Modeling and simulation of biomass gasification processes

Biomass gasification is the conversion of organic materials into an energetic gas, rich in hydrogen and carbon monoxide, through oxidation and reduction reactions at elevated temperatures. In the evaluation of gasification processes, estimating the composition of the fuel gas for different conditions is fundamental to identify the best-operating conditions. In this way, gasification modeling and simulation provides an analysis of the process performance, allowing for resources and time savings in pilot-scale process operation, as it predicts the behavior and analyzes the effects of different variables on the process. Thus, the focus of this work was the modeling and simulation of biomass gasification processes using the UniSim Design chemical process software, applying the tools available in the simulator database in order to satisfactorily reproduce a downdraft gasifier operation behavior. The study was done for two residual biomasses (forest and agricultural) in order to predict the produced syngas composition. The reactors simulated gasification by minimizing Gibbs free energy. The main operating parameters were the equivalence ratio, steam to biomass ratio and gasification temperature (independent variables). In the simulations, a sensitivity analysis was carried out, where the effects of these parameters on the syngas composition, syngas flow and heating value (dependent variables) were studied, in order to maximize these three variables in the process with the choice of the best parameters of operation. The model is able to predict the gasifier's performance and is qualified to analyze the behavior of the independent parameters in the gasification results. In summary, with a temperature between 850 and 950°C, SBR up to 0,2 and ER between 0,3 to 0,5, the best operating conditions are obtained for maximize the composition of the syngas rich in CO and H2.A gaseificação de biomassa é a conversão de materiais orgânicos em um gás energético, rico em hidrogênio e monóxido de carbono, através de reações de oxidação e redução a temperaturas elevadas. Na avaliação dos processos de gaseificação, estimar a composição do gás combustível para diferentes condições é fundamental para identificar as melhores condições de operação. Dessa forma, a modelagem e simulação de gaseificação fornecem uma análise do desempenho do processo, permitindo economias de tempo e recursos na operação do processo em escala piloto, pois possibilitam uma previsão do comportamento e uma análise dos efeitos de diferentes variáveis no processo. Assim, o foco deste trabalho foi a modelagem e simulação de processos de gaseificação de biomassa usando o software de processos químicos UniSim Design, aplicando as ferramentas disponíveis no banco de dados do simulador, a fim de reproduzir satisfatoriamente o comportamento de uma operação de um gaseificador de fluxo descendente. O estudo foi realizado para duas biomassas residuais (florestal e agrícola), a fim de prever a composição do syngas. Os reatores simularam a gaseificação, minimizando a energia livre de Gibbs. Os principais parâmetros operacionais foram a razão de equivalência, relação vapor/biomassa e temperatura de gaseificação (variáveis independentes). Nas simulações, foi realizada uma análise de sensibilidade, onde foram estudados os efeitos desses parâmetros na composição do syngas, fluxo do syngas e valor de aquecimento (variáveis dependentes), com o intuito de maximizar essas três variáveis no processo com a escolha dos melhores parâmetros de operação. O modelo é capaz de prever o desempenho do gaseificador e está qualificado para analisar o comportamento dos parâmetros independentes nos resultados da gaseificação. Em resumo, com uma temperatura entre 850 e 950°C, SBR até 0,2 e ER entre 0,3 e 0,5, são obtidas as melhores condições de operação para uma maximização da composição do syngas rico em CO e H2