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Type: TESE DIGITAL
Title: Estudo da torrefação da cana-energia e seu efeito sobre a cinética de decomposição térmica
Title Alternative: Study of the torrefaction of energy cane and its influence over the thermal decomposition kinetics
Author: Guimarães, Henrique Real, 1990-
Advisor: Tannous, Katia, 1962-
Abstract: Resumo: Este trabalho objetivou estudar a influência da torrefação nas propriedades da Saccharum spontaneum Linnaeus e na cinética de decomposição térmica (pirólise) mediante termogravimetria. A caracterização física, química e térmica da biomassa in natura foi realizada para partículas de 500-1000 µm, em função da técnica aplicada, obtendo: massa específica real (?p=1462,6±7,1 kg/m³); esfericidade da partícula (geometria de paralelepípedo, equação de Wadell, ?= 0,473 ±0,071); análise imediata em massa seca (voláteis= 84,72 ± 0,09%; carbono fixo=13,66±0,11 %; cinzas=1,62 ± 0,02%); composição de fibras livre de extrativos em água: hemicelulose= 43,97 ± 1,43 %, celulose= 42,58 ± 1,32%; lignina=11,91 ± 3,62 %, cinzas= 1,44 ± 0,09 %). Mediante planejamento experimental (composto central de faces centradas) aplicado a torrefação em mufla foi selecionada a condição de 230 °C e 45 minutos a fim de evitar perdas excessivas (rendimento mássico acima de 70%) e provocando melhoras significativas no material. Esta condição levou à diminuição de 14 % no teor de materiais voláteis e 15% no teor de oxigênio, indicando a remoção dos componentes menos energéticos, e refletindo no aumento de 14% no poder calorífico superior. Na análise termogravimétrica (taxas de aquecimento de 5, 10 e 15 ºC/min), em atmosfera de nitrogênio, foi verificado que a torrefação da biomassa eliminou os açúcares e hemicelulose. Com isso, houve a diminuição da faixa de temperatura em que ocorre a decomposição do material: de 150-400°C no material in natura, para 270-400 °C na biomassa torrificada. Através dos métodos isoconversionais globais de Kissinger, Ozawa-Flynn-Wall, Kissinger-Akahira-Sunose e Vyazovkin aplicados à faixa de temperatura de 260-400ºC, foram obtidas as energias de ativação para biomassa in natura e torrificada entre 110-200 kJ/mol e 150-190 kJ/mol, respectivamente. A eliminação de parte dos componentes durante a torrefação gerou uma menor energia de ativação global devido à eliminação da etapa inicial referente a decomposição dos açúcares e hemicelulose. Através do método das Master Plots, foi verificado que a função de conversão de difusão tridimensional de Jander e a função de reação de superfície de volume contráctil são as mais indicadas para descrever a decomposição global do material in natura e torrificado, respectivamente, embora estes métodos foram insuficientes para descrever a complexidade de reações envolvidas (ER < 10%). No entanto, essas energias de ativação foram utilizadas como base para aplicação no esquema de reações independentes e paralelas, considerando 4 (in natura) e 3 (torrificada) reações de decomposição, sendo um mecanismo de reação de ordem 1 para os açúcares (somente para in natura), hemicelulose e celulose, e ordem 3 para a lignina. Este esquema de reação obteve melhor ajuste (ER<3% até 600 °C), com os parâmetros cinéticos: Açúcares (Ea= 111,27 kJ/mol, A= 2,65.109 s-1), Hemicelulose (Ea= 118,63 kJ/mol, A= 3,63.108 s-1), Celulose (Ea= 196,76 kJ/mol, A= 1,19.1014 s-1); Lignina (Ea= 50,8 kJ/mol, A= 12,9 s-1). Estes valores foram suficientes para a descrição da decomposição da amostra in natura e torrificada considerando as frações de volatilização: in natura: xaçúcares= 0,11, xhemicelulose= 0,27, xCelulose= 0,33, xlignina= 0,30; torrificada: xhemicelulose= 0,06, xCelulose= 0,52, xlignina= 0,41

Abstract: This work aims to study the influence of torrefaction on the properties of Saccharum spontaneum Linnaeus, and on its thermal decomposition kinetics (pyrolysis). Physical, chemical and thermal characterizations were performed for particles of 500-1000 µm depending on each technique. This way, it was obtained: particle density (?p=1462,6±7,1 kg/m³); sphericity (parallelepipedal geometry, Wadell equation ?= 0,473 ±0,071); dry basis immediate analysis (volatile matter: 84,72 ± 0,09%; fixed carbon: 13,66±0,11%; ashes: 1,62 ± 0,02%); dry basis and extractive-free fiber composition (hemicelulose: 43,97 ± 1,43%; cellulose: 42,58 ± 1,32%; lignin: 11,91 ± 3,62 %; ashes: 1,44 ± 0,09 %). Through experimental design (central composite face-centered) applied to the torrefaction, the condition of 230 °C and 45 minutes was selected in order to avoid excessive mass losses (mass yield above 70%) and promoting improvements on the material. This treatment led to a decrease of 14% of the volatile content and f 15% on the oxygen content of the biomass, thus reflecting on the increase of 14% of its heat value. The thermogravimetric analysis (heating rates of 5, 10 and 15 °/min) under nitrogen atmosphere showed that torrefaction removed sugars and hemicelluloses from the biomass. With this, the temperature range in which the decomposition takes place changed: from 150-400°C (in natura) to 270-400°C (torrefied). By using global isoconversional methods, Kissinger, Ozawa-Flynn-Wall, Kissinger-Akahira-Sunose and Vyazovkin (260-400 °C) activation energies ranging from 110-200 kJ/mol and 150-190 kJ/mol were obtained for the in natura and the torrefied biomass, respectively. With the Master Plots method, it was found that the three dimension diffusion Jander equation and the contracting volume surface reaction equation were the most suitable to describe the decomposition of the in natura and terrified biomasses, respectively. However this method was not enough to illustrate the complex reactions involved (errors < 10%). The activation energies obtained through the isoconversional were used as a basis to the application of the Multiple Independent Parallel Reaction Scheme, considering 4 (in natura) and 3 (torrefied) decomposition reactions, with a first order reaction for the sugars (only for the in natura biomass), hemicelulose and cellulose, and third order for the lignin. This approach led to a better adjustment to experimental data (<3%). The obtained parameters were: Sugars (Ea= 111,27 kJ/mol, A= 2,65.109 s-1), Hemicelulose (Ea= 118,63 kJ/mol, A= 3,63.108 s-1), Cellulose (Ea= 196,76 kJ/mol, A= 1,19.1014 s-1); Lignin (Ea= 50,8 kJ/mol, A= 12,9 s-1), thus escribing the decomposition of both in natura and torrefied biomass, with volatilized fractions of:. in natura: xsugars= 0,11, xhemicelulose= 0,27, xCellulose= 0,33, xlignin= 0,30; torrefied: xhemicelulose= 0,06, xCellulose= 0,52, xlignin= 0,41
Subject: Torrefação
Termogravimetria
Termoquímica
Biomassa
Cana-de-açúcar
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEQ - Dissertação e Tese

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