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Orientador: Marcio Luiz de Souza Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho dá continuidade aos estudos teóricos do processo FGSIG/GT (Fuel-Glycerol Slurry Integrated Gasefier / Gas Turbine), que consiste em geração de potência consumindo lamas constituídas de combustível sólido particulado e glicerol. Utilizou-se uma configuração alternativa deste processo, em que utiliza etapa de secagem. O combustível utilizado foi bagaço de cana-de-açúcar seco (BCA) e glicerol cru, este por ser um resíduo da produção de biodiesel com crescente disponibilidade. A utilização desta tecnologia possibilita alimentar sólidos particulados a vasos pressurizados, sem a necessidade de aplicar alternativas complexas como sistemas de alimentação por meio de silos em série. O BCA úmido é introduzido no secador e ao deixar o equipamento, (já seco), é misturado ao glicerol bruto formando a lama que é bombeada ao gaseificador pressurizado. O gás produzido deve passar por sistemas de ciclones e filtros para diminuir o conteúdo e tamanho máximo de partículas a níveis aceitáveis para a injeção em turbinas a gás. O resfriamento do gás também é necessário para diminuição da concentração de substâncias alcalinas que podem contribuir para erosão e corrosão de turbinas. Ciclos Rankine são utilizados para recuperar energia. Utilizaram-se os softwares CeSFaMB© e IPES© para otimização do processo estudado. Outros trabalhos já foram publicados, porém sem a etapa de secagem. Os parâmetros considerados como variáveis no presente trabalho foram: vazão mássica de glicerol na formação da lama combustível, vazão mássica de ar injetado no gaseificador e diâmetro hidráulico do equipamento, tendo como função objetivo a eficiência exergética. O valor encontrado para Eficiência de 1ª e de 2ª Lei da Termodinâmica foram de aproximadamente 47% e 36%, respectivamente, em que as melhores eficiências foram apresentadas para baixas concentrações de glicerol na lama alimentada ao processo Abstract: This work continues the theoretical studies of the FGSIG / GT (Fuel-Glycerol Slurry Integrated Gasifier / Gas Turbine) process, which consists of power generation consuming slurry consisting of solid particulate fuels and glycerol. An alternative configuration of this process has been used, which applies a drying step. The fuel studied is sugarcane bagasse (SCB) mixed with crude glycerol, which is a residue of biodiesel production, and increasingly available. The use of this technology makes it possible to feed particulate solids into pressurized vessels, without the need of complex alternatives such as feeding systems with a series of silos. The wet SCB is introduced into the dryer. From it, the dry SCB is mixed to the crude glycerol to form the slurry that is pumped into the pressurized gasifier. The produced gas must pass through cyclone systems and filters to lower the gas particle content and the maximum particle size to levels acceptable for gas turbine injection. Cooling is required to decrease the concentration of alkaline species that might corrode and erode turbine blades. Rankine cycles are used for energy recovering. The software CeSFaMB© and IPES© are used to optimize the studied process. The parameters considered as variables in the present work were glycerol mass flow in the formation of combustible slurry, mass flow of air injected in the gasifier and hydraulic diameter of the equipment, having as objective function the exergetic efficiency. The values found for the 1st and 2nd Law Thermodynamic Efficiency were approximately 47% and 36%, respectively, and the best efficiencies were presented for low glycerol concentration in the slurry fed to the process Mestrado Térmica e Fluídos Mestra em Engenharia Mecânica CNPQ 131791/2017-6

Orientador: Marcio Luiz de Souza Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Um estudo de geração de energia termelétrica baseada na tecnologia FGSIG/GT (Fuel-Glycerol Slurry Integrated Gasifier / Gas Turbine) consumindo bagaço de cana-de-açúcar (BCA) úmido e glicerol cru na forma de lama foi desenvolvido. A influência da concentração de glicerol na lama combustível, tanto na eficiência do gaseificador como na eficiência do processo de geração de potência, foi estudada. O presente trabalho é parte de uma série de estudos no campo da tecnologia FSIG/GT (Fuel Slurry Integrated Gasifier / Gas Turbine), baseada na alimentação de vasos pressurizados por lama formada por combustível sólido e um líquido de transporte. Essa tecnologia já se mostrou mais eficiente que os processos convencionais de geração de potência utilizando BCA. Além disso, mostrou-se que a utilização de glicerol como líquido de transporte leva a maiores eficiências de geração de potência quando comparadas a processos semelhantes utilizando água com fluido da lama. A lama é bombeada para um gaseificador pressurizado por onde passa por um processo de gaseificação, gerando uma mistura de gases combustíveis a altas temperaturas. A corrente gasosa é submetida a operações de limpeza para redução das granulometria e quantidades ou concentrações de partículas suspensas, bem como da concentração de compostos alcalinos, afim de alcançarem os limites aceitáveis para injeção em turbinas a gás convencionais. Ciclos a vapor Rankine são utilizados para recuperação de exergia, agregando potência gerada ao processo. Os parâmetros tomados como variáveis no presente trabalho foram: vazão mássica de glicerol na formação da lama combustível, vazão mássica de ar injetado no gaseificador e diâmetro hidráulico do equipamento. A otimização da operação do gaseificador foi realizada através do software CeSFaMB©, tendo como função objetivo a eficiência exergética. O processo termodinâmico completo de geração de potência foi otimizado através do software IPES©. O rendimento global máximo alcançado neste estudo ficou próximo de 46%. Concentrações relativamente elevadas de glicerol na lama combustível proporcionam maiores eficiências globais de Primeira e Segunda Leis do processo. Entretanto, é mostrado também que baixas concentrações podem apresentar eficiências de Primeira Lei próximas a alcançadas para altas concentrações. Isto mostra que tal alternativa pode ser escolhida em casos de baixas ofertas de glicerol Abstract: A study of thermal power generation based on FGSIG/GT (Fuel-Glycerol Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine) technology working with SCB (Sugar Cane Bagasse, wet base) and crude glycerol was developed. The influence of glycerol concentration in the feeding slurry, on the gasification efficiency as well on the whole power generation process, has been studied. The present work is part of a broader study on the FSIG/GT (Fuel Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine) technology, which is based on feeding of pressurized vessels with slurries composed by a solid particulate fuel and a transport liquid. This technology has already shown better efficiencies than conventional processes of power generation using SCB. Moreover, it has also been shown that processes where glycerol is applied as transport liquid led to higher overall power generation efficiencies than those applying water as slurry fluid. The slurry is pumped into pressurized gasifier where it undergoes gasification process, producing high temperature fuel gases. The gas stream need cleaning to decrease the particle contents and sizes, as well its alkaline species concentrations in order to comply with the required limits acceptable by commercial gas turbines. Rankine steam cycles are used to exergy recovering, thus complementing the power generation. The mass flow of glycerol, mass flow of air injected into gasifier, and its hydraulic diameter have been chosen as variables. The CeSFaMB© software was applied during the gasifier optimization and the exergetic efficiency has been chosen as objective function. The IPES© software, was used for the optimization of the whole power generation process. The maximum overall efficiency achieved on this work is close to 46%. Higher concentrations of glycerol in slurry provided higher First and Second Law power generation efficiencies. However, it has also been shown that lower concentrations of glycerol could provide overall First Law efficiencies similar to those achieved for higher concentrations. Therefore, that might be an alternative when glycerol offer is limited Mestrado Engenharia Mecânica Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Marcio Luiz de Souza-Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Um estudo visando maximizar a eficiência global de um processo combinado de geração termelétrica consumindo bagaço de cana é desenvolvido. Tal processo utiliza o conceito Fuel-Slurry Integrated Gasification/Gas Turbine (FSIG/GT) com secador e gaseificador operando em regime de leito fluidizado borbulhante. O bagaço de cana é alimentado ao secador na forma de lama e, após seco, alimentado ao gaseificador. O gás combustível produzido pelo gaseificador é limpo e injetado no combustor de uma turbina a gás que compõe um processo combinado de gás e vapor. Várias premissas foram admitidas, entre elas: a geometria do secador, a pressão de operação dos ciclos a vapor, a taxa de consumo de combustível sólido, a temperatura de injeção de gás nas turbinas, rendimento de equipamentos e a temperatura mínima de orvalho de alcalinos. Os parâmetros tomados como variáveis no presente estudo foram: pressão de operação do processo a gás, diâmetro do gaseificador e vazão mássica de ar alimentado ao gaseificador. O software CeSFaMB© foi utilizado para as simulações e otimizações do secador e otimização do gaseificador. O software IPES foi empregado para simular e otimizar o processo termelétrico combinado completo. Dentro do campo estudado entre 1 e 4 MPa para a pressão do processo a gás, o rendimento de 1ª Lei global máximo alcançado neste estudo para a unidade termelétrica foi de 39,1 % e pressão de operação a 1,2 MPa. O ponto ótimo de eficiência global, encontrado para uma pressão abaixo do limite máximo estudado, é justificado pelo fato dos ganhos na gaseificação e do processo a gás serem contrabalançados pelas perdas de eficiência do ciclo Rankine do processo combinado Abstract: A study aiming maximizing the overall efficiency of a process consuming sugar cane bagasse (SCB) is developed. The process applies the Fuel-Slurry Integrated Gasification/Gas Turbine (FSIG/GT) with dryer and gasifier operating under the bubbling fluidized bed technique. The SCB is fed into the dryer as a slurry. After drying, it is fed into the gasifier. Various premises have been assumed, among them: the dryer geometry, operational pressure of steam cycles, consumption rate of SCB, temperature of the stream injected into the gas turbine, efficiency of the involved equipment, and the minimum dew temperature of alkaline species. The following parameters have been taken as variables: operational pressure of the gas process, gasifier dimensions, and the mass flow of air injected into the gasifier. The CeSFaMB© was applied for the simulations and optimizations of the dryer and the gasifier. The IPES software was employed to simulate and optimize the whole thermoelectric process. Within the range between 1 and 4 MPa of gas process operational pressure, the maximum achieved overall 1st Law efficiency was 39.1 % when the gas branch operated at 1.2 MPa. This optimum, arrived at lower pressures than the higher studied limit, is justified because the gains obtained at the gasification are counter balanced by the losses of efficiency at the Rankine process Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcio Luiz de Souza-Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Um estudo visando maximizar a eficiência global de um processo combinado avançado de geração termelétrica combinada é desenvolvido. Tal processo utiliza caldeira pressurizada de leito fluidizado borbulhante alimentada com bagaço de cana na forma de lama. O vapor gerado é dirigido a um ciclo Rankine com reaquecimento e o gás efluente da caldeira a um processo baseado em turbinas a gás. Várias premissas foram admitidas, entre elas: a geometria da caldeira, a pressão de operação do seu combustor, a taxa de consumo de combustível sólido, a pressão do vapor produzido, a temperatura de injeção de gás nas turbinas e a temperatura de exaustão de gás do processo. Os parâmetros tomados como variáveis no presente estudo foram: teor de sólido na lama, vazão mássica de água passante pelos bancos de tubos e de ar injetado no combustor da caldeira. O software CeSFaMB© foi utilizado para otimizar a operação da caldeira, tendo o rendimento exergético como função objetivo. O software IPES foi empregado para simular e otimizar o ciclo Rankine, o processo a Gás e suas combinações. Para esses, a eficiência de Primeira Lei da Termodinâmica foi adotada como função objetivo. O rendimento global máximo alcançado neste estudo para a unidade geradora ficou em torno de 36,0 %. Este valor é significativo, visto que o rendimento de processos mais convencionais utilizados atualmente na maioria das usinas sucroalcooleiras fornece rendimentos próximos a 30% Abstract: A study aiming maximizing the efficiency of an advanced combined power generation process has been developed. The process applies a pressurized fluidized bed boiler consuming sugar cane bagasse fed as slurry. The generated steam is diverted to a reheated Rankine cycle while the gas exiting the boiler is directed to a gas turbine process. Many assumptions have been taken, among them: the boiler design, the pressure inside its combustion chamber, the rate of fuel consumption, the pressure of produced steam, the gas turbine injection temperature and the temperature of gas exiting the whole plant. The parameters taken as variables were: the concentration of dry solid in the slurry, the mass flow of water pumped into the boiler tube banks and the rate or air injection into the boiler combustion chamber. The CeSFaMB© software has been applied for the boiler optimization, having the exergy efficiency as objective function. The software IPES has been used for the optimization of Rankine cycle, the gas turbine process and theirs combination. The achieved overall power generation efficiency was around 36 %. Having in mind that the efficiency found at present sugar-cane conventional processes are around 30%, the value arrived at this study is significant Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica