Estudo de viabilidade para a produção de gás de síntese em uma usina de etanol

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fiore, Victor Vasconcellos
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18148
Resumo: One of Brazil's main industries is the sugarcane industry, which has great potential for growth over the years. In this industry, there are several byproducts and wastes generated that are currently not widely used, such as sugarcane bagasse, sugarcane straw, CO 2 produced in fermentation, and vinasse. Over time, the use of these byproducts, especially sugarcane bagasse and vinasse, has been studied to produce different products such as second-generation ethanol, other biofuels, and electricity. Another potential product that can be made in a sugarcane refinery is syngas, a mixture of carbon monoxide and hydrogen used for fuel synthesis, such as methanol. Syngas can be produced directly or indirectly. An indirect route to the production of syngas in the sugarcane industry would be the capture of carbon dioxide after fermentation and the production of hydrogen through water electrolysis using excess plant energy generated by bagasse burning. These gases would react in a reactor to form syngas, which is part of the concept known as Power-to-Liquids (PtL). The direct route would be from the gasification of sugarcane bagasse, a thermochemical process that converts carbon-rich materials into a gaseous mixture, which is part of the concept Biomass-to-Liquids (BtL). This study compared the BtL and PtL concepts but only up to the production of syngas, an intermediate product for the production of liquid hydrocarbons. The comparison was based on four main criteria: 1) yield of each route using a common calculation base, 2) capital expenditure (CAPEX) estimate to build a plant coupled to a medium-sized ethanol plant in Brazil, 3) annual operating cost estimate (OPEX) to find the production cost, and 4) technological maturity of each route. To conduct this study, literature was consulted to define the battery limit of each route (all unit operations involved), to consult equipment and utilities values, and to calculate the energy demand involved in each route. At the end of the study, it was found that in a medium-sized sugarcane plant in Brazil, processing 3.5 million tons of sugarcane per year, it would be possible to build a coupled plant that produces about 6.36 t/h of syngas by the gasification route (BtL) or one that produces about 2.52 t/h of the same gas, using electricity and carbon dioxide from fermentation (PtL). Additionally, it was found that the minimum cost of the product for the BtL concept route is 60% of the value found by the PtL concept route, but the CAPEX for the PtL route is lower than for the BtL route, due to a lower production of syngas.
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Over time, the use of these byproducts, especially sugarcane bagasse and vinasse, has been studied to produce different products such as second-generation ethanol, other biofuels, and electricity. Another potential product that can be made in a sugarcane refinery is syngas, a mixture of carbon monoxide and hydrogen used for fuel synthesis, such as methanol. Syngas can be produced directly or indirectly. An indirect route to the production of syngas in the sugarcane industry would be the capture of carbon dioxide after fermentation and the production of hydrogen through water electrolysis using excess plant energy generated by bagasse burning. These gases would react in a reactor to form syngas, which is part of the concept known as Power-to-Liquids (PtL). The direct route would be from the gasification of sugarcane bagasse, a thermochemical process that converts carbon-rich materials into a gaseous mixture, which is part of the concept Biomass-to-Liquids (BtL). This study compared the BtL and PtL concepts but only up to the production of syngas, an intermediate product for the production of liquid hydrocarbons. The comparison was based on four main criteria: 1) yield of each route using a common calculation base, 2) capital expenditure (CAPEX) estimate to build a plant coupled to a medium-sized ethanol plant in Brazil, 3) annual operating cost estimate (OPEX) to find the production cost, and 4) technological maturity of each route. To conduct this study, literature was consulted to define the battery limit of each route (all unit operations involved), to consult equipment and utilities values, and to calculate the energy demand involved in each route. At the end of the study, it was found that in a medium-sized sugarcane plant in Brazil, processing 3.5 million tons of sugarcane per year, it would be possible to build a coupled plant that produces about 6.36 t/h of syngas by the gasification route (BtL) or one that produces about 2.52 t/h of the same gas, using electricity and carbon dioxide from fermentation (PtL). Additionally, it was found that the minimum cost of the product for the BtL concept route is 60% of the value found by the PtL concept route, but the CAPEX for the PtL route is lower than for the BtL route, due to a lower production of syngas.Uma das principais indústrias do Brasil é a indústria sucroalcooleira, que tem grande potencial para crescer ao longo dos anos. Nesta indústria, há vários subprodutos e resíduos gerados que atualmente não são amplamente utilizados, como o bagaço da cana, a palha de cana, o CO 2 produzido na fermentação e a vinhaça. Ao longo do tempo, o uso destes subprodutos, especialmente o bagaço de cana e a vinhaça, tem sido objeto de estudo para produzir diferentes produtos, como etanol de segunda geração, outros biocombustíveis e energia elétrica. Outro produto potencial que pode ser feito em uma refinaria de cana é o gás de síntese, uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio, utilizado para síntese de combustíveis, como o metanol. O gás de síntese pode ser produzido diretamente ou indiretamente. Uma rota indireta de produção de gás de síntese na usina sucroalcooleira seria a captura de dióxido de carbono após a fermentação e a produção de hidrogênio através da eletrólise da água usando a energia excedente da planta, que é gerada pela queima do bagaço. Estes gases reagiriam em um reator para formar o gás de síntese, sendo este processo uma parte do conceito conhecido como Power-to-Liquids (PtL). Já a forma direta seria a partir da gaseificação do bagaço de cana, que é um processo termoquímico que converte materiais ricos em carbono em uma mistura gasosa, sendo uma parte do conceito Biomass-to-Liquids (BtL). Este estudo comparou a rota com o conceito BtL e o conceito PtL, porém apenas até a produção do gás de síntese, um produto intermediário para a produção de hidrocarbonetos líquidos. A comparação foi baseada em quatro critérios principais: 1) rendimento de cada rota usando uma base de cálculo comum, 2) estimativa de capital (CAPEX) para construir uma planta acoplada a uma usina de etanol média do Brasil, 3) estimativa de custo operacional anual (OPEX) para encontrar o custo de produção e 4) maturidade tecnológica de cada rota. Para realizar este estudo, a literatura foi consultada para definir o limite de bateria de cada rota (todas as operações unitárias envolvidas), para consultar os valores de equipamentos e utilidades e para calcular a demanda energética envolvida em cada rota. No final do estudo, foi encontrado que em uma usina sucroalcooleira média do Brasil, com processamento de 3,5 milhões de toneladas de cana por ano, seria possível construir uma planta acoplada que produz cerca de 6,36 t/h de gás de síntese pela rota da gaseificação (BtL) ou uma que produz cerca de 2,52 t/h deste mesmo gás, utilizando a eletricidade e o dióxido de carbono da fermentação (PtL). Além disso, foi encontrado que o custo mínimo do produto para a rota com conceito BtL é de 60% do valor encontrado pela rota com conceito PtL, mas o CAPEX para a rota PtL é menor que para a rota Btl, devido a uma produção menor de gás de síntese.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosEngenharia Química - EQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBtLPtLSugarcane bagasseSyngasBagaço de canaGás de sínteseENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAEstudo de viabilidade para a produção de gás de síntese em uma usina de etanolFeasibility study for the production of synthesis gas in an ethanol plantinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis6006005fdc0b6c-5b77-4308-8267-c2d4e5e00c4dreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTG - Victor Fiore.pdfTG - Victor Fiore.pdfDocumento principalapplication/pdf2759486https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18148/1/TG%20-%20Victor%20Fiore.pdfa9d8b049a9c330fe448f434f4f807f17MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18148/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTTG - Victor Fiore.pdf.txtTG - Victor Fiore.pdf.txtExtracted texttext/plain152140https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18148/3/TG%20-%20Victor%20Fiore.pdf.txt2988bd40a6c2efa3f9f2b320b1341d4cMD53THUMBNAILTG - Victor Fiore.pdf.jpgTG - Victor Fiore.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg7053https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18148/4/TG%20-%20Victor%20Fiore.pdf.jpg0a4d2bbcc658d9f69ff18d3a921899b4MD54ufscar/181482023-09-18 18:32:39.74oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/18148Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:39Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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