O PROCESSO DE PIRÓLISE RÁPIDA DE RESÍDUOS AGRO-INDUSTRIAIS PARA PRODUÇÃO DE BIO-ÓLEO COMBUSTÍVEL RESUMO

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José Dilcio Rochaa,c Juan Miguel Mesa Pérezc Luis Augusto Barbosa Cortezb

RESUMO

A biomassa lignocelulósica é uma mistura complexa de polímeros naturais de carboidratos conhecidos como celulose, hemicelulose, além de lignina e pequenas quantidades de outras substâncias, como extrativos e cinzas. Cada material exibe uma característica particular quando é degradado termicamente na ausência de oxigênio. Existem basicamente quatro métodos de conversão termoquímica da biomassa: a pirólise, a liquefação, gaseificação e a combustão. A composição da biomassa apresenta um papel importante na distribuição dos produtos de pirólise rápida. O bio-óleo é o principal produto nesse processo e suas aplicações podem ser como combustível renovável ou como matéria-prima para a indústria química.

Palavras-chave

1 INTRODUÇÃO

A gaseificação, a pirólise e a carbonização, esta última conhecida como pirólise lenta, podem ser consideradas variações de um mesmo processo, conforme mostrado na Tabela 1. O bio-óleo obtido pelo processo de pirólise rápida de biomassa é uma mistura complexa de compostos orgânicos, o qual, embora tenha natureza química diferente do petróleo, pode ser considerado como um petróleo de origem vegetal. O bio-óleo apresenta uma cor marrom e a sua composição elementar é aproximada a da biomassa.

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a

Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético, NIPE-UNICAMP, CP 6086, 13083-970, Campinas, SP

b

Faculdade de Engenharia Agrícola, UNICAMP, Campinas, Brasil

c

Tabela 1: Rendimentos dos produtos típicos obtidos por diferentes formas de pirólise de madeira em base seca (BRIDGWATER, 2001).

Líquido Carvão Gás

Pirólise rápida

Temperatura de processo moderada (450 -550oC), curtos tempos de residência dos vapores e biomassa (<2 s) com baixa granulometria.

75% 12% 13%

Carbonização Baixas temperaturas (400-450oC), curtos tempos de residência (pode ser de horas ou dias), partículas grandes.

30% 35% 35%

Gaseificação Alta temperatura (900oC), longos tempos de residência.

5% 10% 85%

Como fonte de materiais, provavelmente a mais promissora das aplicações do bio-óleo é como substituinte do fenol petroquímico na formulação de resinas fenólicas. A fração fenólica do alcatrão pode substituir o fenol petroquímico na formulação de resinas fenólicas em até 50% em massa. O reator é o elemento principal nos processos químicos aplicados. Por isso, é importante o conhecimento de aspetos relativos a: cinética química, termodinâmica, mecânica dos fluidos, transferência de calor e massa. A escolha da tecnologia de leito fluidizado é devido a sua versatilidade e custos de implantação atrativos (BRIDGWATER, 2001).

Os produtos formados durante a pirólise dos principais componentes da biomassa é uma mistura de compostos, com diferentes graus de polaridade e solubilidade (Ex. ácidos carboxílicos, fenóis, compostos neutros, etc.). A pirólise é um processo de conversão térmica que implica na ruptura de ligações C-C e na formação de ligações C-O. É um processo de oxi-redução na qual uma parte da biomassa é reduzida a carbono, entretanto, a outra parte, é oxidada e hidrolisada dando origem a fenóis, carboidratos, álcoois, aldeídos, cetonas e ácidos carboxílicos. Esses produtos primários combinam-se entre si para dar moléculas mais complexas tais como ésteres, produtos poliméricos, etc. De acordo com o tipo de pirólise

peso molecular. As moléculas grandes provocam grande viscosidade do bio-óleo dificultando seu uso como combustível e como matéria-prima para a formulação de resinas fenol-formaldeido embora essa característica possa ser útil para outros fins (por ex., para substâncias com atividade superficial). Os óleos leves da pirólise rápida encontram muitas oportunidades de aplicação, sendo este processo muito atrativo na atualidade. O bio-óleo pode ser separando em frações prontas para a obtenção de diversos produtos de interesse comercial (BRIDGWATER, 1999 e CORTEZ et al., 1997).

2 MATERIAL E MÉTODOS

Na Figura 1 mostra-se o reator da unidade piloto para testes de pirólise rápida sendo desenvolvida na Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP. A fluidização do leito é realizada usando ar, sendo que a pirólise seja realizada em ausência parcial de oxigênio. Aproximadamente 15% da biomassa alimentada é queimada no reator. O reator apresenta capacidade para processar até 200 kg/h de biomassa vegetal base seca. Os principais produtos são o bio-óleo e finos de carvão.

(A) (B)

Figura 1: Unidade experimental da UNICAMP, (a) reator de leito fluidizado, (b) vista geral.

As características de qualidade dos produtos da pirólise em leito fluidizado dependem dos parâmetros de operação do reator e da natureza do agente de fluidização.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela 2 lista as principais características do bio-óleo (MESA et al., 2002). Tabela 2: Propriedades do bio-óleo de pirólise rápida

Bio-óleo, fase aquosa Bio-óleo, fase orgânica Parâmetro Sólidos, % (m/m) 3,36 10,6 Ph 3,2 - Água, % (m/m) 52,3 13,2 Viscosidade a 20oC, cP 7,5 132.000 Viscosidade a 40oC, cP 4,8 8.420 Carbono, % (m/m) 24,5 61,1 Hidrogênio, % (m/m) 8,3 7,64 Nitrogênio, % (m/m) 0,5 1,22 Enxofre, % (m/m) <LD <LD Densidade aparente a 22oC (g/cm3) 1,167 1,159

Poder Calorífico Superior (MJ/Kg) - 23,67

Carbono fixo (fração não-volátil a 100oC) 20,7 19,7

Voláteis (fração não-volátil a 100oC) 75,8 79,1

Cinzas (fração não-volátil a 100oC) 3,3 1,2

* Resultados expressos como média e estimativa do desvio padrão. LD*=Limite de detecção

As características do bio-óleo e sua composição química, rica em ácidos graxos, o coloca com uma potencial fonte de matéria-prima para a produção de biodiesel. A sua composição fenólica também o coloca com uma excelente alternativa para substituir o fenol de origem petroquímica em formulações de resinas fenólicas (ROCHA et al., 2002).

4 CONCLUSÕES

A partir da pirólise rápida podem ser obtidas quantidades de bio-óleo primário de baixa viscosidade e grande afinidade pela água (até 50%) em quantidades que variam entre 55% e 80% em peso referido à biomassa alimentada em base seca. Este bio-óleo primário

1. combustível direto em substituição de óleo combustível; 2. fonte de matéria-prima para a obtenção de produtos químicos;

3. fonte de matéria-prima para a obtenção de hidrocarbonetos tipo diesel ou gasolina, mediante o seu melhoramento através de processos de hidrogenação catalítica ou desoxigenação por tratamento com zeolitas.

5 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o suporte do Ministério de Minas e Energia (contrato No. 007/2002-MME/FUNCAMP) e FAPESP (Processos No. 98/15448-5, 01/10841-5, 01/08152-7 e 02/02166-9 PIPE) e também ao CTC pelo uso da área para a planta piloto.

6 BIBLIOGRAFIAS

BRIDGWATER, A.V. Production of high grade fuels and chemicals from catalytic pyrolysis of biomass. Catalysis Today, no29, Elsevier, pp.285-295, 1996;

BRIDGWATER, A.V. Review of Thermochemical Biomass Conversion. Energy Research Group, Aston university, Birmingham, Crown Copyright, january, 1991, 76p.;

BRIDGWATER, A.V., PEACOCKE, C. Biomass Fast Pyrolysis. Presented at: Second Biomass Conference of the Americas, Portland, USA, august 1995, pp. 1037-1047; CORTEZ, L.A.B. e LORA, E.S. Tecnologias de Conversão Energética da Biomassa, Série:

Sistemas Energéticos II, Manaus, EDUA/EFEI, 1997;

MESA,P.J., BROSSARD. L.E.,OLIVARES, G.E., CORTEZ.L.B., ROCHA.J.D., NUNHES.J.R., SEJES.º, BROSSARD.L.E. Pirólise lenta unidimensional de uma grande partícula de capim elefante e bagaço de cana-de-açúcar num reator de leito fixo. . Congresso AGRENER 2002, Campinas, 2002

ROCHA, J.D., OLIVARES GÓMEZ E., MESA PÉREZ J. M., CORTEZ L. A. B., SEYE O., BROSSARD GONZÁLEZ, L. E. The demonstration fast pyrolysis plant to biomass conversion in Brazil. Proceedings of the VII World Renewable Energy Congress, junho/julho de 2002, Colônia, Alemanha, CD-ROM, 5 páginas. ISBN 008 0440 79 7