Orientador: Katia Tannous

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Este trabalho visa avaliar o resíduo da semente de guaraná como biomassa para geração de biocombustível. Para isso, esta pesquisa foi dividida em três etapas: caracterizações da biomassa; torrefação em mufla e análise cinética da decomposição térmica da in natura e torrificada a partir da...

Resumo: Este trabalho visa avaliar o resíduo da semente de guaraná como biomassa para geração de biocombustível. Para isso, esta pesquisa foi dividida em três etapas: caracterizações da biomassa; torrefação em mufla e análise cinética da decomposição térmica da in natura e torrificada a partir da termogravimetria. Na primeira etapa, caracterizações das propriedades físicas da biomassa in natura resultaram nas determinações: diâmetro de partícula por peneiramento (259, 2.817 e 4.060 µm), esfericidade através das equações de Massarani e Pecanha e Riley de 0,752 e 0,865, respectivamente; massa específica real 1.444,0 kg/m3 por picnometria a gás hélio; massa específica aparente 1.354,0 kg/m3 por porosimetria de mercúrio. Pelos métodos de remoção de extrativos e análise de fibras, determinaram-se para in natura, extrativos (17,88%), hemicelulose (59,37%), celulose (7,82%), lignina (13,49%) e cinzas (1,44%). A partir da análise elementar da in natura, descontando-se o teor de cinzas, os teores de carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio foram iguais a 41,55%, 6,44%, 1,51%, 44,91%, respectivamente, enquanto que para torrificada (240°C, 45min), foram obtidos 48,64%, 6,23%, 1,41% e 41,67%, respectivamente. Da análise imediata, mediante normas ASTM E872-82(2006) e E1755-01(2007), obtiveram-se os teores de voláteis entre 78,34-82,84%, cinzas entre 1,39-5,59%, carbono fixo entre 15,76-16,06%, a depender do diâmetro de partícula. Para biomassas torrificadas, os teores foram: voláteis entre 65,77- 83,23%, cinzas entre 1,42-2,07% e carbono fixo entre 16,21-32,28%, a depender das condições de torrefação. O poder calorífico superior, determinado através de uma bomba calorimétrica, foi entre 17,58-18,51 MJ/kg para biomassa in natura, enquanto que para torrificadas, foi entre 18,56-24,04 MJ/kg. O poder calorífico inferior foi obtido pelas equações de Mendeleev e, Bizzo e Sanchez, sendo iguais a 15,37 e 16,17 MJ/kg para in natura e 18,37 e 19,38 MJ/kg para torrificada (240°C, 45min), respectivamente. Na segunda etapa, torrefação foi realizada em mufla com variação de temperatura isotérmica de processo entre 195-270 °C e tempo de residência entre 15-60 minutos. Os resultados mostraram que quanto maior a temperatura e o tempo de residência do processo, maiores foram as perdas de massa levando a menores rendimento de matéria sólida. A análise estatística a 95 % de confiança do planejamento experimental com modelo quadrático demonstrou que somente a temperatura do processo foi o parâmetro significativo da torrefação estudada. Na terceira etapa, avaliou-se a decomposição térmica em meio de nitrogênio em 5, 10 e 15 °C/min e entre 25-900 °C para o material in natura e torrificado (240 °C, 45 min), a fim de obter os parâmetros cinéticos da pirólise. Considerando uma reação de decomposição global em um único passo, aplicaram-se os métodos isoconversional de Coats-Redfern modificado, integral master plots e linearização da taxa de conversão em função do inverso da temperatura, obtendo-se: energia de ativação global de 187,77 e 144,32 kJ/mol, fator pré-exponencial 5,23.1012 e 6,38.108 s-1 para in natura e torrificada (240°C, 45 min), respectivamente. A função de conversão da in natura e torrificada foi definida como difusão tridimensional, porém este resultado não foi conclusivo devido à influência de reações múltiplas. Para múltiplas reações, aplicou-se o esquema de reações paralelas e independentes a partir do qual, obtiveram-se três reações (hemicelulose, celulose e lignina) para a biomassa in natura e quatro reações para a torrificada energia de ativação (50-200 kJ/mol), fatores pré-exponenciais (3,50 a 1,89.1014 s-1) e ordem de reação 1 e 2. Em geral, os resultados alcançados demonstraram o potencial desta nova biomassa para aplicações em pirólise e torrefação além de contribuir para o desenvolvimento de trabalhos futuros que envolvam processos termoquímicos

Abstract: This work aims to evaluate the guarana seed residue as biomass for generation of biofuel. This research was divided into three steps: biomass characterization; torrefaction and kinetic analysis of the thermal decomposition reaction of torrefied and non-torrefied biomass. The...

Abstract: This work aims to evaluate the guarana seed residue as biomass for generation of biofuel. This research was divided into three steps: biomass characterization; torrefaction and kinetic analysis of the thermal decomposition reaction of torrefied and non-torrefied biomass. The characterization of the physicochemical properties of the guarana in natura residue resulted in the following determinations: mean particle diameter by sieving (259, 2.817 e 4.060 µm), sphericity of 0,752 e 0,865 by Massarani and Peçanha and Riley equations; true density of 1444.0 kg/m3 using helium gas pycnometer; apparent density of 1354.0 kg/m3 using mercury porosimetry. Based on compositional analysis of extractive-free fiber it was determined for in natura extractives (17,88%), hemicellulose (59.37%), cellulose (7.82%), lignin (13.49%) and ash (1.44%). Based on the ultimate analysis for in natura, excluding the ash content, the carbon, hydrogen, nitrogen and oxygen content were 41.55%, 6.43%, 1.51%, 49.11%, respectively whereas torrefied (240°C, 45min) it were obtained 48,64%, 6,23%, 1,41% e 41,67%, respectively. For in natura, proximate analysis through ASTM E872-82 (2006) and E1755-01 (2007) standards yielded the volatiles contents between 78.34-82.84%, ash 1.39-5.59%, fixed carbon 15.76-16.06%. For torrefied biomass, the contents were: volatiles 65.77- 83.23%, ash 1.42-2.07% and fixed carbon 16.21-32.28%, depending on the torrefaction conditions. The high heating value was determined by calorimetric bomb 17.58-18.51 MJ/kg, depending on the mean particle diameter for in natura biomass whereas for torrefied biomasses it was determined 18.56-24.04 MJ/kg. The low heating value was obtained by Mendeleev and, Bizzo and Sanchez equations, being iqual to 15.37-16.17 MJ/kg for in natura and 18.37-19.38 MJ/kg for torrefied (240°C, 45min), respectively. The torrefaction was performed in a muffle, process temperature ranging 195-280°C and residence time 15-60 minutes. As a result, it was shown that the higher the process temperature and the residence time, the greater were the mass loss, leading to lower yields of solid matter. The statistical analysis, performed with 95 % confidence interval of the experimental design with quadratic model, showed that only process temperature was the significant parameter of the studied torrefaction process. The thermal decomposition was performed in nitrogen atmosphere, 5, 10 and 15 °C/ min and 25-900 °C for in natura and torrefied material (240 °C , 45 min) in order to obtain the pyrolysis kinetic parameters. Considering a single-step decomposition global reaction, the modified Coats-Redfern isoconversional methods, integral master plots, and linearization of the conversion rate as a function of the inverse of the temperature were applied, obtaining: global activation energy of 187.77 and 144.32 kJ/mol, pre-exponential factor 5.23x1012 and 6.38x108 s-1 for in natura and torrefied (240 ° C, 45 min) respectively. The conversion function of in natura and torrefied were defined as three-dimensional diffusion, but this result was not conclusive due to the influence of multiple reactions. For multiple reactions, the parallel and independent reaction scheme was applied with three (hemicellulose, cellulose and lignin) and four reactions for in natura biomass and torrefied, respectively, obtaining activation energy (50-200 kJ/mol), pre-exponential factors (between 3.50 and 1.89 x 1014 s-1) and reaction order 1 and 2. In general, all results have demonstrated the potential of this new biomass for pyrolysis and torrefaction application. It is expected that these results can contribute to future works involving thermochemical processes

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