This thesis contains evaluation of crucial operational indicators of a waste-to-energy plant. Above all, it is lower heating value of municipal solid waste and boiler efficiency. An approach for evaluation improvement by mathematical methods is proposed. The approach is implemented in a computational tool developed in Microsoft Excel. The approach is tested and subsequently used for operational data from a real waste-to-energy plant.

Made available in DSpace on 2017-07-10T15:14:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissertacaoMarcioRRigotte.pdf: 1614115 bytes, checksum: 34d26d4df31cfcd99ebf450c783bee96 (MD5) Previous issue date: 2014-02-14 / The rising demand for energy, coupled with its high cost and the search for sustainability propitiated in recent years an increase in demand for renewable biofuels, including biodiesel. Although Brazil, and specifically Paraná, present agricultural vocation, with diversity of raw materials for biodiesel production, it remains tied to demand compulsory. This work aimed to evaluate the energetic performance of an engine-generator set using diesel oil and biodiesel of different feedstocks. The experiment was conducted in the Experimental Nucleus for Agricultural Engineering (NEEA), State University of West Paraná (UNIOESTE), located in Cascavel - Paraná, using entirely randomized design. The treatments were diesel oil, and three different types of biodiesel (crambe, soybean and waste frying oil) being used pure biodiesel (B100) and the binary blends B10, B20 and B50. The resistive loads used were 1, 2, 3, 4 and 5 kW for each type of fuel, a total of five replications. Among other observations, we evaluated the heating value, specific fuel consumption (CE) and energy efficiency (EE). The best CE was diesel with 0,349 Kg KW h-1 in the load 5 KW, followed by BC20-2 with 0,524 Kg kW h-1 and BC50-3 with 0,433 Kg kW h-1. Biodiesel has the CE nearest of the diesel with increasing resistive load, indicating that its use in operation closest the rated capacity is more efficient. Among the types of biodiesel, the crambe oil showed lower CE, with some values without significant differences (Tukey 5%) of the diesel CE, as BC20-4 with 0,383 Kg kW h-1 and BC10-5 with 0,367 Kg KW h-1. The best EE were DI-5 25,6%, BC100-5 25,5%, BC50-5 25,0%, BS100-5 24,8% and BORF100-5 24,6%. Pure biodiesel (B100) tends to show best EE that the binary blends used. The BC100 showed EE of 9,9 17,8, 21,8, 24,3 and 25,5% respectively for resistive load of 1, 2, 3, 4 and 50 KW. In the range of biodiesel evaluated, crambe oil obtained EE closer to diesel, and the BC100 exceeded diesel EE to the loads 2, 3 and 4 / A crescente demanda por energia, associada a seus elevados custos e a busca por sustentabilidade propiciaram nos últimos anos um aumento na procura por biocombustíveis renováveis, dentre eles o biodiesel. Apesar do Brasil, e especificamente o Paraná, apresentarem vocação agrícola, com diversidade de matérias-primas para obtenção de biodiesel, esta permanece atrelada a demanda compulsória. Este trabalho buscou avaliar o desempenho energético de um conjunto motor-gerador utilizando diesel de petróleo e biodiesel de diferentes matérias primas. O experimento foi conduzido no Núcleo Experimental em Engenharia Agrícola (NEEA), da Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE), Cascavel Paraná, utilizando delineamento experimental inteiramente casualizado. Os tratamentos utilizados foram o diesel de petróleo, e três diferentes tipos de biodiesel (crambe, soja e óleo residual de fritura), sendo o biodiesel utilizado puro (B100) e nas misturas binárias B10, B20 e B50. As cargas resistivas utilizadas foram de 1, 2, 3, 4 e 5 KW para cada tipo de combustível, com total de cinco repetições. Entre outras observações, foi avaliado o poder calorífico, o consumo específico (CE) e a eficiência energética (EE). O melhor CE foi o diesel com 0,349 Kg KW h-1 na carga 5 KW, seguido por BC20-2 com 0,524 Kg KW h-1 e o BC50-3 com 0,433 Kg KW h-1. O biodiesel apresenta CE mais próximo do diesel com o aumento da carga resistiva, indicando que sua utilização em operações mais próxima da capacidade nominal é mais eficiente. Dentre os tipos de biodiesel, o de óleo de crambe apresentou menor CE, com alguns valores sem diferenças significativas (Tukey 5%) do CE do diesel, como o BC20-4 com 0,383 Kg KW h-1 e o BC10-5 com 0,367 Kg KW h-1. As melhores EE foram DI-5 25,6%, BC100-5 25,5%, BC50-5 25,0%, BS100-5 24,8% e BORF100-5 24,6%. O biodiesel puro (B100) tende a apresentar melhor EE que as misturas binárias utilizadas. O BC100 apresentou EE de 9,9 17,8 21,8 24,3 e 25,5% respectivamente para as cargas resistivas de 1, 2, 3, 4 e 5 KW. Na gama de biocombustíveis avaliados, o de óleo de crambe obteve EE mais próxima ao do diesel, sendo que BC100 superou EE do diesel nas cargas 2, 3 e 4.

Orientadora: Profª Drª Graziella Colato Antonio / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016. / As crescentes preocupações socioambientais têm incentivado discussões acerca de alternativas que aliem um incremento da participação de fontes renováveis na matriz energética e a redução dos impactos ambientais negativos decorrentes da atividade humana. Nesse sentido, o correto manejo e destinação dos resíduos sólidos urbanos ocupa uma posição importante, pois tratamentos adequados para esses resíduos podem contribuir em ambas as frentes. Uma solução que tem sido largamente utilizada por países desenvolvidos e em desenvolvimento para a destinação dos resíduos sólidos é a sua recuperação energética por processo de conversão termoquímica de incineração. Essa solução tanto contribui para o aumento da oferta de energia, quanto diminui consideravelmente o volume dos resíduos a serem depositados em aterros, e ainda mitiga sua toxicidade. Como parte de um adequado planejamento, implantação e operação de uma planta de conversão energética de resíduos é imprescindível que se conheça seu poder calorífico, e muitos modelos têm sido desenvolvidos, principalmente com a utilização de regressão linear múltipla, técnica matemática que gera modelos de previsão lineares. Este trabalho teve o objetivo de propor uma metodologia de construção de modelos de predição de poder calorífico de resíduos sólidos urbanos, a partir da análise elementar, porém com uma abordagem computacional, utilizando uma técnica de inteligência computacional denominada redes neurais artificiais. Redes neurais podem representar tanto funções lineares quanto funções não lineares, e é através dessa característica que se pretendeu promover um incremento na acurácia das predições de poder calorífico de resíduos. Para tanto, foram testadas 432 configurações distintas de redes neurais, com a variação de 5 parâmetros de arquitetura da rede. Como resultado do trabalho, foi observado que, dentre essas 432 configurações, 80 (18,5%) obtiveram um índice de previsão considerado excelente, e a rede de melhor desempenho (rna-771-bfg-lp) atingiu um índice de erro médio percentual absoluto de 2,9%, na previsão de poder calorífico de 10 amostras. No comparativo com modelos matemáticos da literatura, a rna-771-bfg-lp foi melhor do que todos os modelos considerados, cujo melhor resultado foi 3,9% pelo índice MAPE. Esses resultados indicam que redes neurais se constituem uma técnica de construção de modelos de predição bastante promissora, e que a metodologia aqui proposta é capaz de gerar modelos de predição de poder calorífico de resíduos baseado em redes neurais bastante eficazes para esse tipo de tarefa. / The growing of the environmental concerns has encouraged discussions about alternatives that combine an increase of the share of renewable sources in the energy matrix and the reduction of the negative environmental impacts of human activity. By this way, the proper management and disposal of municipal solid waste have played an important role, and an adequate waste treatment can help on both fronts. A possible solution that has been widely used by developed and developing countries for disposal of solid waste is the energy recovery of the waste by a thermochemical conversion process called incineration. This solution contributes to increase the energy supply, reducing the vólume óf waste tó be landfilled, and mitigates the waste¿s tóxicity. To a proper planning, implementation and operation of a waste-to-energy plant is essential to know the heating value of waste to be incinerated, and many models have been developed, especially with the use of multiple linear regression, a mathematical technique to build linear predictive models. This paper aims to propose a methodology to create heating value predicting models of municipal solid waste with a computational approach, using an artificial intelligence technique called neural networks. Artificial neural networks can represent both linear and non-linear functions, and we intend that this feature could improve the accuracy of the heating value of waste forecasts. 432 neural networks configurations have been tested, with a variation of 5 architecture parameters of the networks. It was observed that among these 432 configurations, 80 (18.5%) were considered excellent to predict the heating value of the waste, and the best performance network (rna-771-bfg-lp) got a mean absolute percentage error (MAPE) index of 2.9%, in a set of 10 samples. In the comparison with mathematical models of literature, rna-771-bfg-lp was better than all models considered, whose best result was 3.9% by the MAPE index. These results indicate that neural networks are a very promising computational technique to create prediction models, and the methodology proposed here is very effective to the development of municipal solid waste heating value forecasting models based on neural networks.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Biomass is one of the main sources of renewable and sustainable energy able to meet the growing global energy demand and reduce dependence on fossil fuels. However, the use of this biofuel requires a conscious and careful handling of natural resources, to avoid environmental imbalances and destruction of ecosystems. Among the alternatives of biomass for energy purposes forestry, agricultural and urban wastes are highlights. However, raw biomass has low energy efficiency, low density, high humidity, irregular grain, low heating value that restricts their direct use as biofuel. In order to improve the thermal properties and standardize the product is necessary to treat the biomass from industrial processes such as torrefaction and briquetting. In this context, this work aims to analyze and define the potential energy of briquettes of brachiaria grass (Brachiaria ssp.) produced by Briqfeno Industria e Comercio de Feno Ltda located in Tupaciguara - Minas Gerais. The experiments were conducted according to Brazilian rules and the standard product was submitted to density tests, moisture and immediate analysis. A relationship between heating value and moisture content was also defined. Finally, the product was submitted to the torrefaction process that improved its energy and decreased its hygroscopic character when compared to raw briquettes. / A biomassa é uma das principais fontes de energia renováveis e sustentáveis capazes de suprir a crescente demanda de energia mundial e diminuir a dependência dos combustíveis fósseis. Entretanto, o uso deste combustível requer um manuseio cuidadoso e consciente dos recursos naturais, para evitar desequilíbrios ambientais e destruição de ecossistemas. Dentre as alternativas existentes para o uso da biomassa com fins energéticos, destaca-se o reaproveitamento energético de resíduos florestais, agrícolas e urbanos. Todavia, os resíduos in natura apresentam-se com baixa eficiência energética, devido algumas características gerais que restringe o seu uso direto como combustível, tais como baixa densidade, alta umidade, granulometria irregular, baixo poder calorífico, entre outras. No intuito de corrigir algumas propriedades, melhorar e padronizar o produto faz-se necessária a utilização de processos industriais, como a briquetagem e a torrefação. Neste contexto, este trabalho consiste em analisar e definir o potencial energético de briquetes de capim braquiária (Brachiaria ssp.) produzidos pela empresa Briqfeno Indústria e Comércio de Feno Ltda sediada no município de Tupaciguara - Minas Gerais. Os experimentos foram conduzidos segundo normas nacionais e consistiram em realizar a análise imediata, determinar a densidade do briquete e definir a relação entre poder calorífico e umidade do produto padrão. Finalmente, aplicou-se o tratamento térmico denominado torrefação, o que proporcionou a valorização energética do produto e diminuiu sua característica higroscópica quando comparado ao briquete padrão. / Mestre em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A gradual increase of the areas abandoned for the farming one is occurring. These areas are occupied for a arboreal vegetation with a strong presence of pioneers species. This study was accomplished in the city of Encruzilhada do Sul, in abandoned areas that present forestry communities in initial to medium training of regeneration, with predominance of Dodonaea viscosa Jacq. on vegetation. The purpose was to characterize these natural populations, aiming at to supply subsidies to the forestry management of Dodonaea viscosa Jacq. For this, it was accomplished the floristic and structural analysis of the population, as well as, some parameters like heating value and macronutrients of wood. To the structural analysis 52 sub-parcels were installed and to the study of heating value, specific mass and constituents of wood 13 trees were cut down, of which disks were collected. The fragment is composed for a small number of species based basically in species of pioneering habit, without indications of the forest to be converging to a more advanced sucessional training. The species presents a high energetic production, with raised carbon text in the wood, what it leads to the use of the forest in the payment for environmental services. The nutrients present in the wood indicate that the exploration of the species can have consequences in mid-term and long-term, having to be considered in the planning of the activities. / Está ocorrendo um gradual aumento das áreas abandonadas pela agropecuária. Estas são ocupadas por uma vegetação arbórea com forte presença de espécies pioneiras. O estudo foi realizado no município de Encruzilhada do Sul, em áreas abandonadas que apresentem comunidades florestais em estágio inicial a médio de regeneração, com predomínio da Dodonaea viscosa Jacq. na vegetação. O objetivo foi caracterizar estas populações naturais, visando fornecer subsídio ao manejo florestal da Dodonaea viscosa Jacq. Para isso, foi realizada a análise florística e estrutural do povoamento, assim como, determinado parâmetros como poder calorífico e macronutrientes da madeira. Para análise da estrutura foram instaladas 52 sub-parcelas e para o estudo do poder calorífico, massa específica e constituintes da madeira foram abatidas 13 árvores, das quais foram coletados discos. O fragmento é composto por um pequeno número de espécies, baseados basicamente em espécies de habito pioneiro, sem indício de a floresta estar convergindo para um estágio sucessional mais avançado. A espécie apresenta uma alta produção energética, com elevado teor de carbono na madeira, o que remete ao uso da floresta no pagamento por serviços ambientais. Os nutrientes presentes na madeira indicam que a exploração da espécie pode ter consequencias no médio e longo prazo, devendo ser considerado no planejamento das atividades.

The aim of this study is to assess the current situation of energy and carbon flows through the waste sector in Jämtland. An energy flow analysis is performed by balancing the inflows and outflows of the lower heating value and embodied energy. A carbon flow analysis was made on the same principles although with the carbon content and embodied CO2eq.  The results are showing that over a period of one year, 75 000 tons of waste flows through the waste sector in Jämtland. Approximately 60 % of all the waste is incinerated. The energy analysis shows that 970TJ flows through the waste sector every year. Household waste is the category with most energy consumption and emissions in total. However, other materials like metal and electronics have higher energy and carbon content per ton than the household category. The results of the analyses can further be implemented in the Sustainable Jämtland model and it can then be used as a base when making strategies for a sustainable waste treatment.

Sewage sludge is a byproduct of wastewater treatment plants. It is a kind of waste. however, it contains several valuable nutrients like phosphorous and nitrogen that are used to rich the soil as a fertilizer compound. On the other hand, it contains some harmful and toxic compounds such as pathogens, pharmaceuticals, Polychlorinated biphenyl (PCBs), Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), endocrine-disruption, hormones, and heavy metals which are contaminants and pollutants in the environment. Pyrolysis is a way to treat these contaminants and reduces the quantity of heavy metals and removes pathogens. This project derives to pyrolysis the sewage sludge at three different temperatures 500°C,700°C, and 900°C, and evaluates the result according to the remained quantities of heavy metals and phosphorous. Each experiment was repeated three times. Then, the samples weighted and analyzed by bomb calorimeter, microwave digestion, and MP-AES. Bomb calorimetry was used for measuring the heating value to compare the remaining heating value in the samples to the raw sewage sludge. The microwave digestion system was used for chemical processing of the samples in order to break down the samples to liquid form and then the concentration of elements such as Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Mn, Zn, Pb, and P were measured by MP-AES. The results were gathered and compared with the Regulation by European, Union, (DirectiveE86/278/EEC), and Regulation by Swedish law, (Regulation1998:994). The raw sewage sludge was delivered from Borås wastewater treatment unit after digestion in an anaerobic fermentation process. It contained about 74% water which was dried in an oven at 105°C. The results show that Cd and Co were removed from the sewage sludge and the most amount of phosphorus remained in the resulting char. The results show that the quantity of phosphorus was almost the same between 500°C-700°C. The data shows that the amount of Pb was reduced by increasing the temperature of the pyrolysis reaction. The heating value in the char was extremely close to each other in the different range of reaction temperatures between 500°C to 900°C.

[pt] A necessidade mundial de energia tem aumentado exponencialmente, no entanto, as reservas de combustíveis fósseis, além de produzirem sérios impactos ambientais, estão se esgotando ao longo dos anos. Por estas razões, muitos estudos vêm sendo feitos na busca de novas fontes renováveis de energia, como o reaproveitamento de resíduos de biomassa. Desta forma, o objetivo deste trabalho é estudar o processo de liquefação hidrotérmica (HTL) do bagaço de malte, gerado ao final do processo cervejeiro, para a produção de bio-óleo e biocarvão como potenciais combustíveis renováveis. A caracterização inicial da biomassa apresentou significativa quantidade de celulose e hemicelulose, alto teor de umidade e pequeno tamanho de partícula, sendo ideal para o processo. A HTL foi conduzida em um reator sob alta pressão em diferentes faixas de temperatura e tempos de residência. Uma modelagem cinética e termodinâmica foi realizada para a etapa inicial da liquefação, apresentando 62,08 kJ.mol−1 de energia de ativação e caráter endotérmico. Bio-óleo apresentou melhor rendimento, 18,2 por cento, a 300 C e 30 min, já o biocarvão atingiu 21,0 por cento de rendimento a 250 C e 5 min. A pequena diferença de valores, ao longo do tempo, comprovou que a maior produtividade ocorre sempre em 5 min, sendo este o tempo ótimo de reação. A análise do poder calorífico superior (PCS) demonstrou que altas temperaturas elevam a energia produzida. Em 5 min e a 300 C, melhores condições de operação, a HTL gerou um bio-óleo com PCS de 33,6 MJ.kg−1, sendo 27,8 por cento inferior a gasolina e um biocarvão com 26,7 MJ.kg−1, sendo 11,4 por cento superior ao carvão tradicional. Através das caracterizações finais, foi possível observar alta degradação da estrutura lignocelulósica da biomassa e identificar os compostos presentes no bio-óleo, indicando que os produtos da HTL apresentam alto potencial de utilização como combustíveis renováveis. / [en] The global energy needs have increased exponentially; however, fossil fuel reserves, in addition to producing serious environmental impacts, are running out over the years. For these reasons, many studies have been done in the search for new renewable energy sources, such as the reuse of biomass wastes. In this way, the purposes of this study are associated with the hydrothermal liquefaction process (HTL) of the malt bagasse, generated at the end of the brewing process, for the production of bio-oil and biochar as potential renewable fuels. The initial biomass characterization presented a significant amount of cellulose and hemicellulose, high moisture content and small particle size, ideal for the process. The HTL was conducted in a high pressure reactor in different temperature ranges and residence times. A kinetic and thermodynamic modeling was performed for the initial stage of liquefaction, presenting 62.08 kJ.mol−1 of activation energy and endothermic behavior. Bio-oil presented a better yield, 18.2 percent, at 300 C and 30 min, while the biochar reached 21.0 percent yield at 250 C and 5 min. The small distintion between values, over time, proved that the highest productivity always occurs at 5 min, which is the optimal reaction time. The higher heating value analysis (HHV) showed that high temperatures increase the energy produced. At 5 min and 300 C, better operating conditions, HTL generated a bio-oil with HHV of 33.6 MJ.kg−1, with 27.8 percent less than gasoline and a biochar with 26.7 MJ.kg−1, being 11.4 percent higher than traditional coal. Through the final characterization, it was possible to observe high degradation of the lignocellulosic structure of the biomass and to identify the compounds present in the bio-oil, indicating that the HTL products present high potential for use as renewable fuels.

Tato diplomová práce se zabývá netradičními druhy biomasy využitelnými v České republice a Španělsku a jejich srovnáním. V prvních kapitolách jsou popsány netradiční druhy biomasy, mezinárodní projekty, smlouvy a legislativa. V následujích kapitolách je rozbor netradičních druhů biomasy zejména vznikajících z potravinářského průmyslu každé země s detailním rozborem a srovnáním zbytků z průmyslového zpracování slunečnice a oliv. V závěru je uděláno celkové srovnání těchto druhů biomasy České republiky a Španělska z aspektů výkupních cen, výhřevností, vlhkosti a množství popelovin.

Orientador: Leandro Cardoso de Morais / Resumo: O Brasil se destaca na produção do ferro e aço, e principalmente na utilização de fontes renováveis como insumos energéticos para sua produção. O biocoque possui potencial para utilização de biomassas como insumos energéticos em alto fornos, em substituição aos tradicionais combustíveis fósseis, carvão e coque, porém, ainda é um material pouco conhecido cientificamente. O objetivo foi encontrar os parâmetros adequados para a produção, em escala laboratorial, do biocoque de casca e serragem da madeira de eucalipto. Também verificar suas principais características térmicas e físico-químicas, antes e após a produção do biocoque. Foi usado a casca e serragem de eucalipto para a produção do biocoque. Os materiais passaram por analises de umidade, analise imediata, analise elementar, poder calorífico, densidades, resistência mecânica, estabilidade dimensional, termogravimetria, microscopia MEV, espectroscopia FTIR e EDS, difratometria de raio-x e análises cinética. O biocoque para ambos os materiais foram prensados com força de 10 toneladas sob 180 °C de temperatura por 10 minutos, apresentando características físico-químicas adequadas para o uso. Os biocoques tiveram caracteristicas físicas adequadas a necessidade de uso com alta resistência mecânica, com aproximadamente 10 MPa para ambos os materiais e durabilidade acima de 99 %. A densidade aparente (1.350 kg.m-3) foi aumentada aproximadamente cinco vezes comparado ao valor inicial para o material particulado. Os materiais apres... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor