Obtenção de gás de síntese por meio da gaseificação de resíduos agroindustriais com vapor de água

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2017.A conversão termoquímica de biomassa, ao mesmo tempo em que representa uma forma de geração alternativa de energia, pode servir como uma solução viável para eliminar a necessidade da disposição final de rejeitos. O objetivo deste estudo foi avaliar as características físico-químicas de quatro resíduos agroindustriais (bagaço de maçã, borra de café, cevada e serragem) e suas respectivas capacidades de gaseificação com vapor de água visando a produção do gás de síntese (H2O e CO). As biomassas brutas foram pirolisadas em um reator de quartzo com 400 mL/min de N2, a uma taxa de aproximadamente 200 °C/min e tempo de residência de 5 minutos em 900 °C. Tanto as biomassas brutas quanto os chars formados na pirólise foram caracterizados por análises físico-químicas. A cinética da gaseificação com vapor de água dos chars foi avaliada em uma balança termogravimétrica em condições isotérmicas e sob pressão atmosférica, e a identificação dos produtos foi feita em um cromatógrafo gasoso. Na comparação entre as biomassas, a cevada teve o pior desempenho e foi descartada para estudos adicionais. Na faixa de temperatura estudada, a ordem de reatividade encontrada foi borra de café > bagaço de maçã > serragem. Entre os modelos cinéticos testados, o modelo semiempírico, baseado no modelo de poros randômicos, foi o único ajustado com sucesso em toda faixa de grau de conversão para as três biomassas. As energias de ativação obtidas variaram entre 168,4 e 183,8 kJ/mol e os fatores pré-exponencial entre 1,93·107 e 4,73·107 min-1. Pelo gráfico de Arrhenius foi possível observar a troca de regime controlador da reação, em temperaturas específicas para cada char. A ordem da reação em relação à pressão parcial de vapor de água não sofreu grandes variações para diferentes amostras ou para a troca do regime cinético, apresentando um valor médio de 0,75. Na produção de gás de síntese foram observados picos de formação de H2 e CO em altas conversões. No regime cinético, o perfil de formação do CO2 acompanhou o mesmo comportamento da reatividade, enquanto que no regime difusional a formação deste gás se distanciou progressivamente do perfil da reatividade com o aumento da temperatura.Abstract : The thermochemical conversion of biomass is a form of alternative energy generation, and at the same time it can serve as a viable solution to eliminate the need for disposal of waste. The aim of this study was to evaluate the physico-chemical characteristics of four agroindustrial residues (apple pomace, spent coffee grounds, barley and sawdust) and their steam gasification capability aiming the production of synthesis gas (H2O e CO). The raw biomass were pyrolyzed in a quartz reactor of 400 ml/min N2 at a rate of 200 °C/min and a 5 minute residence time at 900 °C. Both raw biomasses and the chars formed in pyrolysis were characterized by their physico-chemical characteristics. The kinetics of steam gasification of char was assessed in a thermogravimetric balance in isothermal conditions and atmospheric pressure, and the identification of the products was performed on a gas chromatograph. Among the studied biomasses, barley presented the worst performance and was ruled out for further study. In the studied temperature range, the order of reactivity found was spent coffee ground > apple pomace > sawdust. Among the kinetic models tested, the semi-empirical model, based on the random pore model, was the only one successfully fitted to the three biomasses in the whole range of conversion degree. The activation energies obtained varied between 168.4 and 183.8 kJ/mol and the pre-exponential factors and between 1.93·107 and 4.73·107 min-1. From the Arrhenius plot it was possible to observe the change in the kinetic regime at specific temperatures for each char. The order of reaction with respect to the steam partial pressure did not suffer large variations for different samples or for changing the kinetic regime presenting an average value of 0.75. In synthesis gas production it was observed the formation of H2 and CO peaks at high conversions. In the kinetic regime, CO2 formation evolution followed the same trend of the reactivity profile, while in the diffusional regime it gradually distanced itself from the reactivity profile with increasing temperature