Análise termodinâmica de sistema de gaseificação com água supercrítica para geração combinada de eletricidade, calor e bio-óleo a partir do bagaço da cana-de-açúcar
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Data
2024-01-15
Autores
Orientador
Bimestre, Thiago Averaldo 
Coorientador
Pós-graduação
Curso de graduação
Guaratinguetá - FEG - Engenharia Mecânica
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Trabalho de conclusão de curso
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
O processo de gaseificação de biomassa empregando água no estado supercrítico apresenta diversas vantagens. Dentre elas, destaca-se a não necessidade da realização de um processo preliminar de secagem, o que reduz o consumo de energia. Além disso, durante o processo ocorre a decomposição total da matéria orgânica, evitando a formação de carvão e alcatrão, contaminantes que podem causar o entupimento das linhas de operação em uma planta termodinâmica. As vantagens citadas decorrem das características intermediárias entre as fases líquida e gasosa apresentadas pela água no estado supercrítico, o que proporciona uma melhoria substancial da dissolução da matéria orgânica. No presente estudo, uma planta termodinâmica foi modelada no software de processos termoquímicos DWSim, o qual é baseado em processos sequenciais modulares de código aberto. O objetivo do trabalho é analisar termodinamicamente a trigeração de energia elétrica, calor e bio-óleo a partir da gaseificação do bagaço de cana-de-açúcar empregando água supercrítica como agente gaseificante. Foi analisada a influência da vazão de biomassa nos rendimentos do sistema de trigeração, mantendo-se a vazão mássica, pressão e temperatura da água supercrítica constantes em, respectivamente, 5000 kg/h, 251 bar e 450 ⁰C. Os resultados indicam que menores vazões de biomassa beneficiam a formação de gás de síntese, proporcionando uma maior geração de trabalho mecânico e energia térmica, contudo, uma menor produção de bio-óleo é obtida. Além disso, foi investigada a existência de um limite mínimo para a vazão de biomassa, uma vez que um valor extremamente baixo pode reduzir, de forma significativa, a produção de bio-produtos. Com relação ao excesso de oxigênio a combustão do gás de síntese, benefícios para a geração das potências mecânica e térmica foram aferidos. Isso é consequência de uma maior vazão de gases de combustão devido à maior quantidade de oxigênio, possibilitando maior geração de trabalho na turbina. Já outro efeito da combustão em excesso é uma pequena diminuição da condutividade térmica dos gases expelidos pela turbina, fato que pode explicar o ligeiro aumento de calor produzido pelo sistema. Dessa forma, dentre os cenários simulados, o que apresentou melhor e mais balanceado comportamento foi o com vazão de 2000 kg/h de biomassa e excesso de 50% de oxigênio na combustão, apresentando um rendimento energético de 68%.
Resumo (inglês)
The biomass gasification process employing water in the supercritical state offers several advantages. Among them, the non-necessity of carrying out a preliminary drying process stands out, which reduces energy consumption. Furthermore, during the process, there is complete decomposition of organic matter, avoiding the formation of charcoal and tar, contaminants that can cause clogging of operation lines in a thermodynamic plant. The mentioned advantages come from the intermediate characteristics between the liquid and gaseous phases exhibited by water in the supercritical state, which substantially improves the dissolution of organic matter. In the present study, a thermodynamic plant was modeled using the thermochemical process software DWSim, which is based on open-source modular sequential processes. The aim of the work is to thermodynamically analyze the trigeneration of electricity, heat, and bio-oil from the gasification of sugarcane bagasse employing supercritical water as the gasifying agent. The influence of biomass flow rate on the trigeneration system yields was analyzed, while maintaining the mass flow rate, pressure, and temperature of supercritical water constant at 5000 kg/h, 251 bar, and 450 ⁰C, respectively. The results indicate that lower biomass flow rates benefit the synthesis gas formation, providing greater mechanical work and thermal energy generation; however, a lower production of bio-oil is obtained. Additionally, the existence of a minimum limit for the biomass flow rate was investigated since an extremely low value can significantly reduce the production of bio-products. Regarding the excess oxygen in the synthesis gas combustion, benefits for mechanical and thermal power generation were assessed. This is a consequence of a higher flow rate of combustion gases due to the higher oxygen content, allowing greater work generation in the turbine. Another effect of excessive combustion is a slight decrease in the thermal conductivity of the gases expelled by the turbine, a fact that can explain the slight increase in heat produced by the system. Thus, among the simulated scenarios, the one that presented the best and most balanced behavior was with a biomass flow rate of 2000 kg/h and a 50% excess of oxygen in combustion, resulting in an energy efficiency of 68%.
Descrição
Idioma
Português
Como citar
GOMES, M. Q. V. Análise termodinâmica de sistema de gaseificação com água supercrítica para geração combinada de eletricidade, calor e bio-óleo a partir do bagaço da cana-de-açúcar. Orientador: Thiago Averaldo Bimestre. 2024. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia e Ciências, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2024.