INTRODUÇÃO, JUSTIFICATIVA E SÍNTESE BIBLIOGRÁFICA

A incessante busca por alternativas aos combustíveis associados aos impactos ambientais (combustíveis fósseis) tem demonstrado uma gama diversificada de maneiras de alcançar esse feito pela vasta disponibilidade de matérias-primas a serem processadas e transformadas em biocombustíveis/energia. Dentre as matérias-primas disponíveis, a biomassa gerada pelas usinas de açúcar e álcool – bagaço de cana-de- açúcar – tem um merecido destaque, uma vez que o Brasil é o maior produtor (38 milhões de toneladas na safra 2017/2018) e exportador (27 milhões de toneladas – safra 2017/2018) de açúcar do mundo (“UNICA - União da Indústria de Cana-de-Açúcar”, 2018), e o maior produtor e consumidor de etanol (27 milhões de m3) produzido de cana-de-açúcar do mundo (“UNICA - União da Indústria de Cana-de-Açúcar”, 2018); (BENTIVOGLIO; FINCO; BACCHI, 2016), levando à geração de uma enorme quantidade de bagaço; aproximadamente 173 milhões de toneladas de bagaço foram produzidas na safra 2017/2018 (“UNICA - União da Indústria de Cana-de-Açúcar”, 2018).

Além de ter uma alta geração de bagaço, dentre os resíduos do setor sucroalcooleiro, o bagaço também é o de maior interesse e tem um dos maiores destaques devido ao seu potencial em ser reutilizado como combustível em caldeiras (ROWELL; KEANY, 1991); (SUN et al., 2003). Embora o principal destino do bagaço seja como combustível para caldeiras, a bioeletricidade é ainda muito pouco utilizada, pois nem todo bagaço é utilizado para este fim. Sendo assim, a quantidade que resta desse bagaço gera um difícil controle desse resíduo (ISLAM; PARVEEN; HANIU, 2010b). Diante desse contexto, surge a necessidade de novas tecnologias de transformação do bagaço em energia e/ou biocombustíveis que sejam mais eficientes e alternativas para o uso desse subproduto. Dentre tantas formas, a pirólise da biomassa tem sido uma das mais estudadas, depois da década de 1980, apesar do termo “pirólise” ser conhecido por séculos (BRIDGWATER; GRASSI, 1991); (GARCÌA-PÈREZ; CHAALA; ROY, 2002a); (ISLAM; PARVEEN; HANIU, 2010b).

Dentre os biocombustíveis que vêm sendo estudados, o bio-óleo e o biochar têm tido seu merecido destaque por poderem ser produzidos por meio da pirólise do bagaço, o qual é um resíduo renovável reutilizado amenizando as emissões de poluentes e aumentando a diversidade da matriz energética global. Outra vantagem muito destacada da utilização de biomassa para produção de biocombustíveis de segunda geração é o

aumento da sustentabilidade, reduzindo a competição com os alimentos (RABELO et al., 2011).

Vários trabalhos têm enfatizado a utilização da pirólise de diversos tipos de biomassa para produção de bio-óleo desde a década de 1980 (FIGUEROA et al., 2013); (BEN HASSEN-TRABELSI et al., 2014); (HENKEL et al., 2016); (MASCHIO; KOUFOPANOS; LUCCHESI, 1992); (QUAN; GAO; SONG, 2016), os quais são detalhados na revisão bibliográfica no Capítulo 2.

1.1 Processo Termoquímico – Pirólise

Nas últimas décadas, diversas maneiras de produzir biocombustíveis por meio da utilização da biomassa têm sido estudadas, podendo ser processos termoquímicos (gaseificação, combustão, liquefação e pirólise), biológicos (fermentação e digestão anaeróbica), químicos (hidrólise) ou até mesmo físicos (destilação). Dentre essas rotas de produção de biocombustíveis utilizando biomassa, a pirólise é um dos métodos mais eficientes de conversão devido à sua capacidade de produzir altas proporções de combustíveis, que podem ser utilizados para alimentação de vários motores (DEMIRBAS, 2002a); (NAIK et al., 2010); (PAPARI; HAWBOLDT, 2015).

A pirólise é um dos processos termoquímicos conhecidos de conversão da biomassa que vem ganhando um grande destaque, por ser uma rota aceitável para o destino dos resíduos de biomassa. A pirólise decompõe a matéria orgânica utilizando temperatura, na ausência de ar (oxigênio) ou uma quantidade que não permita que a combustão completa ocorra, podendo produzir ao mesmo tempo produtos na forma líquida (alcatrão – bio-óleo), sólida (carvão – biochar) e gasosa (BALAT et al., 2009); (GOLLAKOTA et al., 2016); (GOYAL; SEAL; SAXENA, 2008); (NAIK et al., 2010). A decomposição térmica ocorre de maneira muito rápida, em fração de segundos, por ser a reação química elementar impreterivelmente necessária antecedente aos processos de combustão e gaseificação (GOLLAKOTA et al., 2016).

Segundo (ASADULLAH et al., 2007) e (NAIK et al., 2010), além da produção de bio-óleo (líquido), a pirólise também é capaz de produzir biochar – carvão (sólido), gases combustíveis, como metano, hidrogênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono, etano, eteno, propano, propeno, entre outros.

O grau de decomposição e a taxa de reação dependem dos parâmetros do processo e condições de operação, como temperaturas de reação, pressão, configuração do reator e matéria-prima a ser utilizada, interferindo nos produtos a serem formados e em suas proporções (GOLLAKOTA et al., 2016); (GOYAL; SEAL; SAXENA, 2008).

Dependendo das condições de operação do processo – temperatura em que ocorre a pirólise, taxa de aquecimento, tamanho da partícula e tempo de permanência do sólido no reator de pirólise – o processo de pirólise é subdividido em três subclasses: pirólise convencional (pirólise lenta), pirólise rápida e pirólise flash (super-rápida) (GOYAL; SEAL; SAXENA, 2008); (NAIK et al., 2010). A pirólise rápida é a que obtém um maior rendimento do produto líquido (bio-óleo – produto de interesse), envolvendo altas taxas de aquecimento da biomassa (GOYAL; SEAL; SAXENA, 2008); (LUO et al., 2004); (MASCHIO; KOUFOPANOS; LUCCHESI, 1992).

A pirólise pode ser realizada em diversos tipos de reatores, e muitos destes têm sido testados experimentalmente para avaliar a suas respectivas eficiência e eficácia. Esses reatores são chamados de pirolisadores, nos quais convertem sólidos em frações gasosas, líquidas (bio-óleo) e sólidas (biochar).

Neste trabalho, foi utilizado o reator de leito fluidizado, por ser um dos principais métodos de realizar a pirólise rápida e obter bio-óleo (BRIDGWATER; MEIER; RADLEIN, 1999b); (CZERNIK; BRIDGWATER, 2004); (HENKEL et al., 2016); (MASCHIO; KOUFOPANOS; LUCCHESI, 1992); (OASMAA et al., 2016). Trabalhos apresentados por (BRIDGWATER; MEIER; RADLEIN, 1999b), (FIGUEROA et al., 2012), (GÓMEZ-BAREA; LECKNER, 2010), (GOYAL; SEAL; SAXENA, 2008), (KIM, 2015) e (NIKOO; MAHINPEY, 2008) recomendam o uso deste tipo de reator devido à sua facilidade de operação e ampliação, além de fornecer a capacidade de realizar altas taxas de aquecimento, com controle e coleta do produto de forma facilitada, sendo de baixo custo, dentre outras vantagens, obtendo altos rendimentos de líquido. Trabalhos recentes, como (GUO et al., 2010), (HENKEL et al., 2016), (KIM, 2015), (KIM, 2016) e (MONTOYA et al., 2015a), foram realizados na área de pirólise de biomassa, utilizando reator de leito fluidizado, destacando as suas vantagens.

1.2 Produção de bio-óleo e biochar

Em virtude da pirólise ser considerada como um dos métodos mais comuns de conversão da biomassa em biocombustíveis, o bio-óleo ou óleo de pirólise – principal produto desse processo termoquímico (pirólise rápida ou flash) – tem seu merecido destaque devido ter a possibilidade de ser utilizado de diversas maneiras como combustível em caldeiras, em turbinas a gás, motores diesel, fornos e em motores estacionários, além de poder ser utilizado como matéria-prima para produção de outros produtos químicos com maior valor agregado (BALAT et al., 2009); (DEMIRBAS,

2004a); (NAIK et al., 2010). Os subprodutos da planta de pirólise são gases combustíveis e biochar. Estes subprodutos podem ser reaproveitados ao serem queimados para auxiliar no aquecimento do reator de pirólise, minimizando os custos do sistema de aquecimento (ABNISA et al., 2013); (ASADULLAH et al., 2007); (HORNE; WILLIAMS, 1994).

Biochar, também conhecido como carvão vegetal, é produzido durante a degradação térmica da biomassa (pirólise) em temperaturas entre 300 e 1000 °C. É comumente conhecido como “condicionador de solos” ou “carvão para aplicação nos solos”, devido aos seus componentes de carbono serem altamente recalcitrantes, e é esperado que ao ser aplicado em determinados solos, ocorra uma melhora em suas funções, devido ao sequestro de carbono (VERHEIJEN et al., 2010).

Diante do cenário supracitado, esta pesquisa visou a produção destes dois componentes, primeiramente por meio de simulação computacional para verificar sua possível aplicação em escalas maiores. A simulação do processo possibilita: avaliar as condições operacionais ótimas, sendo viáveis para produção dos produtos de interesse, podendo ter uma melhor compreensão de como as reações termoquímicas ocorrem; alcançar resultados que não possam ser alcançados experimentalmente, além de serem custosos (MABROUKI et al., 2015); (VASCELLARI et al., 2013); e realizar testes de diversas variáveis, demonstrando a possibilidade ou não de se aplicar em plantas maiores, os quais já foram testados por alguns autores, como (ARDILA et al., 2014), (KABIR; CHOWDHURY; RASUL, 2015), (NIKOO; MAHINPEY, 2008) e (RAMZAN et al., 2011). Para avaliar a possibilidade de se aplicar em plantas maiores após a realização da simulação computacional, utilizam-se geralmente plantas pilotos (contendo os reatores adequados) ou reatores em escalas laboratoriais, como é realizado em alguns trabalhos como (AHMED; GUPTA, 2010), (FIGUEROA et al., 2013), (GUO et al., 2010), (KIM, 2015), (MONTOYA et al., 2015a) e (YIN et al., 2013).

1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo Geral

Esta Dissertação tem como objetivo geral desenvolver simulações computacionais para identificar e avaliar as condições operacionais para produção de bio-óleo e biochar a partir de bagaço de cana-de-açúcar por meio do processo de pirólise, fazendo uso do simulador comercial Aspen Plus®; e reinstalar e adaptar uma planta piloto de gaseificação para realizar o processo de pirólise, por meio de alterações nas condições operacionais do processo. Com esta investigação, identificar as condições operacionais

mais adequadas para obtenção dos produtos desejados e propostas políticas operacionais que levem à produção de bio-óleo e biochar a partir do bagaço de cana-de-açúcar. 1.3.2 Objetivos Específicos

Objetivo Específico 01:

 Revisão bibliográfica sobre rotas de produção de bio-óleo e biochar;

→ Revisão bibliográfica sobre a utilização do bagaço de cana-de-açúcar seco e úmido para produção de bio-óleo visando avaliar a possibilidade de retirar a etapa de secagem do bagaço no processo;

Objetivo Específico 02:

 Análise termoquímica da biomassa utilizando DSC à pressão atmosférica; Objetivo Específico 03:

 Estudo termodinâmico do processo de pirólise do bagaço de cana-de-açúcar; Objetivo Específico 04:

 Simulação do processo de produção de bio-óleo a partir do bagaço de cana-de- açúcar;

Objetivo Específico 05:

 Realizar ensaios experimentais de pirólise para produção de bio-óleo e biochar em planta piloto de pirólise e gaseificação.

1.4 Estrutura da Dissertação

Esta dissertação está dividida em capítulos. As descrições dos assuntos que cada capítulo aborda estão mencionadas abaixo.

Capítulo 1: Introdução ao tema dessa dissertação de mestrado, englobando a