity in a Kraft Pulp mill, with prospective environmental and capital cost benefits compared to a Recovery Boiler (Tomlison Boiler) with a steam turbine. In this work, a thermodynamic analysis of different proposals of B1ack Liquor Gasifer/ Combined Cycle (BLGCC) is made: low temperature gasifier, which operates at 700ºC and the air is blown at low pressure (0,2 MPa), high temperature gasifier operating at 950ºC and pressurized ar is blown at 2,5 MPa, high temperature gasifier operating at 1000°C and pressurized oxygen at 2,5 MPa and high temperature gasifier operating at 1400ºC and pressurized oxygen at 2,5 MPa. These four proposals are compared to a Tomlison Boiler with a steam turbine. To assess the thermodynamic characteristics of the different cycle configurations, a computer program was developed to model a power cycle equipped with a gasifier, a gas turbine, a heat recovery steam generator and a steam turbine. The resu1ts pennit to evaluate the influence of several parameters on the cycle performance according to the First and Second Laws of Thermodynamics. The developed modeling allowed the evaluated to identify the Ü'reversibilities in the systems and sub-systems, their advantages and to discuss the perspectives for the implementation ofB1ack Liquor Gasifer/ Combined Cycle (BLGCC) in the pulp and paper sector / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T09:30:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JaimesFigueroa_JaiverEfren_D.pdf: 4291833 bytes, checksum: dc5592f8288a01f2f792aac9bf02f01b (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Os processos termoquímicos permitem a conversão da biomassa em outros produtos de maior interesse e valor agregado. Dentre os processos termoquímicos destacam-se a pirólise e a gaseificação, sendo o alcatrão e gases, os principais produtos resultantes. Estes produtos possuem um grande potencial como intermediários químicos, combustíveis, lubrificantes e energia, tornando os processos termoquímicos muito atrativos. Este trabalho teve como objetivo avaliar experimentalmente dois processos termoquímicos: pirólise e gaseificação, usando bagaço de cana-de-açúcar como matéria-prima. Foram avaliados dois tipos de reatores: leito fixo e leito fluidizado. Inicialmente, foi realizada uma revisão bibliográfica para a obtenção das propriedades físico-químicas da matéria-prima, valores típicos sobre dimensionamento de reatores, cinéticas de reação e características dos produtos obtidos pela via termoquímica, com a finalidade de estudar o comportamento fluidodinâmico do sistema. Posteriormente, foi realizada uma simulação no software comercial ANSYS-FLUENT V12TM, obtendo-se pequenos desvios entre os valores preditos e os encontrados na literatura, o que gerou uma ferramenta computacional com potencial para avaliação dos processos termoquímicos utilizando material lignocelulósico. Após o estudo computacional, foram realizados dois estudos experimentais: um do processo de pirólise e outro de gaseificação. Os estudos experimentais foram realizados usando dois tipos de reatores com características diferentes, quando comparados aos reatores encontrados na literatura. A pirólise lenta a altas temperaturas do bagaço foi desenvolvida em reator de leito fixo em batelada, contendo uma mistura de bagaço e alumina/sílica (carga máxima de bagaço 4 g). Foram testadas várias temperaturas, superiores a 500 °C, e encontrado que um aumento nesta variável significou em um aumento da quantidade de gases e diminuição de carvão produzido. O alcatrão obtido foi independente da temperatura (20 % mássico). Utilizando o mesmo reator, foi realizada uma reação de gaseificação de bagaço de cana-de-açúcar a 900 °C e relação mássica vapor/bagaço igual a 2,0, obtendo-se maior rendimento de gases e menor de carvão. Além disso, o gás produzido continha porcentagem maior de hidrogênio quando comparado ao gás obtido por pirólise empregando a mesma temperatura. A gaseificação do bagaço foi realizada em um reator de leito fluidizado (elaborado e desenvolvido pelo grupo de pesquisa LOPCA/BIOEN/FEQ/UNICAMP para esta tese). Este reator foi instalado, testado e colocado em funcionamento com uma vazão de bagaço de até 3 kg/h. As reações foram feitas usando diferentes relações ER (razão mássica entre as relações (ar/bagaço) e (ar necessário para combustão completa/bagaço). Cada relação ER testada proporcionava uma temperatura de reação diferente, obtendo-se uma distribuição de produtos com características diferentes entre si. Os produtos da gaseificação foram caracterizados. Valores de ER mais elevados ofereceram maiores temperaturas de reação e, consequentemente, maiores rendimentos de gases e porcentagens de H2 e CO / Abstract: The thermochemical processes allow the biomass conversion in others products, producing simpler structures, which are more interesting. Two main thermochemical processes are the pyrolysis and gasification, which produce tar and gases. These products have an enormous potential as intermediate chemical compounds, fuels, lubricants and energy, making the thermochemical processes very relevant. In this work, both processes aforementioned were object of experimental study, using sugarcane bagasse as raw material. Two different reactors were analyzed: fixed bed and fluidized bed. A bibliographic research was made as a starting point, collecting enough information about the properties of the raw material, typical dimensions of the reactors, reaction kinetics and characteristics of the products. In order to study the fluid-dynamic behavior of the system some simulations were performed, using the ANSYS-FLUENT V12TM software. The simulation results presented small deviation compared to the experimental results reported on the literature, which indicates that the simulated system is a powerful tool to validate thermochemical processes that involve lignocellulosic materials. Subsequently, two experimental studies were developed: one for pyrolysis and other for gasification. For each process mentioned before, we used two types of reactors that differ from the reactors found on the literature. Bagasse pyrolysis was made on a fixed bed batch reactor, using a mixture of bagasse and alumina-silica (the bagasse does not exceed 4 grams). Different temperatures above 500 ºC were used, showing that the quantity of obtained gases were proportional to the temperature, while the quantity of carbon was inversely proportional. On the other hand, the tar produced in the reaction does not depend on the temperature (20 % mass). The same reactor was used to do the gasification of sugarcane bagasse at 900 ºC and a steam/bagasse mass ratio of 2.0, obtaining a bigger production of gas and smaller production of carbon. Additionally, the obtained gas contains a bigger proportion of hydrogen than the gas produced with pyrolysis, using the same temperature. Finally, other gasification were performed, using a fluidized bed reactor acquired by the LOPCA/BIOEN/FEQ/UNICAMP research group, which produces a bagasse output up to 3 kg/h. All reactions were made using different ER relations (air/bagasse mass ratio). Each ER relation produced a different reaction temperature, obtaining a product distribution with different characteristics between them. The products obtained were characterized. The higher ER values offered bigger temperatures of reaction and consequently, higher yield of gas and percentages of H2 and CO proportions / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

A gaseificação utiliza o conteúdo intrínseco de carbonos e hidrogênios das matérias primas sólidas ou líquidas na geração de uma mistura de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Tal mistura pode ser utilizada como matéria prima na síntese de novos produtos ou como combustível. A gaseificação pode ser utilizada no processamento de uma gama variada de produtos, independentemente de suas características ou estado físico. A utilização de biomassa como insumo da gaseificação vem sendo cada vez mais explorada e estudada, já que apresenta benefícios não somente na esfera ambiental, mas também em âmbitos econômicos e sociais. A vinhaça é um subproduto do processo de produção de álcool, que contém grandes concentrações de nutrientes e matéria orgânica em sua composição. A sua utilização hoje está limitada a fertirrigação e a aplicações isoladas em biodigestão e outros, que não são suficientes para o consumo da produção anual crescente do resíduo. Seu uso na gaseificação permitiria o aproveitamento do conteúdo orgânico da mesma e a produção de gases de alto valor agregado. Como a umidade do insumo interfere negativamente na eficiência da gaseificação clássica, a aplicação da mesma para matérias primas com alto teor de líquidos não é recomendada. Uma alternativa viável seria a utilização do meio gaseificante supercrítico, que resulta em rendimentos constantes, independentemente da umidade da corrente de entrada do reator. O presente trabalho consiste no projeto de um módulo de gaseificação de vinhaça em água supercrítica, a ser instalado como uma unidade anexa a usinas de açúcar e álcool. Ele compreende o projeto conceitual e análise de viabilidade deste módulo, incluindo estimativas de CAPEX (Capital Expenditure) e OPEX (Operation Expenditure) e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O estudo apresenta ainda o estado da arte do conhecimento e da tecnologia de gaseificação com água supercrítica (SCWG), relacionando os gargalos a serem resolvidos, assim como os ganhos intrínsecos da definição conceitual do projeto. / The gasification process uses the carbon and hydrogen content in a given solid or liquid feedstock to produce a gaseous mixture of hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4). This mixture can be used as a precursor in the synthesis of new products or directly as a fuel. The gasification can be used in the processing of a wide range of materials, regardless of its characteristics or physical state. The use of vinasse as a gasification feedstock has been increasingly explored and studied, since its appeal lies not only on the environmental sphere, but as well on economic and social scope. Vinasse is a byproduct of the ethanol/ sugar producing process and contains large concentrations of nutrients and carbon organic matter in its protein-rich composition. The use of this fluid is limited today to fertirrigation and isolated applications, that are not enough for the consumption of its growing production. The possibility of gasifying the vinasse would allow a more profitable use of the fluid. In the classical gasification, the moisture content of the product being gasified impairs the yield of the reaction. So, for liquid feedstock its use is not recommended. One viable alternative for this case would be the use of the supercritical water as a reaction medium, which results in constant yields regardless of the moisture content of the raw material. This work consists on the design of module for vinasse gasification in supercritical water, to be installed as a unit, attached to an alcohol/ sugar plant. It comprises the conceptual design and feasibility study of the module, including CAPEX and OPEX estimates, plus a sensitivity analysis. The study also presents the state of the art of the knowledge associated to SCWG technology, relating bottlenecks to be solved, as well as the intrinsic gains from conceptual design definition.

Com o aumento crescente das restrições ambientais acompanhado do aumento crescente da demanda energética e matéria-prima pela população que cresce em proporções assustadores com poucos indícios de sua descida fizeram com que buscassem alternativas com viabilidade econômica e reduzisse os impactos ambientais. Para o carvão mineral, a alternativa encontrada é a Gaseificação do Carvão em Subsolo. Das vantagens encontradas com o processo, as mais interessantes são: a segurança operacional e pouca infraestrutura necessária, competitividade no preço do produto gerado (gás sintético) e pouco gerenciamento do rejeito produzido já que as cinzas são deixadas nas cavidades em subsolo. Uma das dificuldades encontradas é mostrar a mudança do comportamento mecânico e acústicos das rochas e maciço rochoso quando submetido a alta temperatura ou pós-operacional com o resfriamento das cavidades geradas durante o processo. O maciço rochoso, o sistema de fraturas e as suas propriedades mecânicas (resistência à compressão e resistência à tração) e as propriedades física (permeabilidade e anisotropia) influênciam o design operacional do processo. Com os resultados obtidos foi possível uma interdependência linear entre as velocidades das ondas P e S, essa mesma interrelação foram observadas antes e depois do ciclo de aquecimento e resfriamento com coeficiente de determinação (R²) de 0,9177 e 0,9472, respectivamente. As velocidades das ondas P e S são reduzidas com a temperatura. A redução é mais evidente na onda P com redução máxima de 39% do valor inicial. A velocidade da onda S é reduzida continuamente a partir dos 800°C, passando de 7 % para 3% da velocidade inicial. A regressão feita com a resistência à compressão dos ensaios triaxiais diverge dos resultados obtidos nos ensaios uniaxiais. Os resultados da resistência à tração e os de resistência à compressão apresentaram aumento e redução da resistência em diferentes temperaturas. A resistência à compressão não apresentou qualquer regressão com as velocidades ultrassônicas, enquanto que o módulo de Elasticidade estático apresentou uma regressão linear crescente com a velocidade da onda P com coeficiente de determinação (R²) de 0,7922. / With the increasing increase of environmental restrictions, accompanied by an increasing increase in energy and raw material demand by the population that grows to frightening proportions with little evidence of their descent, they have sought to find alternatives with economic viability and reduce environmental impacts. For coal, the alternative found is Coal Gasification in Subsoil. Of the advantages found in the process, the most interesting are: operational safety and little infrastructure required, competitiveness in the price of the product generated (synthetic gas) and little management of the waste produced since the ashes are left in the underground cavities. One of the difficulties is to show the change in the mechanical and acoustic behavior of rocks and rock mass when submitted to high temperature or postoperational with the cooling of the cavities generated during the process. The rock mass, the fracture system and its mechanical properties (compressive strength and tensile strength) and physical properties (permeability and anisotropy) influence the operational design of the process. With the results obtained, a linear interdependence between the P and S velocities was possible. This same interaction was observed before and after the heating and cooling cycle with coefficient of determination (R²) of 0,9177 and 0,9472, respectively. P and S wave velocities are reduced with temperature. The reduction is more evident in the P wave with a maximum reduction of 39% of the initial value. The S wave velocity is continuously reduced from 800 ° C, from 7% to 3% of the initial velocity. The compressive strength with the triaxial tests differs from the results obtained in the uniaxial tests. The results of the tensile strength and the compressive strength showed increase and reduction of the resistance with different temperatures. The compressive strength did not show any regression with the ultrasonic velocities, while the static elasticity modulus presented an increasing linear regression with the P-wave velocity with determination coefficient (R²) of 0,7922.

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.

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