Thermodynamic modelling and simulation of Municipal solid waste gasification

Abstract

Resumo: O manejo, gerenciamento e a destinação final da crescente produção de resíduos sólidos urbanos (RSU) não é tarefa simples e vem sendo foco de intensa pesquisa. Organizações mundiais, governos federal, estaduais e municipais demandam soluções tecnológicas que possam os permitir lidar com o desafio da correta destinação dos resíduos urbanos. Ao mesmo tempo, a demanda por eletricidade no Brasil tem crescido nos últimos anos. Como parte da solução, o processo de geração de energia elétrica a partir de resíduos sólidos urbanos pode compatibilizar a disponibilidade de matéria-prima concentrada em um único local com a proximidade da usina com a carga. A gaseificação é um processo térmico que transforma materiais orgânicos em gás de síntese, do qual é possível gerar energia elétrica. Assim, é necessário se prever a quantidade de gás de síntese que pode ser produzida para que seja possível e otimizado o dimensionamento de um processo completo do tipo resíduo em energia. Neste contexto, este trabalho visa ao estudo teórico do processo de gaseificação do resíduo sólido urbano. Um modelo de equilíbrio foi desenvolvido para prever a quantidade de gás da gaseificação da cidade de Curitiba. Um método para avaliar a análise elementar do RSU, na ausência de informações experimentais, foi proposto e utilizado. Simulações de diferentes cenários para gaseificação foram calculados, incluindo condições supercríticas. O modelo desenvolvido foi validado com dados da literatura e utilizado para otimizar as condições de gaseificação. A condição ótima de reação pode variar de acordo com a composição do combustível, quantidade de ar injetada no sistema, umidade e pressão do gaseificador. Foi feita uma comparação entre as abordagens estequiométrica e não-estequiométrica. A abordagem estequiométrica pode ser equivalente a não-estequiométrica, porém não permite facilmente a adição de maior quantidade desubstâncias para avaliação. De maneira geral, dos resultados teóricos obtidos neste trabalho, os resíduos sólidos urbanos tem viabilidade técnica de serem usados como matéria-prima para produção de energia elétrica.

Abstract: Handling, management and disposal of the growing Municipal Solid Waste Production (MSW) is not a simple task and it has been focus of intense research. World organizations, Federal, State and Municipal governments need technological solutions that allow them to correct handle the challenge of urban waste disposal. At the same time, demand for electricity in Brazil has risen in last years. As part of the solution, the process of electric generation from the municipal solid waste gasification can match the availability of raw material concentrated in one location with the proximity of a power plant to the demanded area. The gasification is a thermal process that transforms organic materials in synthesis gas, from which is possible to generate electricity. Thereby, it is required the prediction of the synthesis gas amounts that can be produced to make possible the correct and optimal design of a complete waste-to-energy process. In this context, this work is aimed to a theoretical study regarding the urban solid waste gasification process. An equilibrium model has been developed to predict the product gas of the gasification of the Curitiba City Municipal Solid Waste (MSW). A method to evaluate the ultimate analysis of MSW when there is lack of experimental information was proposed and used. Simulations of different gasification scenarios were carried out, including predictions at supercritical conditions. Model developed was validated against literature and used for evaluate and optimizing the gasification conditions. The optimum reaction set point may vary according to the fuel composition, amount of air injected into the system, moisture and pressure in the gasifier. A comparison between the stoichiometric and nonstoichiometric approaches was also evaluated. The stoichiometric approach can be equivalent to the non-stoichiometric, but does not easily allow the additions of substances to evaluate its formation. In a general way, from the theoretical results obtained in this work it can be seen that the urban solid waste presents a potential technical feasibility to be used as a raw material for energy-production systems.