Orientadores: Maria Regina Wolf Maciel, Rubens Maciel Filho

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

Resumo: Há uma incessante busca por alternativas aos combustíveis fósseis associados aos impactos ambientais, que sejam seguras, renováveis e limpas. Dentre os vários processos que têm sido estudados e alguns já desenvolvidos em escala piloto, a pirólise da biomassa, visando à produção de...

Resumo: Há uma incessante busca por alternativas aos combustíveis fósseis associados aos impactos ambientais, que sejam seguras, renováveis e limpas. Dentre os vários processos que têm sido estudados e alguns já desenvolvidos em escala piloto, a pirólise da biomassa, visando à produção de combustíveis líquidos (bio-óleo) e sólidos (biochar), tem recebido especial atenção pelos produtos que são formados e pela importância de mercado. Ressalta-se que o biochar possui ainda aplicações na área de compósitos e materiais. Dentro desse contexto, essa dissertação teve por objetivo investigar as condições operacionais para produção de bio-óleo e biochar, a partir de bagaço de cana-de-açúcar, por meio de simulações computacionais, comissionamento e estudos experimentais em planta piloto de processos termoquímicos. Para realizar todas essas etapas, o bagaço de cana-de-açúcar foi inicialmente caracterizado para identificação de seus componentes pelas análises elementar, imediata e bioquímica, além da análise termoquímica pela técnica de calorimetria exploratória diferencial (DSC). Esses dados e informações foram utilizados para realizar a simulação do processo pelo simulador comercial Aspen Plus® V8.6, para identificar as condições operacionais (temperaturas, pressão e teor de água) e seus impactos nas conversões dos produtos desejados. Após a simulação do processo, com a identificação das condições operacionais mais adequadas, foram realizados procedimentos de reinstalação e adaptação de uma planta piloto de gaseificação, localizada no LOPCA (Laboratório de Otimização de Processos e Controle Avançado)/FEQ/UNICAMP, contendo um reator de leito fluidizado, para possibilitar a ocorrência do processo de pirólise. A produção de bio-óleo foi comprovada pela análise elementar e FT-IR (Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier) e o teor de água foi determinado por Karl Fischer. O biochar, outro produto de grande importância, muito conhecido como negro de fumo, também foi caracterizado por meio de análise elementar, assim como análises por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) com Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios X (EDS), Difração de Raios X (DRX), Adsorção Física (ASAP/BET), para avaliação do tipo de material formado, correlacionando-o com as condições operacionais. Portanto, a adaptação proposta nessa dissertação foi realizada de forma eficiente. A intenção desse trabalho foi contribuir com a área de busca por combustíveis alternativos e renováveis, principalmente fazendo uso da matéria-prima bagaço de cana-de-açúcar, que é importante para o Brasil, mas que não tem sido considerado em pesquisas internacionais com a necessária intensidade por não ser matéria-prima abundante em países do Bloco Europeu, Estados Unidos e Japão, países com tradição em pesquisa neste assunto. Esta pesquisa permitiu identificar as condições operacionais mais favoráveis para desenvolver o processo de produção de bio-óleo e biochar em escala piloto: 500 - 600 °C, 3,1 a 3,5 kg/h de alimentação de bagaço de cana-de-açúcar e 25 - 28 L/min de vazão de ar para fluidização do leito. Já na simulação do processo de pirólise, conseguiu-se verificar que temperaturas mais amenas e pressões mais altas favorecem a produção de líquidos, e o contrário favorece a produção de gases. Como a planta piloto não dispõe de dispositivos para alterar a sua pressão, a temperatura foi considerada a variável mais significativa na distribuição dos produtos, além do tamanho de partículas da biomassa alimentada e seu teor de umidade, e a vazão de ar alimentado. Pesquisas como estas auxiliam no desenvolvimento de projetos de unidades com capacidades de produção maiores, com maiores produtividades e seletividade nos produtos desejados

Abstract: There is an incessant search for alternatives to fossil fuels associated with environmental impacts that have to be safe, renewable, and clean. Among the several processes that have been studied and some already developed in a pilot scale, pyrolysis of biomass, for the production of liquid...

Abstract: There is an incessant search for alternatives to fossil fuels associated with environmental impacts that have to be safe, renewable, and clean. Among the several processes that have been studied and some already developed in a pilot scale, pyrolysis of biomass, for the production of liquid fuels (bio-oil) and solids (biochar), has received special attention for its products and market importance. Note that biochar still has applications in the area of composites and materials. In this context, this dissertation aimed at investigating the operating conditions for the production of bio-oil and biochar from sugarcane bagasse by computational simulations, commissioning and experimental studies in a thermochemical processes pilot plant. To perform all these steps, the sugarcane bagasse was initially characterized to identify its components by ultimate, proximate and biochemical analyses, as well as the thermochemical analysis by differential scanning calorimetry (DSC). These data were used to perform the simulation of the process by the commercial simulator Aspen Plus® V8.6, to identify the operating conditions (temperature, pressure, and moisture content) and their impacts on the conversions of the desired products. After the simulation of the process, with the identification of the most adequate operating conditions, procedures were performed for the reinstallation and adaptation of a gasification pilot plant located at LOPCA (Laboratory of Process Optimization and Advanced Control)/FEQ/UNICAMP, containing a fluidized bed reactor, to enable the pyrolysis process to occur. The production of bio-oil was proved by elemental and FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) analysis and the water content was determined by Karl Fischer. Biochar, another product of great importance, also known as carbon black, was also characterized by means of elemental analysis, as well as analyzes by Scanning Electron Microscopy (SEM) with X-ray Energy Dispersion Spectroscopy (EDS), X-ray Diffraction (XRD), and Physical Adsorption (ASAP/BET), to evaluate the type of material formed, correlating it with the operational conditions. Therefore, the adaptation proposed in this dissertation was successfully performed. The intention of this work was to contribute to the search for alternative and renewable fuels, mainly by making use of the raw material sugarcane bagasse, which is important for Brazil, but which has not been considered in international research with the necessary intensity because this raw material is not abundant in countries of the European Bloc, United States and Japan, countries with a tradition in research in this subject. This research allowed to identify the most favorable operating conditions to develop the process of production of bio-oil and biochar in pilot scale: 500 - 600 °C, 3.1 to 3.5 kg/h of sugarcane bagasse feeding, and 25 - 28 L/min of air flow for bed fluidization. In the simulation of the pyrolysis process, it was possible to verify that milder temperatures and higher pressures favor the production of liquids, and the opposite favors the production of gases. Since the pilot plant does not have devices to change its pressure, the temperature was considered the most significant variable in the products distribution, besides the biomass particle size and its moisture content, and the air flow. This research assists the development of units projects with larger production capacities, with greater productivities and selectivity in the desired products

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