Biomass gasification processes - modeling and simulation

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Maldonado, Pedro
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10198/26207
Resumo: Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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spelling Biomass gasification processes - modeling and simulationBiomass gasificationPyrolysis processDowndraft gasifierSyngasSimulationUniSim designDomínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia QuímicaMestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáThermochemical processes prove to be a sustainable way of using residual biomass, replacing non-renewable sources such as coal and petroleum derivatives, and serving as a means for the creation of Synthesis Gas, or Syngas, mostly consisting of hydrogen gas and carbon monoxide, which is the basis for the chemical industry and power generation. The modeling and simulation of this process is feasible, as it portrays real gasifiers, such as Downdraft type gasifiers, in order to test variables and verify the system's behaviors when changing them. However, there is still some difficulty in modeling Pyrolysis, due to the complexity of this process, as well as predicting the tar generated during the process. Thus, the present study aims to model and simulate using the UniSim Design software, the gasification of three biomass residues from Portuguese agriculture: grape marc, olive trees, and corn straw residues, in an attempt to predict Syngas production under different process conditions and validate the method proposed comparing with data from the literature. Pyrolysis modeling was performed using a second-order model based on the process temperature, providing the yields of gases: CO2, CO, H2, and CH4, residual coal, and tar, which is composed of benzene, toluene, and naphthalene. Regarding the results obtained, both Pyrolysis and the general model, even at different conditions of mass flow of air and steam inlet, were compatible with results obtained in the literature, quantitatively and qualitatively. The rise in equivalence ratio (ER) from 0.23 to 0.54 caused an increase in the process temperature, as well as in the molar fraction of H2 and CO while reducing the other components, thus consuming the tar, for the biomasses in the ER range 0.36-0.37. The increase in the steam-to-biomass ratio (S/B) from 0 to 0.95 had a positive effect on the H2 and CO2 components, while it decreased the others, having no effect on the tar fraction. For both analyses, corn straw residue was converted into the richest gas in hydrogen, with the peak of the fraction of the component in Syngas, free of water and nitrogen, being 0.48 and 0.52, for ER and S/B ratio, respectively.Processos termoquímicos mostram-se uma forma sustentável de utilizar biomassas residuais, substituindo fontes não renováveis como carvão e derivados de petróleo, e servindo de meio para a criação do Gás de síntese, ou Syngas, majoritariamente constituído por gás hidrogênio e monóxido de carbono, o qual é uma base para a indústria química e geração de energia. A modelagem e simulação deste processo é viável, pois retrata gaseificadores reais, como o gaseificador do tipo Downdraft, a fim de testar variáveis e verificar os comportamentos do sistema ao alterá-las. Porém, ainda há certa dificuldade na modelagem da Pirólise, devido à complexidade deste processo, bem como a previsão da produção do alcatrão gerado durante o processo. Desta forma, o presente estudo tem por objetivo modelar, e simular no software UniSim Design a gaseificação de três resíduos provindos da agricultura portuguesa: resíduos de uva, oliveiras e milho, na tentativa de predizer Syngas sob diferentes condições de processo e validar o método proposto por comparação com dados da literatura. A modelação da Pirólise foi realizada utilizando um modelo de segunda ordem baseado na temperatura do processo, provendo os rendimentos dos gases: CO2, CO, H2 e CH4, do carvão residual e do alcatrão, o qual é composto por benzeno, tolueno e naftaleno. Acerca dos resultados obtidos, tanto a Pirólise, quanto o modelo geral, mesmo a diferentes condições de fluxo mássico de entrada de ar e vapor, mostraram-se compatíveis com resultados obtidos na literatura, quantitativamente e qualitativamente. O aumento no ER de 0,23 até 0,54 provocou um aumento na temperatura do processo, bem como da fração molar de H2 e CO, enquanto reduziu os demais componentes, consumindo o alcatrão para as biomassas na faixa de ER 0,36-0,37. O incremento da razão S/B de 0 a 0,95 provocou um efeito positivo nos componentes H2 e CO2, enquanto decresceu os demais, não tendo efeito na fração do alcatrão. Para ambas as análises, o resíduo de milho converteu-se no gás mais rico em hidrogênio, sendo o pico da fração do componente no Syngas, livre de água e nitrogênio, 0,48 e 0,52, para ER e razão S/B, respectivamente.Brito, PauloGomes, HélderLenzi, Giane GonçalvesBiblioteca Digital do IPBMaldonado, Pedro2022-12-15T14:35:21Z20222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10198/26207TID:203123808enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-01-17T01:20:44Zoai:bibliotecadigital.ipb.pt:10198/26207Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T23:16:44.763314Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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