Coffee husks characterization and its pyrolysis products obtained in a mechanically agitated bed pyrolysis process

O café é um importante produto na balança comercial brasileira e seu processamento gera a casca como um resíduo. O objetivo deste trabalho foi a caracterização física, termoquímica e fluidodinâmica da casca de café (coffea arábica, L) visando sua aplicação em processo de pirólise convencional em reator mecanicamente agitado e posterior caracterização das frações líquida e sólida geradas. O trabalho envolveu as seguintes etapas: (i) caracterização física e termoquímica da casca de café moída; (ii) ensaios fluidodinâmicos no leito contendo mistura binária casca de café-areia (5% de biomassa na mistura); (iii) ensaios de pirólise em reator mecanicamente agitado; e (iv) caracterização das frações sólida e líquida geradas no processo de pirólise. A etapa de caracterização das partículas envolveu a determinação da análise granulométrica, esfericidade, massas específicas, razão de Hausner, análise elementar, análise imediata, poder calorífico, análise termogravimétrica e diferencial térmica, análises da composição das cinzas e análise do teor de hemicelulose, celulose e lignina. Os ensaios de pirólise foram realizados seguindo um planejamento experimental composto central rotacional com objetivo de avaliar a influência da taxa de aquecimento (8 a 22 °C/min) e do tempo de estabilidade entre os estágios de aquecimento (1,2 a 6,8 min) sobre o rendimento da fração líquida. O maior rendimento da fração líquida foi de 56,5 %, obtido em uma taxa de aquecimento de 22°C/min e tempo de estabilidade entre os estágios de aquecimento de 4 min. Na etapa de caracterização do carvão vegetal gerado foram determinadas as massas especificas, análise elementar, análise imediata, poder calorífico, análise termogravimétrica e diferencial térmica, além da determinação da velocidade mínima de fluidização no leito contendo a mistura carvão-areia (5% de biomassa na mistura). A fração líquida foi submetida à análise de umidade, pH, poder calorífico e cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa. Os resultados dos ensaios fluidodinâmicos mostraram que a presença de 5% (em massa) de casca de café no leito provoca o aumento da velocidade de mínima fluidização em 45%. Foi verificado que a casca de café possui um grande potencial como fonte energética para aplicação em processos de pirólise em função das propriedades do carvão e do líquido gerado em temperaturas superiores a 300oC. A composição e teor de cinzas da casca de café também fazem do carvão uma boa opção como fertilizante em função dos nutrientes presentes. Em todas as frações líquidas geradas foram observados compostos com aplicações industriais, mostrando que o óleo obtido através da pirólise da casca de café possui potencial não só como combustível, mas também como fonte de componentes para a indústria química.Coffee is an important product in the Brazilian commercial balance and its processing generates husks as waste. In order to increase information available about coffee husks biomass and its energetic potential, this work presents an experimental study including: (i) physical and thermo-chemical characterization of grinded coffee husks; (ii) hydrodynamics tests to minimum fluidization velocity determination of the binary mixture coffee husks-sand (5% weight fraction of biomass); (iii) pyrolysis tests in a mechanically agitated bed; and (iv) characterization of pyrolysis solid and liquid products. The particle characterization step included the determination of particle size distribution, sphericity, densities, Hausner ratio, ultimate and proximate analysis, heating value, thermo-gravimetric analysis, thermo-differential analysis, ash composition, and hemicelluloses, cellulose and lignin content. The pyrolysis tests were carried out following a central composite rotate design of experiments in order to evaluate the heating rate (from 8 to 22oC/min) and the time between the heating stages (from 1.2 to 6.8min) on the bio oil yield. The bio-oil greatest yield was 56.5% that was obtained using a heating rate of 22oC/min and time between the heating stages of 4min. The bio-char characterization involved density, ultimate and proximate analyses, heating value, thermo-gravimetric analysis, differential thermal analyses and determination of the minimum fluidization velocity of the char-sand mixture (5% weight fraction of biomass). The liquid fraction was submitted to moisture, pH, heating value and gas chromatography (using a mass spectrometer) analysis. Results from hydrodynamics studies show that the presence of 5% biomass in the bed material increases the minimum fluidized bed velocity about 45%. Pyrolysis results show that coffee husks presents a good potential as feedstock to the process due to char and bio-oil (fractions obtained at temperatures higher than 300oC) properties. Additionally, results from ash characterization showed that the bio-char produced presents a good potential as fertilizer. High values chemical compounds were identified in the produced liquid fractions, showing that this product presents high potential, not only as a fuel, but also as a source of chemical compounds to the chemical industry