Análises energética e exergética e modelo de simulação de um alto- forno de calcinação a gasogênio de biomassa de eucalipto
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Energy and exergy analyses and simulation model of a limekiln working with producer gas derived from eucalyptus biomass
Primeiro orientador
Membros da banca
Viviane Santos Birchal
Ralney Nogueira de Faria
Luiz Machado
Domingos Fabiano de Santana Souza
Ralney Nogueira de Faria
Luiz Machado
Domingos Fabiano de Santana Souza
Resumo
Nas indústrias de calcinação depende–se fortemente do uso de combustíveis fósseis para
atender à demanda energética dos fornos de calcinação, tanto em cenário global como nacional.
Contudo, devido a restrições do uso de combustíveis fósseis por causa de, por exemplo,
preocupações quanto ao esgotamento de suas jazidas, aumento de restrições de emissões de
gases do efeito estufa e crescimento do custo destes combustíveis, tem–se buscado no setor da
cal combustíveis alternativos para suprir o requerimento energético do processo de calcinação.
Assim, neste trabalho teve–se como objetivo principal realizar avaliações energéticas e
exergéticas em um forno vertical de cal em operação no Brasil. Esse forno utiliza gasogênio
como biocombustível renovável, produzido por meio da gaseificação de madeira de eucalipto
em um sistema integrado. As avaliações foram conduzidas levando em consideração os
principais equipamentos envolvidos no processo. Coletaram–se dados industriais e elaboraram–
se balanços de massa, energia e exergia, aplicando–se princípios termodinâmicos. Para
complementar a caracterização dos equipamentos, recorreu–se a algumas informações
disponíveis na literatura. Os resultados obtidos foram comparados e discutidos com os de fornos
de cal similares que utilizam combustíveis fósseis e gaseificadores de biomassa estudados pela
literatura. Obtiveram–se resultados globais de eficiência energética, eficiência exergética,
índice de sustentabilidade exergética, número de depleção e índice de destruição ambiental de
42,0%, 23,6%, 1,3, 0,8 e 4,2, respectivamente, para o processo de calcinação. Esses resultados
são compatíveis com os encontrados na literatura utilizada como referência. Com base nesses
resultados, foi possível investigar a sustentabilidade do processo de calcinação operando com
biocombustível e identificar oportunidades de recuperação de exergia, como a recuperação do
calor contido nos gases de exaustão do forno de cal, valorização da exergia dos resíduos gerados
no gaseificador de madeira de eucalipto, e reaproveitamento do calor perdido no forno de cal e
gaseificador. Essas oportunidades têm potencial para promover economia de combustível,
reduzir os custos de produção de cal e diminuir a emissão de gases poluentes durante o processo
de calcinação. Os diagnósticos realizados podem servir de base e estimular pesquisadores a
explorar a implementação de biocombustíveis renováveis, como o gasogênio obtido a partir da
gasificação de madeira de eucalipto, como uma alternativa aos combustíveis fósseis
convencionais utilizados em fornos de cal.
Abstract
In calcination industries, there is a strong reliance on the use of fossil fuels to meet the energy
demand of the limekilns, both on a global and national scale. However, due to restrictions on
the use of fossil fuels arising from concerns such as the depletion of reserves, increased
greenhouse gas emission regulations, and rising fuel costs, the quicklime industry has been
exploring alternative fuels to fulfill the energy requirements of the calcination process. So, the
main purpose of this study was to conduct energy and exergy assessments of the performance
of a vertical limekiln in Brazil. This limekiln utilizes producer gas as a renewable biofuel,
generated through the gasification of eucalyptus wood in an integrated system. The assessments
were performed considering the main equipment involved in the process. Industrial data was
collected, and mass, energy, and exergy balances were developed using thermodynamic
principles. Supplementary information from the literature was used to complement the
equipment characterization. The obtained novel results were compared and discussed with
similar limekilns using fossil fuels and biomass gasifiers reported by the literature. The overall
results for energy efficiency, exergy efficiency, exergetic sustainability index, depletion
number, and environmental destruction index were 42.0%, 23.6%, 1.3, 0.8, and 4.2,
respectively, for the calcination process. These results are consistent with those found in the
literature used for reference. Based on these results, it was possible to investigate the
sustainability of the calcination process operating with a renewable biofuel and identify
opportunities for exergy recovery, such as the reutilization of heat from the limekiln's exhaust
gases, valorization of exergy from the waste generated in the eucalyptus wood gasifier, and the
reuse of lost heat from the limekiln and gasifier. These opportunities have the potential to
promote biofuel savings, reduce quicklime production costs, and decrease the emission of
pollutants during the calcination process. The conducted assessments can serve as a foundation
and undergird researchers to explore the implementation of renewable biofuels, such as
producer gas derived from eucalyptus wood, as an alternative to conventional fossil fuels used
in limekilns.
Assunto
Engenharia mecânica, Energia, Calcinação (Metalurgia), Exergia (Termodinâmica), Biomassa, Biocombustíveis, Altos-fornos, Sustentabilidade
Palavras-chave
Energia, Exergia, Biocombustível, Biomassa, Forno de cal, Calcinação