SIMULAÇÃO DA PIRÓLISE DA BIOMASSA
4.5 Simulação do Processo baseada nas caracterizações elementar e imediata Neste contexto previamente demonstrado, este trabalho tem como objetivo
4.5.1 Resultados e Discussão
A partir da simulação realizada (Figura 61), criou-se um gráfico de Pareto (Figura 63), no qual pôde-se avaliar que somente a temperatura (T) é significante para o intervalo de confiança de 95 %. A Figura 63 também demonstra que a pressão e a combinação entre temperatura e pressão têm um efeito positivo na produção de líquidos, enquanto que a temperatura, o teor de umidade, a combinação entre temperatura e umidade, e a combinação entre pressão e umidade têm um efeito negativo.
Pela temperatura ter um efeito negativo sobre o rendimento dos produtos líquidos, demonstra-se que quanto maior for a temperatura, menor será o rendimento obtido de produtos líquidos. Isso é decorrente, provavelmente, devido às reações que são afetadas pela temperatura, uma vez que segundo (UZUN; PÜTÜN; PÜTÜN, 2006), o rendimento máximo de bio-óleo pode ser alcançado em uma faixa de temperatura entre 400 e 550 °C. Altas temperaturas promovem reações secundárias de decomposição, fazendo com que o rendimento dos gases aumente, reduzindo, consequentemente, o rendimento de bio-óleo e biochar (AKHTAR; SAIDINA AMIN, 2012).
Figura 63 – Gráfico de Pareto – Rendimento de Líquidos
Fonte: Elaborado pela autora
A pressão (P) não é uma variável significativa para o intervalo de confiança de 95 %, mas apresenta efeito positivo, quando avaliada individualmente e o objetivo é a obtenção de produtos líquidos. No entanto, pôde-se verificar que, entre todos os fatores, a pressão é o segundo fator mais significativo.
O teor de umidade (MC) não demonstrou ser significativo para o intervalo de confiança de 95 %, e tem um efeito negativo sobre os rendimentos líquidos, uma vez que um maior teor de umidade tende a diminuir a temperatura do reator. Porém, uma vez que o reator é isotérmico, o teor de umidade não foi um fator significativo na simulação. (AKHTAR; SAIDINA AMIN, 2012) verificaram que altos teores de umidade diminuem os rendimentos de bio-óleo, pois essa característica faz com que os reatores exijam mais energia para manter a temperatura, além de fazer com que reduza as taxas de aquecimento do reator. Porém, é importante enfatizar que a biomassa precisa conter certa quantidade de umidade, pois a água age como reagente para alguns compostos da biomassa, além de agir como meio de transferência de calor, facilitando o processo de pirólise.
A combinação de temperatura e pressão elevadas pode facilitar a obtenção de altos rendimentos líquidos, tendo um efeito positivo sobre o processo. Entretanto, a combinação de utilização de altas temperaturas e altos teores de umidade pode causar a diminuição dos rendimentos líquidos, apresentando um efeito negativo para o processo.
Além disso, a combinação de pressões e teores de umidade elevados também pode causar a diminuição dos rendimentos líquidos, apresentando um efeito negativo.
No entanto, essa combinação de condições operacionais apresenta um efeito negativo menor em comparação ao uso de altas temperaturas e teores de umidade.
Diante da visualização do gráfico de Pareto, também pode-se concluir que os efeitos positivos para o processo estão relacionados ao uso de altas pressões, e a combinação de altas temperaturas com altas pressões.
Por outro lado, efeitos negativos são observados quando utiliza-se: altas temperaturas, combinação de altas temperaturas e altos teores de umidade, altos teores de umidade, e a combinação de altas pressões e altos teores de umidade.
Para uma melhor avaliação e visualização das conclusões encontradas, um gráfico de superfície (Figura 64) foi criado.
Figura 64 – Gráfico de superfície – Rendimento de Líquidos
Fonte: Elaborado pela autora
Este gráfico de superfície (Figura 64) mostra qual combinação traz as melhores condições operacionais que podem fazer com que o rendimento dos produtos líquidos aumente.
À vista disso, pode-se afirmar que moderadas temperaturas combinadas com altas pressões promove maiores rendimentos de produtos líquidos.
Em relação aos produtos gasosos, também foi possível avaliar quais condições operacionais e suas combinações trariam efeitos positivos ou negativos para o processo, determinando as variáveis de influência no rendimento de gases (Figura 65).
Figura 65 – Gráfico de Pareto – Rendimento de Gases
Fonte: Elaborado pela autora
Consequentemente, pôde-se observar que assim como foi apresentado para os produtos líquidos, somente a temperatura (T) apresentou ser significante para o intervalo de confiança de 95 %. Porém, ao contrário do que foi apresentado para os líquidos, a temperatura demonstrou ter um efeito positivo sobre os rendimentos dos gases, demonstrando que quanto maior temperatura, maior rendimento dos gases. Isso provavelmente ocorre devido às reações no processo de pirólise serem altamente afetadas pela temperatura, sendo considerada a variável que tem maior influência no processo de pirólise, fazendo com que altas temperaturas promovam a formação de gases (AKHTAR; SAIDINA AMIN, 2012).
Assim como nos líquidos, a pressão (P) também não apresentou ser significativa para o intervalo de confiança de 95 %. Embora não ter apresentado ser significativa para um nível de confiança de 95 %, pode-se avaliar que, novamente, entre todos os fatores, a pressão apresentou ser o segundo fator mais significativo, com um efeito negativo sobre os rendimentos de gases, revelando um efeito ao contrário do que pôde ser observado para os líquidos. Um efeito similar foi observado por (BROIDO; NELSON, 1975), revelando também que altas pressões também podem promover a formação de sólidos.
O teor de umidade (MC) também não foi significativo para o intervalo de confiança de 95 %. Porém, esta variável demonstrou ter um efeito positivo sobre os rendimentos de gases. No entanto, o teor de umidade não foi um parâmetro significativo na análise porque o reator foi mantido isotérmico. (DOHERTY; REYNOLDS;
KENNEDY, 2009) também observaram que para teor de umidade de até 30 %, os principais gases não demonstraram variação significativa, apesar de apresentarem um leve aumento no rendimento.
A partir dos resultados obtidos, também foi possível comparar que a combinação de altas temperaturas e pressões pode causar a diminuição dos rendimentos de gases, apresentando efeito negativo para o processo.
A combinação de altas temperaturas e altos teores de umidade pode facilitar a obtenção de altos rendimentos de gases, também tendo um efeito positivo.
Outrossim, a utilização de altas pressões e teores de umidade elevados também pode facilitar a obtenção de altos rendimentos de gases (efeito positivo). No entanto, eles manifestam um efeito menor que a utilização de altas temperaturas e teores de umidade elevados.
Portanto, os efeitos positivos encontrados foram os seguintes: altas temperaturas, combinação de altas temperaturas com teores de umidade elevados, teores de umidade elevados considerados individualmente, e combinação de altas pressões com altos teores de umidade.
Já os efeitos negativos foram avaliados para as configurações: altas pressões, e a combinação de altas temperaturas e pressões.
Assim como foi avaliado para a obtenção de líquidos, um gráfico de superfície (Figura 66) também foi criado para avaliação da obtenção de gases.
Figura 66 – Gráfico de superfície – Rendimento de Gases
Fonte: Elaborado pela autora
Este gráfico de superfície (Figura 66) mostra as melhores configurações que aumentam o rendimento dos gases. Consequentemente, é visível que a utilização de altas temperaturas combinadas com baixos valores de pressão promove maiores rendimentos de gases.
Além destes resultados para avaliação dos efeitos que influenciam positivamente ou negativamente o processo de pirólise, também foi avaliado em forma de gráficos como os rendimentos dos produtos comportam-se em relação à temperatura (Figura 67) e pressão. Similarmente, verificou-se o comportamento dos 03 gases (CO, CO2 e H2) de
maior proporção no processo de pirólise.
Figura 67 – Rendimentos dos produtos em relação à temperatura
Ao avaliar o gráfico de temperatura (Figura 67), pode-se verificar que a 500 °C os gases apresentaram rendimento de mais de 70 % (m/m). Por outro lado, para o rendimento dos líquidos (bio-óleo), a melhor opção neste caso foi a temperatura a 250 ° C, com mais de 50 % de rendimento de líquidos (bio-óleo). Esse efeito é comprovado por diversos autores, como (LI et al., 2007), (DOHERTY; REYNOLDS; KENNEDY, 2009), (AKHTAR; SAIDINA AMIN, 2012), (KAN; STREZOV; EVANS, 2016), entre outros, afirmando que altas temperaturas promovem a diminuição do rendimento de bio-óleo, uma vez que as reações secundárias de craqueamento são iniciadas, promovendo a formação de gases.
Além disso, como os rendimentos dos principais gases comportam-se em relação à temperatura foi verificado por meio da Figura 68.
250 300 350 400 450 500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 BIO-OIL YIELD GAS YIELD P R O D U C T S Y IE L D % TEMPERATURE (°C)
Figura 68 – Rendimento dos gases em relação à temperatura
Para os gases (Figura 68), pôde-se avaliar que houve um aumento de produção de CO, e o rendimento de CO2 aumenta até 400 °C. Porém, após esse momento, ocorre
sua diminuição. Para o hidrogênio, o rendimento aumenta, mas atinge rendimento de menos de 10 % (m/m), não apresentando grande relevância e modificações nas condições operacionais estudadas. Observações similares em relação ao comportamento dos gases com o aumento da temperatura foram verificadas por (DOHERTY; REYNOLDS; KENNEDY, 2009).
A influência da pressão também foi verificada para os produtos (Figura 69) e para os principais gases (Figura 70).
Figura 69 – Rendimentos dos produtos em relação à pressão
Nos gráficos de pressão para os produtos (Figura 69), observa-se que a 1 atm, quase 80 % (m/m) representa a produção de gases, e para pressões maiores, o rendimento diminui para 65 %. Em relação aos líquidos (bio-óleo): a melhor opção neste caso foi a utilização de pressões a 5 atm, demonstrando mais de 25 % (m/m) de rendimento de líquidos (bio-óleo).
250 300 350 400 450 500 0 10 20 30 40 50 CO CO2 H2 G A S E S Y IE L D % TEMPERATURE (°C) 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 BIO-OIL YIELD GAS YIELD P R O D U C T S Y IE L D % PRESSURE (atm)
Figura 70 – Rendimento dos gases em relação com a pressão
No caso dos principais gases (Figura 70), há diminuição do rendimento de CO e um aumento do rendimento de CO2. Novamente, as pressões utilizadas não
apresentaram grandes efeitos para o hidrogênio, diminuindo seu rendimento, atingindo menos de 5 % (m/m). Na literatura, os efeitos de pressão têm sido mais observados para avaliação do rendimento de sólidos (biochar).
4.6 Conclusões
A abordagem do método de equilíbrio termodinâmico pode prever os rendimentos dos gases de forma mais eficiente do que os rendimentos para os líquidos. Esta abordagem tem algumas simplificações, o que pode afetar a precisão do processo de pirólise rápida, com o objetivo de obter maiores rendimentos de líquidos.
Embora as simplificações feitas na abordagem do método de equilíbrio termodinâmico, ainda é uma análise interessante para investigar os comportamentos de temperatura e pressão no processo de pirólise rápida, quer era o objetivo desse capítulo, auxiliar os testes experimentais.
Além disso, este capítulo apresentou a metodologia para a simulação de processos de pirólise usando o simulador Aspen Plus®, trazendo informações relevantes para o aprimoramento do processo. É importante enfatizar o potencial das fontes de biomassa – especialmente o bagaço de cana-de-açúcar – para a produção de biocombustíveis, sendo um recurso confiável de energia renovável. Os biocombustíveis derivados de biomassa são, sem dúvida, mais acessíveis do que a energia derivada de combustíveis fósseis e, nesse contexto, existe a perspectiva de que a pirólise de biomassa se tornou competitiva em relação a outros métodos de produção de biocombustíveis.
1 2 3 4 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 G A S E S Y IE L D % PRESSURE (atm) CO CO2 H2
Os resultados das simulações mostram o impacto das variáveis, bem como a interação entre eles e permitem a identificação de possíveis políticas operacionais que levem o processo a ter altas conversões e rendimentos no produto desejado.
Após uma investigação aprofundada sobre todo o processo, incluindo o discernimento das variáveis do processo que podem afetar a eficiência da produção, a pirólise da biomassa tem uma ótima oportunidade para se tornar uma alternativa vantajosa para alcançar um futuro sustentável por meio da produção de biocombustíveis.
Esse capítulo aborda os objetivos específicos 03 e 04 dessa dissertação. Artigo previsto para esse capítulo:
Simulação do processo de pirólise de bagaço de cana-de-açúcar em Aspen Plus®, baseada nas análises elementar e imediata, utilizando o modelo de equilíbrio termodinâmico.