Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Obtenção de amônia a partir de rotas termoquímicas utilizando biomassa animal: conversão, disponibilidade e modelagem do processo
Autor(es): SILVA, Fernando Léo Bueno de Oliveira e
Primeiro Orientador: ANDRADE, Rubenildo Vieira
metadata.dc.contributor.advisor-co1: LORA, Electo Eduardo Silva
Resumo: A pesquisa foi desenvolvida para estudar a conversão de nitrogênio em seus subprodutos, com foco especial na formação de Amônia (NH3). O estudo envolveu experimentos de pirólise e gaseificação usando resíduos animais ricos em nitrogênio como biomassa, juntamente com uma avaliação da integração desse processo no cenário brasileiro para avaliar o aumento potencial na produção de amônia. Além disso, foi desenvolvido um modelo preliminar de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para analisar as características do leito inerte em condições frias e quentes, comparando o gás resultante com dados experimentais. A metodologia experimental envolveu a segmentação do processo de gaseificação em subprocessos sequenciais de pirólise e gaseificação. A pirólise foi realizada em reatores de leito fixo e fluidizado usando biomassa crua, enquanto os experimentos de gaseificação usaram o carvão originado do experimento de pirólise e somente o reator de leito fluidizado foi usado com diferentes misturas de agentes de gaseificação, incluindo vapor. Os resultados mostraram taxas de conversão de nitrogênio em NH3 distintas nos diferentes estágios de gaseificação, com o estágio de pirólise contribuindo com aproximadamente 49,3% para a conversão direta de NH3, enquanto a gaseificação do carvão nitrogenado foi responsável por 4,5% da conversão total. A aplicabilidade do estudo no contexto brasileiro considerou-se duas análises: a demanda de consumo de fertilizantes no país, que depende muito de importações, e o uso potencial de carcaças de animais (26 milhões de toneladas por ano) para produzir farinha de carne e ossos (FCO) para a produção de NH3. A utilização de aproximadamente 2,2 milhões de toneladas de nitrogênio da farinha de carne e ossos poderia gerar cerca de 1,5 milhões de toneladas de amônia por ano, o que representaria uma redução substancial de custos (7 a 7,5 bilhões de reais) e atenderia a quase 80% da meta de produção de fertilizantes nitrogenados do Plano Nacional de Fertilizantes. O desenvolvimento do modelo CFD ocorreu em três etapas: adaptação da geometria do reator de leito fluidizado, configuração do modelo hidrodinâmico (leito frio) e implementação do modelo reativo (leito quente) com transporte de espécies e reações químicas. O modelo demonstrou bom desempenho na previsão da produção de NH3, mas são necessários aprimoramentos para considerar reações químicas adicionais e modelos reativos para o transporte de espécies. A validação experimental mostrou resultados promissores para a previsão de NH3, mas foram observadas discrepâncias para o CO, atribuídas principalmente à diluição do agente de gaseificação. Em geral, o estudo fornece informações valiosas sobre a conversão de biomassa rica em nitrogênio em NH3 e as possíveis implicações para a produção de amônia no contexto brasileiro. O modelo CFD mostra-se promissor, mas requer mais refinamento para uma previsão precisa da composição do gás.
Abstract: The investigation was developed to study the conversion of nitrogen into its byproducts, particularly focusing on NH3 formation. The study involved pyrolysis and gasification experiments using nitrogen-rich animal residues as biomass, along with an assessment of integrating this process into the Brazilian scenario to evaluate the potential increase in ammonia production. Additionally, a preliminary Computational Fluid Dynamics (CFD) model was developed to analyze the inert bed's characteristics under both cold and hot conditions, comparing the resulting gas with experimental data. The experimental methodology involved segmenting the thermochemical gasification process into sequential subprocesses of pyrolysis and gasification. Pyrolysis was conducted in fixed and fluidized bed reactors using raw biomass, while gasification experiments used the char originated from the pyrolysis experiment and only the fluidized bed reactor was used with different gasification agent mixtures, including steam. The results showed distinct nitrogen-to-NH3 conversion rates in the different stages of gasification, with the pyrolysis stage contributing approximately 49.3% to the direct NH3 conversion, while gasification of nitrogenated char accounted for 4.5% of the total conversion. The study's applicability to the Brazilian context involved two analyses: the country's fertilizer consumption demand, heavily reliant on imports, and the potential use of animal carcasses (26 million tons annually) to produce meat and bone meal (MBM) for NH3 production. Utilizing approximately 2,2 million tons of nitrogen from MBM could generate around 1,5 million tons of ammonia annually, representing a substantial reduction in costs (7 to 7,5 billion reais) and meeting nearly 80% of the National Fertilizer Plan's nitrogen fertilizer production goal. The CFD model's development occurred in three stages: adapting the fluidized bed reactor's geometry, configuring the hydrodynamics model (cold bed), and implementing the reactive model (hot bed) with species transport and chemical reactions. The model demonstrated good performance in predicting NH3 production, but improvements are necessary to consider additional chemical reactions and reactive models for species transport. Experimental validation showed promising results for NH3 prediction, but discrepancies were observed for CO, mainly attributed to gasification agent dilution. Overall, the study provides valuable insights into the conversion of nitrogen-rich biomass into NH3 and the potential implications for ammonia production in the Brazilian context. The CFD model shows promise but requires further refinement for accurate prediction of gas composition.
Palavras-chave: Conversão do nitrogênio
Formação de NH3
Pirólise de biomassa animal
Gaseificação de carvão nitrogenado
Biomassa animal
CFD
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA::ENGENHARIA DE ENERGIA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia de Energia
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3935
Data do documento: 17-Ago-2023
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