Estudo da decomposição lignocelulósica da biomassa nos processos de pirólise e de gaseificação com vapor de água

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2019.A biomassa lignocelulósica é uma alternativa promissora para a produção limpa de energia. Estes materiais estão sendo estudados nos dias de hoje para serem usados em várias aplicações devido suas características, na geração de energia por meio dos processos de combustão, pirólise e gaseificação, ou na obtenção de produtos derivados (etanol, metano, bio-óleo e carvão). Para aumentar a eficiência desses processos é necessário conhecer o comportamento da biomassa lignocelulósica, em especial dos componentes celulose, hemicelulose e lignina. Desta forma, este trabalho teve como objetivo estudar a decomposição lignocelulósica da biomassa por meio dos processos de pirólise e gaseificação, considerando a influência das propriedades físico-químicas e da composição lignocelulósica na reatividade e na distribuição dos produtos da reação, particularmente a razão H2/CO. Para tal, se fez necessário o estudo da estrutura físico-química das amostras de celulose, hemicelulose lignina puros e das biomassas: serragem de pinus, serragem de eucalipto e casca de banana. As amostras foram caracterizadas e submetidas à pirólise, seguida da gaseificação com vapor de água, utilizando-se uma termobalança Dyntherm-HP-ST/Rubortherm a pressão atmosférica. Os métodos utilizados foram: não isotérmico para a pirólise (30-825 ºC) e isotérmico para a gaseificação (825 ºC). Na gaseificação, um fluxo de vapor de água, 90 mL·min-1, correspondente a uma pressão parcial (????2??) de 0,3 bar, foi utilizado. Os produtos gerados foram identificados e quantificados em um cromatógrafo gasoso CG-TCD/FID/MTN. A influência da composição lignocelulósica em ambos os processos foi estudada por meio da combinação de frações entre os três componentes. O processo de pirólise demonstrou que o comportamento de degradação e produtos gerados possuíram relação com a concentração de celulose, hemicelulose e lignina. A quantidade de resíduos carbonosos ao final da pirólise foi influenciada pelo teor de lignina, variando entre 8,31-39,52 % de peso. Um modelo matemático para obtenção das concentrações de xilose, celulose e lignina nas biomassas vegetais foi elaborado com erro abaixo de 11 %. A distribuição gasosa durante a pirólise foi analisada. A concentração de CO e CO2 ocorreram a partir de 150 ºC e H2 em temperaturas superiores a 400 ºC. No processo de gaseificação com vapor de água, as reatividade das amostras seguiu a ordem xilose > lignina > celulose. Os resíduos carbonosos de composições ternárias em relação a reatividade foram 50H25C25L > 25H25C50L > 25H50C25L. As amostras de resíduo carbonoso das biomassas vegetais demonstraram que serragem de eucalipto foi mais reativa que a serragem de pinus e a casca de banana. A produção gasosa total de CO, CO2 e H2 para as amostras, na gaseificação, foi entre 0,40-1,91 mmol·L-1, 0,65-1,33 mmol·L-1, 0,69-6,25 mmol·L-1, respectivamente. Para a relação H2/CO foram observados valores acima de 2, superior à requerida pela reação de Fischer-Tropsch.Abstract : Lignocellulosic biomass is a promising alternative for clean energy production. These materials are being studied today to be used in several applications due to their characteristics, in the generation of energy through the combustion, pyrolysis and gasification processes, or in the derivation of derived products (ethanol, methane, bio-oil and coal). In order to increase the efficiency of these processes it is necessary to know the behavior of the lignocellulosic biomass, especially the cellulose, hemicellulose and lignin components. The objective of this work was to study the lignocellulosic decomposition of the biomass through the pyrolysis and gasification processes, considering the influence of the physicochemical properties and the lignocellulosic composition on the reactivity and the distribution of the reaction products, in particular the H2 / CO. For this, it was necessary to study the physico-chemical structure of pure cellulose, hemicellulose lignin and biomass samples: pine sawdust, eucalyptus sawdust and banana peel. The samples were characterized and submitted to pyrolysis, followed by steam gasification, using a Dyntherm-HP-ST / Rubortherm thermobalance at atmospheric pressure. The methods used were non-isothermal for pyrolysis (30-825 ºC) and isothermal for gasification (825 ºC). In gasification, the water vapor flow, 0.072 mL·min-1, corresponding to a partial pressure (????2??) of 0.3 bar was used. The generated products were identified and quantified in a GC-TCD / FID / MTN gas chromatograph. The influence of the lignocellulosic composition in both processes was studied by combining fractions among the three components. The pyrolysis process showed that the degradation behavior and the products generated were related to the concentration of cellulose, hemicellulose and lignin. The number of carbonaceous residues at the end of the pyrolysis was influenced by the lignin content, ranging from 8.31-39.52 % by weight. A mathematical model to obtain the concentrations of xylose, cellulose and lignin in the vegetable biomass was elaborated with an error below 11 %. The gas distribution during pyrolysis was analyzed. The production of CO, CO2 occurred from 150 °C and H2 at temperatures above 400 °C. In the process of steam gasification, the reactivities of the samples followed the order xylose> lignin> cellulose. The carbonaceous residues of ternary compositions relative to reactivity were 50H25C25L> 25H25C50L> 25H50C25L. The sample of carbonaceous residue of the vegetal biomasses demonstrated that eucalyptus sawdust was more reactive than pine sawdust and banana peel. The total gaseous CO, CO2 and H2 production for the samples in the gasification was between 0.40-1.91 mmol·L-1, 0.65-1.33 mmol·L-1·, 0.69-6.25 mmol·L-1, respectively. For the H2 / CO ratio, values higher than 2 were observed, higher than required by the Fischer-Tropsch reaction