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Orientador: Márcio Luiz de Souza-Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A razão entre a geração de energia elétrica advinda do consumo de carvão contra a advinda de fontes renováveis continua decrescendo. Entretanto, em algumas situações com restrições de fontes possíveis, confiabilidade de produções constantes e econômicas localizadas, o carvão poderá continuar a ser empregado, ao menos por algum tempo. Em várias situações, mitigações são possíveis, como, por exemplo, o consumo do carvão misturado a biomassas ou derivados de produções de biocombustíveis. O presente trabalho é uma avaliação teórica da viabilidade de aplicação do conceito FGSIG/GT (Fuel Glycerol Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine) para geração de energia termelétrica consumindo lama composta por carvão de alto teor de cinzas (HAC – High Ash Coal) e glicerol. Tais carvões possuem baixa entalpia de combustão e normalmente são descartados como resíduos. O glicerol é um subproduto do biodiesel que apresenta crescente produção no Brasil. O refino do glicerol bruto envolve altos custos que tornam o produto comercialmente inviável. O presente trabalho propõe que uma lama desses combustíveis seja bombeada a um gaseificador pressurizado, simplificando assim a alimentação de combustível sólido nesse. O gás, emergente do gaseificador, passaria por um processo de limpeza através de ciclones e filtros para diminuir o teor de sólidos suspensos bem como sua granulometria afim de ser aceito, após a combustão, em turbinas comerciais. Também, antes da combustão, a temperatura do gás seria levada abaixo dos pontos de orvalho de compostos alcalinos diluídos no gás e retirados da corrente gasosa para diminuir a taxa de erosão e corrosão da turbina a gás. Dois ciclos Rankine são acionados para recuperação de energia. O primeiro durante a condensação das espécies alcalinas e o segundo a partir da energia dos gases de exaustão da turbina a gás. A eficiência exergética foi escolhida como função objetivo para o otimizar o processo de gaseificação, onde tomou-se como variáveis a vazão de ar injetado, a geometria básica do gaseificador e a proporção entre combustível sólido e glicerol na lama alimentada nesse. O processo todo de geração de potência foi otimizado tendo como objetivo a eficiência de 1ª lei da termodinâmica desse. Foi alcançada eficiência exergética do gaseificador ligeiramente acima de 80% e eficiência de 1ª Lei do processo todo de 45% Abstract: The ratio between the electric power generation from coal against the power from renewables continues to decline. However, due to possible situations requiring reliable and constant power supply as well to economic factors, coal might continue to be consumed as power source, at least during the medium foreseeable future. Nevertheless, mitigation of greenhouse gases released from units consuming coal is possible by mixing it with biomass or biofuel residuals. The present work is a theoretical feasibility study of applying the FGSIG/GT concept (Fuel Glycerol Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine) power generation processes consuming high-ash coal (HAC) and glycerol slurries. Such low combustion enthalpy coals are commonly discarded as residues. On the other hand, glycerol is a by-product of biodiesel and its production has increased in Brazil. Refining raw glycerol involves high costs, thus making the product commercially unprofitable. The present process proposes that those two fuels would be pumped into a gasifier, thus greatly simplifying the feeding of solid fuel into pressurized equipment. The gas, emerging from the gasifier, would pass through a cleaning process involving cyclones and filters to decrease the concentration of suspended solids in the stream as well as its granulometry. Before combustion, the temperature of the fuel gas would be dropped below the dew points of alkaline compounds diluted in it, thus allowing their removal to decrease their concentration in the gas stream. Such would slow down the gas turbine rates of erosion and corrosion. Two Rankine cycles are applied for energy recovery. The first is applied during the condensation of the alkaline and the second from the gas turbine exhaust. The exergetic efficiency was chosen as an objective function to optimize the gasification process, where the airflow injection rate into the gasifier, its basic geometry and the proportion between solid fuel and glycerol in the slurry fed were taken as variables. The whole power generation process was optimized using the 1st law of thermodynamics as objective function. Gasification exergetic efficiency just over 80% and 45% for the 1st law efficiency for the whole power generation process were achieved Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Electo Silva Lora Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho compõe-se de duas partes fundamentais: o estudo experimental do processo de volatilização de biomassa em leito fluidizado e o estudo experimental da gaseificação de biomassa em leito fluidizado. Foram investigados quatro tipos de biomassa: casca de arroz, bagaço de cana, serragem e borra de café. No capítulo 3 apresenta-se um resumo das propriedades destas biomassas, determinadas tal como foram utilizadas: análise imediata, poder calorÍfico e composição granolumétrica. No capítulo 4 apresenta-se o estudo de volatilização, realizada em um reator de 90 mm de diâmetro. Estes estudos permitiram verificar que a temperatura do leito é o parâmetro de maior influência sobre a composição final do gás. Apresenta-se resultados aproximados dos parâmetros cinéticos de emissão de CO, detetando-se a existência de dois mecanismos diferentes de pirólise na faixa de temperatura pesquisada. O capítulo 5 é dedicado ao estudo da gaseificação, realizada em um reator de 200 mm de diâmetro. Foi determinada a influência do fator de ar nos parâmetros: temperatura do leito, poder calorÍfico do gás e eficiência do gaseificador. Foi também efetuado o balanço energético do gaseificador, com a determinação dos valores das perdas mais importantes, em diferentes condições de operação. Como resultado apresenta-se os parâmetros deoperação na condição de maior eficiência para cada biomassa ensaiada. Foram determinados alguns parâmetros de projeto e apresenta-se uma metodologia para dimensionamento preliminar de gaseificadores de leito fluidizado para biomassa. Entre as dificuldades apresentadas destaca-se a deficiência do sistema de alimentação e a baixa eficiência do gaseificador quando operando com biomassas polidispersas de alto conteúdo de finos, como. o bagaço de cana. O trabalho é complementado com uma investigação bibliográfica dos temas tratados Abstract: This work is composce by two main parts: the experimental studies of the biomass devolatilization and fluidized bed gasification processes. It were tested four different kinds of biomass: rice husk, sugarcalle hagasse, sawdust and spent coffee grounds. Chapter 3 presents a review of the biomass properties, determined as used: proximate analysis, heat value and granulornetric composition. Chapter 4 presents the volatilization study carried out in a 90 mm diameter reactor. As results was verified that the bed temperature is the pararneter with greater influence on the final gas cornposition. The approximate results of the CO emission kinetic parameters determination are presented, being detected the existence of two different pyrolysis mechanisms in the researched temperature range. Chapter 5 is devoted to the gasification research, carried out in a 200 mm diameter gasifier. It was determined the air factor influence on the following gasifier parameters: bed temperature, gas heating value and efficiency. It was carried out also the gasifier energy balance, with the determination of the ma.in heat losses, for different operation conditions. As results are presented operation parameters for maximum efficiency conditions for each of the tested biomass. Among observed difficulties are outstanding failures in the feeding system and the gasifier low efficiency, while operating with polidispersed high fines fraetion containing biomass, sueh as bagasse. A literature resereh in related areas complete the work Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Arai Augusta Bernardez Pecora Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho apresenta o estudo experimental do processo de combustão de carvão mineral brasileiro em reator de Leito Fluidizado Circulante (LFC) com o objetivo de avaliar as taxas de emissões de di óxido de enxofre (S02) e eficiência de conversão de carbono no processo de combustão. Para diminuir a emissão do S02 nos gases de exaustão, foi adicionado, ao carvão, quantidades de calcário dolomítico (dolomita), de modo que a relação molar entre o cálcio (Ca) presente no calcário e o enxofre (S) presente no carvão variou entre 0,0 e 2,0. A variação na relação molar Ca/S, como é denominada na literatura, foi um dos dois fatores avaliados neste trabalho. O outro fator envolvido nos testes foi o excesso de ar utilizado para combustão do carvão. Trabalhou-se com excesso de ar na faixa de 20 a 30%. Foram realizados 11 ensaios seguindo um planejamento experimental estatístico do tipo CCD (Composite Central Design) e mais 02 ensaios complementares. A relação molar Ca/S de 0,6 apresentou emissão zero de S02 e propôs-se utilizar uma nova relação molar: (Ca+Mg)/S para retratar processos de sorção com dolomitas. Para emissão zero de S02, uma relação molar (Ca+Mg)/S de 1,8 já é suficiente. Foram obtidas eficiências de conversão do carbono entre 86,0 e 93,0% para combustão do carvão Abstract: This work presents an experimental study with Brazilian mineral coal combustion in a Circulating Fluidized Bed (CFB) reactor with the objective to evaluate the sulphur dioxide emissions (S02) and the carbon conversion efficiency in the combustion processo Dolomite was added to the coal to minimize the S02 emissions during combustion. The quantity of dolomite added was calculated based on the molar relation of calcium (Ca) present in the dolomite and sulphur (S) present in the coal. Ca/S molar relation had a variation between 0,0 and 2,0. Two factors were evaluated in this work: Ca/S relation and excess of air during combustion which had a variation between 20 and 30%. Eleven (11) experimental tests were evaluated following a statistical experimental design called CCD (Composite Central Design) and 02 (two) more complementary tests. Emissions of S02 with zero value were obtained for a Ca/S of 0,6. It was also proposed in this work a new relation for sorption of S02 with dolomite: (Ca+Mg)/S relation. Tests showed that a relation of 1.8 for (Ca+Mg)/S is sufficient for zero emissions of S02. Carbon conversion efficiency between 86.0 and 93.0 was also obtained during coal combustion Doutorado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador : Marcio Luiz de Souza-Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Nos últimos 25 anos, um modelo matemático abrangente e o correspondente programa computacional têm sido melhorados e testados para simular a operação em regime permanente de equipamentos de leito fluidizado. Apesar do sucesso, as trocas de calor por radiação têm sido tratadas de modo simplificado. Para temperaturas elevadas, a radiação térmica se toma um modo importante de troca de calor e o modelo original poderia gerar imprecisões acima das aceitáveis. Este trabalho procurou aprimorar o modelo para as trocas de calor por radiação entre as partículas aplicando o Método de Dois-Fluxos a um particulado polidisperso não-homogêneo em equilíbrio radiativo. Os gases foram considerados transparentes à radiação. As novas equações foram incorporadas ao programa de simulação, que foi testado contra a operação real de dois reatores de leito fluidizado: uma caldeira a carvão e um gaseificador a madeira. Resultados numéricos a partir da nova versão foram comparados com aqueles obtidos pela versão anterior do simulador e com dados experimentais reais. Atenção foi dada aos perfis de temperatura de cada sólido, às taxas de trocas de calor por radiação entre eles e a parâmetros de performance do equipamento. Melhorias relacionadas à incorporação do Modelo de Dois-Fluxos foram avaliadas e discutidas Abstract: Over the last 25 years, a comprehensive mathematical model and its corresponding computational program has been continuously improved and tested to simulate steady-state operations of bubbling fluidized-bed equipments. Despite its success, the simulator has employed a simple approach for the radiative heat transfers. When high temperatures are achieved, thermal radiation becomes an important energy transfer mode and the original model could lead to deviations above acceptable levels. The purpose of the present work was to improve the model for the radiative heat transfers between alI particles by applying a Two-Flux Method to a nonhomogeneous polydispersed particulate media in radiative equilibrium. Gases were assumed transparent to thermal radiation. The new set of equations was incorporated to the simulation program, which was tested against real operation of two different fluidized-bed reactors: a coalfed boiler and a wood-fed gasifier. Numerical results from that new version were compared with those from the previous simulator version and also with real operational data. Special attention was paid to the temperature profiles of each solid, to the radiative heat transfer rates between them and to some equipment performance parameters. Improvements related to the incorporation of the Two-Flux Model were assessed and discussed. Doutorado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador : Marcio Luiz de Souza-Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Doutorado

Orientador: Antonio Carlos Luz Lisbôa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O xisto é uma rocha compacta de origem sedimentar, formada por componentes orgânicos complexos distribuídos numa matriz mineral. A matéria orgânica, chamada querogênio, é liberada sob aquecimento em temperaturas acima de 350 °C em reatores conhecidos como retortas, como óleo e gás. Este óleo quando refinado produz destilados com as mesmas características encontradas nos de petróleo, sendo considerado uma fonte de energia alternativa. A energia contida no xisto é, em termos mundiais, maior que a contida no carvão e muito maior que a contida nas reservas de petróleo convencional. Grande parte do carbono orgânico existente na Terra está presente sob a forma de combustíveis fósseis e a maior parte destes encontra-se no xisto. Para o projeto dos reatores de leito móvel para pirólise é necessário o conhecimento de várias etapas, inclusive sobre os balanços térmicos entre as partículas de xisto e a corrente gasosa. Estas trocas de calor podem ser avaliadas por modelos matemáticos e solucionadas por métodos numéricos. São estudados diferentes modelos ¿ temperatura ambiente fixa, partícula sem gradiente térmico e partícula com gradiente térmico, ambas dentro da retorta - buscando aproximar à situação vivenciada na realidade do processo onde as partículas de xisto apresentam heterogeneidade na temperatura em seu interior devido ao seu tamanho e a troca realizada com o gás. Para complementar o estudo, é feita uma análise de sensibilidade paramétrica - calor específico do xisto e do gás, condutividade térmica e o coeficiente de transferência de calor - para os diferentes modelos construídos Abstract: Oil shale is a sedimentary rock, made up of organic material scattered throughout a mineral matrix. The organic matter, named kerogen, is released under heating at temperatures above 350 ºC, producing, upon condensation, oil and gas. The oil may be refined to produce similar derivatives to petroleum ones, therefore constituting an alternative energy source. Oil shale is by far the most abundant source of energy worldwide, more than coal, oil sand and petroleum. A large amount of organic carbon on Earth is locked in fossil fuels and most of it into oil shale reserves. The erection of oil shale processing facilities requires the design of retorts that house moving beds in which heat and mass are transferred between gaseous streams and shale. These exchanges may be calculated by heat and mass transfer balances, solved usually by numerical methods. This study analyzes the heat transfer between the gas stream and shale under various circumstances concerning the gas temperature and shale temperature, such as the development of a temperature gradient within the largest shale particles. It also carries out a parametric sensitivity analysis to investigate the effect of some parameters that affect the heat transfer, such as shale and gas specific heats, shale thermal conductivity and heat transfer coefficient Mestrado Engenharia Química Mestra em Engenharia Química

Orientador: Marcio Luiz de Souza-Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Novos desenvolvimentos da estratégia no conceito Fuel- Slurry Integrated Gasifier / Gas Turbine (FSIG / GT) para geração de potência termoelétrica aplicada ao caso de Bagaço de Cana de Açúcar (Sugar Cane Bagasse - SCB) são apresentados. O processo FSIG / GT permite a alimentação de combustível para uma unidade de potência baseada na gaseificação utilizando bombas de lama disponíveis no mercado, evitando, assim, os típicos sistemas de silos sequenciais, também conhecidos como sistemas de alimentação em cascata. Adicionalmente, dispensa a necessidade de oxigênio puro, algumas vezes misturado com hidrocarbonetos, para promover a ignição das partículas na suspensão injetada. A suspensão de combustível é preparada com uma alta concentração de sólido na lama e bombeada para um secador, do qual as partículas sólidas são injetadas ao gaseificador. Como ambos os equipamentos operam sob pressões semelhantes, válvulas rotativas simples e parafusos de Arquimedes podem efetuar da alimentação nesta segunda etapa. O gás é submetido a uma operação de limpeza de partículas bem como a uma redução da concentração de compostos alcalinos dentro dos limites aceitáveis para injeções em turbinas a gás convencionais. A atual fase do desenvolvimento para tal processo inclui o fluxo mássico de gás injetado e o diâmetro como variáveis de otimização do secador e gaseificador de leito fluidizado. Estas melhorias permitem uma eficiência global de geração de potência que traspassa o alcançado por outras estratégias, tais como os ciclos Rankine baseados em turbinas convencionais de alta pressão de vapor, processos BIG / GT, ou ciclos combinados usando caldeiras de câmara pressurizada Abstract: Further developments of the strategy of the Fuel-Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine (FSIG/GT) concept for thermoelectric power generation applied to the case of Sugar Cane Bagasse (SCB) are presented. The FSIG/GT process allows fuel feeding to a power unit based on gasification using commercially available slurry pumps, thus avoiding the usual sequential lock-hoppers, also known as cascade feeding systems. It also dispenses with the need of pure oxygen, sometimes combined with hydrocarbons, to promote ignition of particles in the injected slurry. The fuel slurry is prepared to high dry-solid content and pumped into a dryer, from which the solid particles are fed into the gasifier. Since both equipment operate under similar pressures, simple rotary valves and Archimedes¿ screws might carry the secondary feeding. The gas is cleaned to bring the particle content and size as well alkaline concentration within the acceptable limits for injections into standard gas turbines. The present phase of development for such process includes the fluidized bed dryer and gasifier mass flow inlet gas and diameter as variables for optimizations. That allowed improvements on the overall power generation efficiency that surpasses the achieved by other strategies such as conventional Rankine based high-pressure steam turbines, BIG/GT process, or combined cycles using pressurized-chamber boilers Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcio Luiz de Souza Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho teórico analisou as condições de operação de um ciclo combinado de geração de potência consumindo biomassa. Nesse processo, vapor supercrítico é gerado em caldeira com câmara de combustão pressurizada. A corrente gasosa que deixa o combustor é utilizada para acionar turbinas a gás. Partículas de madeira são misturadas com água para formar uma lama que é bombeada para a câmara pressurizada da caldeira. Tal alternativa evita o uso de sistemas complexos de silos sequenciais gradativamente pressurizados, geralmente utilizados na alimentação de particulado sólido em vasos pressurizados. Vapor supercrítico a 30 MPa é injetado em turbinas a vapor. Após a remoção de particulados, o gás de combustão reaquece o vapor que deixa o primeiro estágio da turbina. Durante esta troca de calor, o gás de combustão é resfriado a temperatura abaixo das temperaturas de ponto de orvalho das espécies alcalinas presentes, permitindo, assim, a remoção dessas antes de adentrarem a turbina a gás. A eficiência exergética é escolhida como principal parâmetro de avaliação para a caldeira, enquanto a 1ª Lei da Termodinâmica é escolhida como principal parâmetro de avaliação para todo o processo de geração de potência. Os resultados permitem determinar as principais influências da geometria da caldeira e das características operacionais, assim como da estratégia global no desempenho do processo estudado. Embora empregando pressões elevadas tanto no combustor da caldeira como do vapor gerado, o estudo mostrou que as eficiências do processo ficam aquém do esperado para tão avançada alterativa de geração de potência. Entre as principais razões para tanto estão a limitação da temperatura do corrente injetada na turbina a gás bem como o alto consumo de potência requerido para comprimir ar insuflado na caldeira Abstract: The present theoretical work analyzed the operational conditions of a combined power generation cycle consuming biomass. In this process, supercritical steam is generated by a boiler operating with a pressurized combustion chamber. The gas stream leaving the combustor is used to drive a gas turbine. Wood particles are mixed with water and pumped into the pressurized boiler. Such feeding alternative circumvents the use of cumbersome multiple lock-hoppers, gradually pressurized, usually applied in feeding of particulate solid into pressurized vessels. Supercritical steam generated at 30 MPa is injected into steam turbines. After particle removal, the flue gas reheats the steam leaving the turbine first stage. During that heat exchanging, the flue gas is cooled to temperature below the dewpoints of alkaline species in it, thus allowing their removal before entering the gas turbines. The exergetic efficiency is chosen as main function for the boiler assessment, while the efficiency based on the 1st Law of Thermodynamics is chosen as main function for the whole power generation process assessment. The results allow to determine the main influences of the boiler geometry and the equipment operational characteristics, as the influence of the whole process strategy in the performance of the studied process. Notwithstanding the boiler combustion chamber operates at high pressure and supercritical steam pressure is produced, the study revealed efficiencies bellow the expected for such an advanced power generation process. Among the main reasons for that, there are the temperature limitation for the stream injected into the gas turbine and the high power required to compress the air entering the boiler Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 88887.464743/2019-00

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 Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho pretende contribuir para os estudos de viabilidade teórica do conceito de Gaseificador/Turbina a Gás (FSIG/GT) integrados para geração de energia termelétrica aplicada ao caso de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU). A lama é injetada por bombas comercialmente disponíveis em um secador pressurizado que opera sob a técnica de leito fluidizado borbulhante. Esse método evita os problemas comuns de alimentação de partículas em ambientes pressurizados. Após a secagem, o RSU é transportado para um gaseificador para produzir o gás combustível. O gás é limpo reduzindo-se a concentração e tamanhos de partículas para valores aceitáveis para injeção em turbinas a gás. Além disso, para atingir baixa concentração de componentes alcalinos, que podem causar erosão e corrosão nas lâminas da turbina de gás, a corrente de gás é arrefecida até valores abaixo das temperaturas de orvalho desses componentes alcalinos. O resfriamento fornece energia para a geração de vapor que impulsiona um ciclo baseado no ciclo Rankine. Em seguida, o gás é direcionado para um combustor e a corrente resultante a alta temperatura aciona turbina ou turbinas a gás. A exaustão dessas turbinas é usada para operar um ciclo Rankine secundário de recuperação de energia. O presente estudo aplica o software matemático (Simulador para Leitos Fluidizados e Moventes - CeSFaMB ©) para simular o secador e também o gaseificador, enquanto outro software (Simulador de Equipamentos e Processos Industriais - IPES ©) para simular processo global de geração de energia. Isso permite verificar o efeito do teor de sólidos secos na lama de RSU nas eficiências da 1ª e 2ª Lei da unidade global de geração de energia. Os resultados mostram um aumento praticamente linear dessas eficiências contra o aumento do teor de sólidos secos na lama. Também indica a possibilidade de melhorias substanciais no nível de eficiência global alcançado em trabalhos anteriores, atingindo agora valores superiores a 40% Abstract: The present work intends to contribute to the theoretical feasibility studies of Fuel-Slurry Integrated Gasifier / Gas Turbine (FSIG / GT) concept for thermoelectric power generation applied to the case of Municipal Solid Waste (MSW). The slurry is injected by commercially available pumps into a pressurized dryer operating under the bubbling fluidized bed technique. Such a method avoids the commonly encountered problems of feeding particulates in pressurized environments. After drying, the MSW is carried to a gasifier to produce the fuel gas. The gas is cleaned by lowering its particle content and sizes to values acceptable for injection in gas turbines. Additionally, to reach low concentration of alkaline components, which might cause erosion and corrosion to gas turbine blades, the gas stream is cooled to values below the dew point temperatures of those alkaline components. The cooling provides energy for steam generation that drives a Rankine-based cycle. Then, the gas is directed to a combustor and the exiting hot stream turns gas turbine or turbines. The exhaust from those turbines is used to drive a secondary heat recovering Rankine-based cycle. The present study applies mathematical software (Comprehensive Simulator for Fluidized and Moving Beds - CeSFaMB©) to simulate the dryer as well the gasifier, while another software (Industrial Process and Equipment Simulator ¿ IPES©) to simulate the whole power generation process. Those allow verifying the effect of dry solid content in the MSW slurry on the overall power unit 1st and 2nd Law efficiencies. The results show a practically linear increase of those efficiencies against the increase of dry solid content in the slurry. It also indicates the possibility of substantial improvements on the level of overall efficiency achieved in previous works, reaching now values higher than 40% Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica

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 aplicando o conceito FSIG/GT (Fuel-Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine) para geração de potência consumindo carvão de baixa qualidade ou com alto teor de cinzas foi desenvolvido. Tais carvões, comumente conhecidos como high-ash coals (HAC), são na maioria dos casos, pouco rentáveis para geração de potência e normalmente descartados. O presente trabalho é parte de uma série dedicada à aplicação do conceito FSIG/GT, que já mostrou ser mais eficiente que os processos convencionais de geração de potência utilizando bagaço de cana e resíduos sólidos municipais. Somado a isso, o processo FSIG/GT permite a alimentação do combustível no leito pressurizado através de bombas de lama disponíveis comercialmente, evitando os típicos sistemas de silos sequenciais também conhecidos como sistemas de alimentação em cascata. A lama de combustível é preparada com uma alta concentração de sólidos e bombeada para um secador, do qual as partículas sólidas são transferidas ao gaseificador. Como o secador e o gaseificador operam sob pressões semelhantes, válvulas rotativas simples e parafusos de Arquimedes podem efetuar a alimentação nesta segunda etapa. O gás é submetido a uma operação de limpeza de partículas bem como a uma redução da concentração de compostos alcalinos dentro dos limites aceitáveis para injeções em turbinas a gás convencionais. Ciclos de potência a vapor são utilizados para recuperar energia. Os parâmetros tomados como variáveis no presente estudo foram: vazão mássica de ar injetado no gaseificador, diâmetro médio das partículas de combustível e diâmetro hidráulico do gaseificador. O software CeSFaMB© foi utilizado para otimizar a operação do gaseificador e do secador, tendo as eficiências exergética e a frio como funções objetivo. O software IPES© foi empregado para simular e otimizar o ciclo termodinâmico de geração de potência. O rendimento global máximo alcançado neste estudo para a unidade geradora ficou em torno de 27%. Tendo em vista a baixa qualidade do HAC como combustível, essa eficiência é significativa quando comparada às eficiências de processos de geração convencionais Abstract: A study applying FSIG/GT concept (Fuel-Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine) for power generation consuming low-grade/high-ash coal (HAC) was developed. This feature is, in most cases, uneconomical and normally discarded as waste. The present work is part of a series dedicated to the application of the concept FSIG/GT, which has shown to be more efficient than conventional power generation processes using sugar cane bagasse and municipal solid waste. Additionally, the FSIG/GT process allows the fuel supply in the pressurized bed through commercially available slurry pumps, thus avoiding the typical cumbersome sequential systems also known as cascade feeding systems. The slurry is prepared with a high concentration of solids and pumped to a dryer, from which the solid particles are transferred to the gasifier. Since both devices operate under similar pressures, simple rotary valves and Archimedes screws are enough to allow transfering the particles from the dryer to the gasifier. The gas particles are cleaned to reduced concentration of alkali species within acceptable limits for injections in conventional gas turbines. Steam power cycles are used to recover energy. The parameters taken as variables in this study were the mass flow rate of injected air into the gasifier, average diameter of the particles of fuel and hydraulic diameter of the gasifier. The CeSFaMB© software has been used to optimize the operation of the gasifier and dryer, and the exergetic efficiencies and cold as objective functions. IPES© software has been employed to optimize the thermodynamic cycle power generation. The maximum overall performance achieved in this study for the generating unit neared 27%. In view of the poor quality of HAC as fuel, that efficiency is significant when compared to the efficiencies of conventional generating methods Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Marcio Luiz de Souza-Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho introduz novos desenvolvimentos da estratégia no conceito Fuel-Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine para a geração de potência termoelétrica aplicada ao caso de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU). O processo FSIG/GT permite a alimentação do combustível num gaseificador pressurizado utilizando bombas de lama disponíveis no mercado, evitando a necessidade de sistemas de silos em cascata. O gaseificador opera em regime de Leito Fluidizado Borbulhante (Bubbling Fluidized Bed- BFB) e adicionalmente dispensa a necessidade de vapor como agente gaseificador simplificado o processo. As principais variáveis de estudo são a pressão operacional de gaseificação e a vazão mássica de ar injetado através do distribuidor. O gás produzido passa pelo sistema de limpeza para atingir os níveis toleráveis de tamanho e conteúdo de partículas, como também a concentração de alcalinos é controlada dentro dos níveis aceitáveis para a injeção na turbina a gás. O trabalho aplica o simulador CeSFaMB© e não considera custos de capital Abstract: This work introduces a new optimization of the Fuel-Slurry Integrated Gasifier/Gas Turbine (FSIG/GT) concept for thermoelectric power generation process consuming municipal solid waste (MSW). The FSIG/GT power generation process allows fuel feeding to a power unit based on gasification using commercially available slurry pumps. This dispenses the need of usual sequential or cascade feeding systems. Such fuel is prepared to high dry-solid content and pumped into a dryer, from which the solid particles are fed into a pressurized bubbling fluidized bed gasifier. The produced gas is cleaned to bring the particle content and size, as well as alkaline concentration within the acceptable limits for injections into standard gas turbines. Previous works shows that no steam injection is needed as a gasification agent, thus simplifying the process and decreasing the capital costs. The present work optimizes the operation having the cold efficiency and the exergetic efficiency of the gasifier as objective function. The gasifier operational pressure, its diameter, and the mass flow of injected air into the gasifier are set as main variables. Nevertheless, the present work does not include considerations on the economics of the proposed process. The work applies the comprehensive simulator (CeSFaMB©) Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

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

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Os processos de separação são amplamente usados na indústria petrolífera e alcoolquímica. O processo de destilação representa por volta de 40% dos custos da energia requerida nas operações industriais e grande quantidade de energia do processo não é aproveitada, sendo perdida ao ambiente. No Brasil, devido aos avanços industriais e à necessidade do mercado energético, inovações ao processo convencional de separação são essenciais para o desenvolvimento de novas estratégias e projetos que permitam uma diminuição do consumo de energia. Neste trabalho, foi desenvolvido o estudo do novo conceito de Coluna de Destilação com Integração Interna de Calor (CDIIC) a qual é referenciada na literatura como coluna HIDiC (Heat Integrated Distillation Column) na qual a seção de retificação opera a pressões e temperaturas maiores que a seção de esgotamento; assim, aproveita-se o calor da seção de retificação para aquecer a seção de esgotamento. O simulador de processos Aspen Plus V7.2 foi utilizado para o estudo e a implementação de uma modelagem da configuração no simulador, a qual é uma modelagem aproximada, pois o mesmo não possui este tipo de Operação Unitária. As simulações desenvolvidas foram feitas visando os cenários mais realistas que descrevessem a nova configuração, simplificando as complexidades do projeto e criando estratégias de convergência que permitam o estudo do potencial de diminuição do consumo de energia desta configuração. Na coluna CDIIC, as seções de retificação e de esgotamento se encontram dispostas de forma concêntrica e para garantir a operabilidade são usados um compressor e uma válvula para obter as temperaturas e pressões necessárias ao sistema. Na atualidade, esta configuração não é uma realidade na indústria sendo o projeto interno o de maior complexidade, além da falta de dados experimentais da coluna em uma escala suficientemente adequada para comparações. Na coluna CDIIC, estudos de transferência de calor foram realizados indicando os parâmetros de processo, como posição de alimentação, quantidade de calor trocado e possíveis configurações internas. Até o momento, aqui no Brasil, ainda não se encontram trabalhos publicados na área. Pela faixa de aplicabilidade, a coluna CDIIC terá muitas aplicações importantes, seja na área petroquímica, seja na alcoolquímica, sendo uma alternativa com potencial para a diminuição do consumo de energia em processos de destilação Abstract: The separation processes are largely used in petroleum and alcohol-chemical industries. The distillation process represents around 40% of energy costs in industrial operation, thus large among of energy of the process is not used and it is lost to the surrounding. In Brazil, industrial developments and the need of energy market allowed innovations to the conventional separation process. This is essential for the development of new strategies and designs that enable a reduction in energy consumption. In the present work a study of the new concept of Heat Integrated Distillation Colum which is referenced in literature as HIDiC column was developed. In this column, the rectifying section operates at higher pressures and temperatures than the stripping section. Thus, the heat of rectifying section is used to heat the stripping section. The Aspen Plus V7.2 software was used for the study of column configuration and the potential of heat transfer, since it does not have this type of unit operation. The simulations shows a more realistic situation able to model the new configuration, simplifying the complexities of design and creating strategies that facilitate the study of the potential for reducing the energy consumption of this configuration. In HIDiC column, the rectifying and stripping section are concentrically and to ensure operability a compressor and throttle valve are applied to achieve the temperatures and pressures required by the system. Currently, this configuration is not a reality in the industry, because the lack of experimental data from the column. In addition, the complexity of internal configuration needs to be solved. In HIDiC column, heat transfer studies were performed showing the process parameters such as feed position, amount of heat exchanged and the initial concentration. So far, in Brazil has not been published works about this technology. The range of applicability of HIDiC column has many important applications in petrochemical and alcohol-chemical industries and it represents an alternative for reducing the energy consumption in distillation process Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química

Orientador: Marcio Luiz de Souza-Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho tem por objetivo a implantação de uma técnica para estimativa simultânea dos parâmetros hidráulicos e de transporte de solutos em solos, visando a aplicação em simulação computacional de migração de contaminantes. Foi selecionado um aparato experimental para a realização do experimento de transporte de soluto em colunas, assim como o código Hydrus-1D para estimativa de parâmetros através da Técnica de Levenberg-Marquard. Para testar o método foi utilizado um solo arenoso não-reativo. Com esse material foram estimados o conteúdo de água de saturação qs, a condutividade hidráulica de saturação Ks e o coeficiente de dispersão D. Foram testadas quatro estratégias para a estimativa onde os parâmetros foram estimados simultaneamente e separadamente em ordens diversas. As estratégias que fazem a estimativa dos parâmetros separadamente apresentaram melhores resultados. Foi avaliada também a influência das dimensões das colunas nos resultados experimentais e nos resultados das estimativas, demonstrando que colunas de menor comprimento apresentam resultados melhores e que houve uma variação nos resultados devido à variação no diâmetro, o que está em desacordo com o modelo unidimensional utilizado. Em seguida amostras de solo da mina de urânio de Caldas foram testadas. Para este material foram estimados os mesmos parâmetros anteriores mais o coeficiente de distribuição Kd. Os valores estimados para os parâmetros com o solo da mina de urânio apresentaram pequenos desvios-padrão, caracterizando boas estimativas Abstract: The objective of this work is to implement a technique for the simultaneous estimation of hydraulic and transport parameters of soils, aiming at the application on computational simulation of contaminant migration. An adequate experimental apparatus was selected for the solute transporte experiment in small columns. The software Hydrus-1D was selected as the simulation software capable of estimating the parameters through the Levenberg-Marquardt Technique. For the implementation of the methodology a non-reactive sandy soil was used. The saturation water content qs, the saturation hydraulic conductivity Ks and the dispersion coefficient D were estimated for this material. Four approaches were tested, including simultaneous and sequential estimations in various orders. The sequential estimation resulted in better results. The influence of the dimensions of the columns on the experimental and estimation results was also evaluated, demonstrating that columns with smaller high results in better estimations and that the diameter variations resulted in variation of the behavior, in disagreement with the unidimensional model used. Next, soil samples extracted from de Caldas uranium mine were used for the estimation of the same parameters together with the distribution coefficient Kd. Values for the estimated parameters with the soil samples from the uranium mine showed small standard deviations, characterizing good estimations Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcio Luiz de Souza-Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho tem por objetivo a estimativa simultânea dos parâmetros hidráulicos e de transporte relacionados ao material existente em uma das pilhas de estéreis de mineração de urânio (Pilha de Estéreis 4) da Unidade Caldas das Indústrias Nucleares do Brasil (INB Caldas). Antes de realizar as estimativas, foi necessário conhecer as espécies químicas que são solubilizadas desse material pela ação das intempéries climáticas, sabendo-se que este material é rico em pirita (sulfeto de ferro, FeS2). Para isso foi montado um aparato experimental chamado de Experimento de Drenagem Ácida, no qual o processo de oxidação da pirita foi acompanhado em ambiente controlado. Foram feitas as determinações das concentrações de diversos elementos químicos estáveis e radioativos tanto no líquido ao longo dos testes, quanto no material sólido antes e depois dos testes. Foram calculadas a massa (ou atividade) total solubilizada, a taxa de solubilização e o percentual de solubilização. Os resultados mostraram quais espécies são mais facilmente solubilizadas e quais devem ser acompanhadas nos estudos de contaminação. As estimativas dos parâmetros hidráulicos e de transporte foram obtidas através da associação de um Experimento de Transporte de Solutos ao código computacional Hydrus-1D. Além da solução numérica do modelo adequado ao experimento, este código possui implementada a Técnica de Levenberg-Marquardt para estimativa de parâmetros. Foram estimados o conteúdo de água de saturação qs, a condutividade hidráulica de saturação Ks e o coeficiente de dispersão D. Os resultados mostraram que o parâmetro D é mais bem estimado, seguido por qs e Ks Abstract: The present work aims to simultaneously estimate the hydraulic and transport parameters related to the material of one of the waste rock piles (Waste Rock Pile 4) from the Poços de Caldas uranium mining and milling facility. Before performing the estimation, it was necessary to study the chemical species that are dissolved from this material by the climate action, knowing a priori that the material is rich in pyrite (iron sulfide, FeS2). In order to follow the pyrite oxidation process within a controlled environment, an experimental apparatus called Acid Drainage Experiment was assembled. During tests, concentrations of various stable and radioactive chemical elements were determined in the liquid as well in the solid material before and after the tests. In addition, the total mass (or activity) dissolved, the rate of dissolution and the percentage of dissolution were calculated. Results showed which species are more easily dissolved and those that should be followed in contamination studies. The simultaneous estimation of the hydraulic and transport parameters was accomplished through the so called Solute Transport Experiment combined with the software Hydrus-1D. This software provides the numerical solution of an adequate model, using the Levenberg-Marquardt Technique for parameter estimation. The saturation water content qs, the saturation hydraulic conductivity Ks and the dispersion coefficient D were estimated. Results showed that the parameter D was well estimated, followed by qs and Ks Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Marcio Luiz de Souza-Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Mestrado