Simulação e avaliação termodinâmica de configurações de sistemas de cogeração a vapor para recuperação energética dos gases exaustos dos fornos de uma carboquímica

Página do item simplificado
dc.contributor.advisor-co1Faria, Pedro Rosseto de
dc.contributor.advisor1Santos, José Joaquim Conceição Soares
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0003-3695-2014
dc.contributor.authorQuintão, Alexsander Luíz
dc.contributor.referee1Donatelli, João Luiz Marcon
dc.contributor.referee2Silva, Júlio Augusto Mendes da
dc.date.accessioned2025-01-30T13:28:33Z
dc.date.available2025-01-30T13:28:33Z
dc.date.issued2024-08-30
dc.description.abstractEnergy efficiency plays a crucial role in the transition to more sustainable energy sources and in the decarbonization of industries. Within this context, the recovery of residual energy from processes stands out as a strategy, as is the case of the carbochemical plant, which is the subject of this study, where the calcination furnaces release exhaust gases containing thermal and chemical energy. These gases, originating from six furnaces, have a total flow rate of 1.36 kg/s at 800°C, with a volumetric composition of 26% H2, 4.2% CH4, and 5% CO, among other gases, resulting in a total energy potential of 8.30 MW. of which 1.63 MW is thermal and 6.67 MW is chemical. This study aims to analyze cogeneration system configurations based on steam cycles for this energy recovery, aiming to heat the thermal oil of the process, in addition to generating electricity. To this end, four configurations were simulated based on an example from Norway, using the IPSEpro software, followed by evaluation based on the first and second laws of thermodynamics to assess their performance and identify opportunities for future optimizations. The results indicated that, in addition to providing useful heat of 70 kW for heating the oil, it is possi-ble to obtain an electrical power of up to 2.654 MW. The energy and exergy efficiencies of the steam cycles reach up to 43.35% and 80.45%, respectively, while the system as a whole achieves up to 32.8% and 32.03% energy and exergy efficiencies, respectively. The exergy analysis revealed opportunities to improve various processes, with the greatest exergy des tructions occurring in the combustion chambers and boilers, in addition to the recoverable heat in the exhaust gases from the boilers. Although the environmental assessment was not the main objective of the study, qualitatively, it was observed that there is a drastic reduction in the temperature of the gases currently released into the atmosphere, as well as the combustion of combustible elements present, mainly methane, drastically reducing thermal and chemical pollution. Furthermore, quantitatively, by generating electricity and thus reducing the demand on the power grid, more than 3,234 tons/year of CO₂ emissions can be avoided. These indicators, as well as the thermodynamic evaluation of these four simulated configurations, demonstrate the significant theoretical potential for recovering this residual energy, which brings substantial benefits in terms of both effici-ency and reduction of environmental impacts. This potential also suggests the need for further studies for other assessments, particularly regarding economic viability, especially if the project is to be enabled for integration into a carbon market.
dc.description.resumoA eficiência energética desempenha um papel crucial na transição para fontes de ener gla mala sustentáveis e na descarboninação das Indústrias. Dentro desse contexto, a recuperação de energia residual de procmace se destaca como uma estratégia, como é o caso da planta carboquímica, objeto deste estudo, em que os fornce de calcinação liberam pam de exametão que contêm energia térmica e química. Eames gases, oriundos de seis fornos, têm uma vazão total de 1,30 kg/s a 800°C, tendo na composição volumétrica de 28% de Ha, 4,2% de CIH, e 5% de CO, entre outros gases, resultando em um potencial energético total de 8,30MW, sendo 1,63MW sérmicos e 6,67MW químicos. Este ostudo objetiva analisar configurações de sistemas de cogeração, baseadas em ciclo a vapor, pars esta recuperação energética, visando o aquecimento do óleo térmico do processo, além da peração de eletricidade. Para isso, foram realizadas quatro simulações de configuraçõem, partindo de um exemplo da Noruega, usando o software IPSEpro, seguidas de avaliação com base na primeira e segunda lei da termodinâmica, para avaliar o desempenho delas, além de identificar oportunidades para futursa otimizaçõen. Os resultados indicaram que, além de prover o calor útil de 70kW, para aquecimento do óleo, é possível obter uma po tência elétrica de até 2,654MW. As eficiências energéticas e exergéticas dos ciclos a vapor atingem até 43,35% 80,45%, respectivamente, enquanto que o sistema, como um todo, alcança até 32.8% 32,03% de eficiências energéticas e exergéticas, respectivamente. A análise exergética revelou que há oportunidades para melhorar diversos procesos, com as maiores destruiços de exergia nas câmaras de combustão o nas caldeiras, além do cakr recuperável nos gases de exaustão das caldeiras. Embora a avaliação ambiental não tenha xido parte do objetivo principal do estudo, qualitativamente, observou-se que há a dimi nuição drástica da temperatura dos gases jogados hoje na atmosfera, além da queima dos elementos combustives presentes, principalmente do metano, reduzindo drasticamente a polsiplo térmica e quimica. Além dimo, quantitativamente, so gerar eletricidade, reda modo am a demanda da rede elétrica, evita-se a emimão de mais de 3.234ton/ano de CO, na atmosfera. Eates indicadores, bem como a avaliação termodinâmica, destas qua tro configurações simuladas, mostram o grande potencial teórico para a recuperação desta mergla residual, que traa beneficion substanciais, tanto em termos de eficiência, quanto de redução de impactos ambientais. Este potencial tanibém sugere uma necesidade tuvos studos para outras avaliações, principalmente de viabilidade económica, empecialmente ano projeto vier a ser habilitado para ser integrado a um merrado de carbono.
dc.description.sponsorshipAgência de fomento
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/18298
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Mecânica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsopen access
dc.subjectEnergia residual
dc.subjectEficiência energética
dc.subjectAnálise exergética
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleSimulação e avaliação termodinâmica de configurações de sistemas de cogeração a vapor para recuperação energética dos gases exaustos dos fornos de uma carboquímica
dc.typemasterThesis
Arquivos
Pacote Original
Agora exibindo 1 - 1 de 1
Imagem de Miniatura
Nome:
AlexsanderLuizQuintao-2024-Dissertacao.pdf
Tamanho:
93.47 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descrição:
Baixar
Licença do Pacote
Agora exibindo 1 - 1 de 1
Imagem de Miniatura
Nome:
license.txt
Tamanho:
1.71 KB
Formato:
Item-specific license agreed upon to submission
Descrição:
Baixar
Coleções
Mestrado em Engenharia Mecânica