Study of chemical, structural and thermal composition of sugarcane bagasse and straw and their pellets considering the fusibility characteristics of their ashes

Orientadores: Edson Tomaz, Maria Aparecida SilvaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: A energia é inquestionavelmente necessária para a economia de uma nação, seja esta desenvolvida ou em ascensão, e para a qualidade de vida de sua população. Entretanto, a forma como a energia é transformada deve ser discutida e pensada de forma local e global, seja por questões econômicas e/ou ambientais. As fontes de energia provenientes de combustíveis fósseis estão sujeitas à sua finitude, a questões econômicas e, principalmente, ambientais. Alternativas a essas fontes têm sido empregadas, assim, o uso de fontes renováveis já está estabelecido. Os países procuram utilizar seus recursos disponíveis e viáveis, sejam esses a força dos ventos, das águas, aproveitamento da energia do sol, utilização de resíduos agrícolas, agroindustriais e urbanos. A biomassa é uma dessas alternativas renováveis e factíveis em praticamente todo planeta, sendo que, entre elas, a madeira e seus rejeitos são os mais amplamente utilizados. Os resíduos agrícolas da cultura da cana-de-açúcar e da agroindústria de açúcar e álcool são apontados como boa alternativa para energia por queima direta, embora a sua plena utilização ainda se depare com problemas de logística, devido ao volume, e problemas operacionais relacionados principalmente à fração inorgânica durante a conversão térmica em equipamentos dimensionados para outros combustíveis sólidos. Para aproveitar esse recurso tão importante para o Brasil é necessário estudar as propriedades químicas e térmicas da sua fração inorgânica, bem como a viabilização de transporte. A proposta deste trabalho é caracterizar as frações orgânicas do bagaço e da palha e de seus pellets em duas coletas, 2015 e 2016; estudar a composição química de suas cinzas por EDS e DRX e seus comportamentos de fusão por AF700 e modelagem termodinâmica por FactSage, bem como propor misturas a serem peletizadas. Como resultados foram obtidos maior poder calorífico (18 MJ/kg) e menor teor de cinzas (4,5%) para o bagaço comparado com a palha, 17 MJ/kg e 9,5%. Além disso, observou-se diferenças composicionais em suas cinzas, em ambos o Si é o maior elemento inorgânico presente, seguido por Al e Fe, embora na palha sejam ainda maiores estes teores para Si e Fe, também na palha foram observados mais compostos amorfos comparados ao bagaço, diferenças essas que levaram a distintos comportamentos de fusão, tendo a palha menores temperaturas de deformação inicial (DT) de 733ºC quando comparada ao bagaço 2015 e 2016 (777 e 917ºC), mas a palha teve sua DT aumentada quando misturada com bagaço 2015 e 2016 (841 e 885ºC) e ao ser adicionado 1% de Al2O3 (930ºC), enquanto que para as amostras de bagaço, os preparos se mostraram pouco promissores na melhora do comportamento de fusão. Com os resultados obtidos foi possível uma melhor compreensão do comportamento de fusão das cinzas das biomassas, indicando que a diferença composicional e cristalina dos componentes de cada biomassa são atores importantes na fusão durante os processos de conversão térmica. Com esse entendimento, foi possível traçar caminhos para minimizar os efeitos indesejados no processo, como incrustações, o que pode viabilizar e potencializar o mercado dessas biomassas em queima direta para obtenção de energiaAbstract: Power is unquestionably necessary for the economy of a nation, developed or developing one, and for the population life quality. However, the way that the energy is generated must be discussed and thought out locally and globally, due to economic and/or environmental issues. The energy sources from fossil fuels are subject to finitude, due to economic and, mainly, environmental issues. Alternatives energy sources have been used so the use of renewable sources is already established. The countries usually employ their most available sources, as wind and water power, solar energy, agricultural, agro industrial or urban wastes. Biomass is one of these renewable energy sources and feasible alternative in practically all around the world, and among them, wood and its waste are the most widely used. Sugar cane crops waste and the sugar and alcohol production waste are pointed out as a great alternative for power generation by direct burning, although their use still face logistical problems. Predominantly, due to the volume, and operational problems mainly related to the inorganic fraction during thermal conversion in equipment designed for other kind of solid fuels. However, to take advantage of these very important sources, it is necessary to study the inorganic fraction chemical and thermal properties. This work aims were to characterize the organic fractions of bagasse, straw and their pellets, in two sampling, 2015 and 2016; to study the chemical composition of their ashes by EDS and XRD, as well as, to study the ash melting behavior by AF700 and by FactSage thermodynamic modeling, and even to propose mixtures to be pelletized. Results showed higher high heat value (18 MJ/kg) and lower ash content (4,5%) for bagasse compared to straw, 17 MJ/kg and 9,5%. In addition, there are quantitative differences in their ashes, Si is the largest inorganic element present in both, followed by Al and Fe, although in the straw these levels are even higher for Si and Fe, also in the straw more amorphous compounds were observed compared to bagasse, differences that can led to different fusion behaviors. The straw showed lower deformation temperature (DT 733ºC) compared to bagasse 2015 and 2016 (777 and 917ºC), but the straw had its DT increased when mixed with bagasse 2015 and 2016 (841 and 885ºC) and when 1% Al2O3 is added (930ºC), while bagasse samples only showed slightly improvement in the ash melting behavior when mixed with additives. With these results it was possible to better understand the melting behavior of the biomass ashes, indicating that the compositional and crystalline differences of the components of each biomass are important actors in the melting during the thermal conversion processes. With this understanding, it was possible to trace paths to minimize the undesired effects in the process, such as incrustations, which make the market for these biomasses feasible increasing their potential for obtaining energy in direct burningDoutoradoEngenharia QuímicaDoutora em Engenharia Quimica88881.133010/2016-01CAPE