Reatores utilizados na pirólise rápida

O reator pode ser considerado o equipamento mais importante para um processo de pirólise, sendo geralmente o aspecto mais pesquisado nos processos de termoconversão, embora o controle e o aumento da qualidade do bio-óleo obtido, além da melhoria dos sistemas de condensação do gás gerado têm recebido cada vez mais atenção (BUTLER et al., 2011). Atualmente, apenas reatores de leito fluidizado borbulhante (LFB) e reatores de leito fluidizado circulante (LFC) vêm sendo aplicados para a produção em escala comercial de biocombustíveis (BRIENS et al., 2008). Alguns reatores são mais adequados para a aplicação comercial do que outros, e isso tem se refletido nos esforços de comercialização (BUTLER et al., 2011). A Figura 2.3 apresenta um esquema com o potencial comercial de várias tecnologias de pirólise rápida.

Figura 2.3 - Potencial comercial de várias tecnologias de pirólise rápida (adaptado de BROWN; HOLMGREN, 2009).

15 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

2.3.1.1 Reator de leito fluidizado

Um método simples para o rápido aquecimento de partículas de biomassa consiste em misturá-las com as partículas de areia em movimento em um leito fluidizado a alta temperatura. Altas taxas de transferência de calor podem ser alcançadas, devido ao contato da biomassa com as pequenas partículas de areia, que possuem diâmetro em torno de 250 µm. Em muitos casos, cerca de 10 a 20 m2 _{de área de superficial de areia é}

requerida por tonelada/hora de biomassa alimentada (VENDERBOSCH e PRINS, 2010). O reator de leito fluidizado é uma tecnologia bem compreendida, sendo relativamente simples de se construir e operar, além de proporcionar um bom controle de temperatura e de possuir uma transferência de calor entre as partículas de biomassa muito eficiente devido à alta densidade de sólidos no leito (MOHAN et al., 2006). A Figura 2.4 apresenta um modelo esquemático para a tecnologia de pirólise rápida em leito fluidizado.

Figura 2.4 - Reator de leito fluidizado com precipitador eletrostático (adaptado de BRIDGWATER, 2012).

Leitos fluidizados borbulhantes produzem um bio-óleo de boa qualidade com um alto rendimento, entre 70 e 75%, sendo necessário um tamanho de partícula entre 2 mm e 3 mm, de modo a se obter elevadas taxas de aquecimento (BRIDGWATER, 2012). Outra vantagem é que o char não se acumula no leito fluidizado, uma vez que ele é

16 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica arrastado juntamente com o gás produzido, sendo recolhido posteriormente (MOHAN et al., 2006). O char pode atuar como um catalisador de craqueamento eficaz nas temperaturas utilizadas na reação da pirólise rápida. Portanto, a separação rápida e eficaz do char é importante. Isto é geralmente conseguido pela separação em um ou mais ciclones. Assim, num projeto de um reator de leito fluidizado, um cuidadoso estudo da fluidodinâmica da mistura areia-biomassa/char é importante (MOHAN et al., 2006). 2.3.1.2 Reator de leito fluidizado circulante

A biomassa pode ser convertida em bio-óleo com rendimentos de mais de 70 % em reatores de leito fluidizado circulante (LFC). O princípio é mostrado na Figura 2.5. A biomassa é alimentada em um reator de leito fluidizado, onde um grande contato entre as partículas inertes (areia) e a biomassa acontece. Juntamente com o char, areia é arrastada para fora do reator e enviada para uma câmara de combustão em que o char é queimado. A principal vantagem do sistema de LFC em comparação com o leito fluidizado é o fornecimento direto de calor à biomassa pela recirculação de areia, reaquecida pela combustão do char produzido (VENDERBOSCH e PRINS, 2010).

17 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

Os reatores de leito fluidizado circulante têm muitas das características dos leitos fluidizados borbulhantes, exceto o tempo de residência do char, que é quase o mesmo que o descrito para os vapores. Além disso, há um aumento no atrito entre as partículas no interior do reator por causa de velocidades de gás mais elevadas. Isto pode levar a teores mais elevados de char no bio-óleo condensado (MOHAN et al., 2006).

A maioria dos leitos circulantes possuem taxas de transferência de calor que não são particularmente elevadas, uma vez que estas são dependentes principalmente da transferência convectiva gás-sólido. Além disso, pode haver a deposição de cinzas na areia circulante, o que pode causar uma diminuição no rendimento de bio-óleo, uma vez que as cinzas podem agir como um catalisador de craqueamento. Uma vantagem do LFC é que ele é adequado para plantas em grande escala, ainda que a fluidodinâmica seja mais complexa (MOHAN et al., 2006).

2.3.1.3 Reator ablativo

O princípio da pirólise em reator ablativo é apresentado na Figura 2.6. A biomassa é pressionada sobre uma superfície aquecida que se encontra em rotação. A ação de cisalhamento cria uma área superficial maior que, em contato com a fonte de calor, aumenta ainda mais a transferência de calor e contribuir para a formação do bio-óleo (VENDERBOSCH e PRINS, 2010).

18 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica Durante o processo de pirólise, o calor é transferido da parede quente do reator para a biomassa que está em contato com ela sob pressão. O filme de bio-óleo formado na superfície da placa rotativa fornece lubrificação para sucessivas partículas de biomassa, além do seu excesso ser recolhido por um sistema de condensação similar ao de outros processos de pirólise (MOHAN et al., 2006).

A taxa de reação é fortemente influenciada pela pressão, pela velocidade relativa da biomassa na superfície de troca térmica, das forças de cisalhamento que reduzem o tamanho de partícula e aumentam sua área superficial e da temperatura na superfície do reator (BRIDGWATER, 2012). As principais características da pirólise ablativa são: uma pressão elevada das partículas de biomassa na parede do reator é conseguida por causa da força centrífuga ou força mecânica, uma alta velocidade relativa entre as partículas de biomassa e da parede do reator é obtida e as temperaturas da parede do reator em geral são menores que 600°C (MOHAN et al., 2006).

2.3.1.4 Reator de rosca sem fim

Reatores de rosca sem fim são usados na pirólise para transportar a biomassa através de um tubo cilíndrico aquecido livre de oxigênio (Figura 2.7). Uma passagem através do tubo eleva a temperatura da matéria-prima para a temperatura de pirólise desejada, provocando sua reação. O char produzido é coletado e os gases são condensados para a obtenção do bio-óleo. Já o gás não-condensável pode ser coletado e utilizado como biogás (MOHAN et al., 2006).

19 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

No processo, a biomassa moída é misturada com areia aquecida e alimentada no reator tubular através de uma rosca sem fim concêntrica. Após esta etapa, os vapores são condensados e o char recolhido. O reciclo da areia quente é mantido pneumaticamente ou mecanicamente (VENDERBOSCH e PRINS, 2010). A transferência de calor para as partículas de biomassa ocorre por contato direto com a rosca sem fim e com a parede do reator, sem a necessidade de um gás inerte de transporte, além de operar a temperaturas em torno de 400°C (MOHAN et al., 2006). Este design reduz os custos de energia, além de modificar o tempo de residência dos vapores gerados, aumentando o comprimento da zona aquecida por meio do qual os vapores passam antes de entrar nos condensadores (BRIDGWATER, 2012).

Reatores de rosca sem fim são particularmente adequados para as matérias-primas que são difíceis de manusear e alimentar ou que são heterogêneas. O rendimento do produto líquido tende a ser um pouco menor do que nos reatores de leito fluidizado, por conta de uma maior dificuldade na separação de fases devido aos tempos de residência mais longos e ao contato com o char. Além disso, a formação deste último é maior (BRIDGWATER, 2012).

2.3.1.5 Reator de cone rotativo

A tecnologia da pirólise em reator de cone rotativo parte do princípio de que a mistura intensa de biomassa e partículas inertes quentes é a maneira mais eficaz de se transferir calor para a biomassa, mas que a mistura em um reator de leito fluidizado requer muito gás inerte de arraste. Diante disso, um reator de alta intensidade para a pirólise de biomassa foi desenvolvido, em que a necessidade de gases inertes é menor, simplificando simultaneamente o reator e o equipamento periférico utilizado, como o sistema de condensação e de limpeza de gases (VENDERBOSCH e PRINS, 2010).

O conceito é ilustrado na Figura 2.8. Ao invés de se alimentar a biomassa em um leito fluidizado com areia quente e impulsioná-la por gás inerte, as reações pirólise ocorrem mediante mistura mecânica de biomassa e de areia. O char produzido e a areia são posteriormente transportados para um leito fluidizado onde ocorre a combustão do carvão. A tecnologia de pirólise em cone rotativo permite uma elevada taxa de

20 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica transferência de calor e tempos de residência de vapor de curta duração (VENDERBOSCH e PRINS, 2010).

Figura 2.8 - Reator de cone rotativo (adaptado de VENDERBOSCH e PRINS, 2010). Na pirólise em cone rotativo, é utilizada uma centrifugação de aproximadamente 600 rpm, que direciona a areia aquecida e a biomassa até um cone rotativo também aquecido. Os vapores produzidos são então condensados e tratados de maneira convencional. O char é queimado em um segundo reator de leito fluidizado como mencionado anteriormente, com a finalidade de aquecer a areia, que posteriormente é retornada ao cone rotativo. Diante disso, a necessidade de um gás transportador é menor em comparação ao leito fluidizado, entretanto, é necessária a utilização de um gás para a queima do char e transporte da areia. Os rendimentos líquidos obtidos variam entre 60 e 70% (BRIDGWATER, 2012).

2.3.1.6 Reator a vácuo

A pirólise a vácuo, como mostrado no esquema da Figura 2.9, envolve a decomposição térmica da biomassa sob pressão reduzida. As moléculas orgânicas complexas decompõem-se em moléculas menores quando aquecidas no reator. Os

21 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

produtos fragmentados são vaporizados e então rapidamente retirados do reator por meio de vácuo. Em seguida, estes vapores são recuperados sob a forma de bio-óleo por condensação. Estes produtos são frequentemente formados por compostos com um ponto de ebulição muito alto, podendo sofrer quebras adicionais com o aumento da pressão (MOHAN et al., 2006).

Figura 2.9 - Reator a vácuo (adaptado de VENDERBOSCH e PRINS, 2010). Na pirólise a vácuo, a taxa de transferência de calor para a biomassa é muito mais lenta do que a observada em outros reatores. No entanto, os tempos de residência de vapor são comparáveis aos outras tecnologias de pirólise rápida (MOHAN et al., 2006). O processo é geralmente realizado a 450°C e 100 kPa. Rendimentos líquidos de 35 a 50% com alimentação seca são tipicamente obtidos, embora com rendimentos mais elevados de char do que em outros sistemas de pirólise rápida. O processo é complexo e dispendioso devido ao vácuo aplicado, o que requer a utilização de vasos e tubulações muito grandes. As vantagens do processo são: a possibilidade de se processar partículas maiores do que na maioria dos reatores de pirólise rápida, a existência menor de char no produto líquido por causa da velocidade do gás, que é mais baixa e a não necessidade de um gás de arraste (BRIDGWATER, 2012).

22 Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica