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

Gaseificação de biochars de bagaço de maça e de borra de café com CO2: estudo cinético

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2013.A gaseificação de resíduos agroindustriais tem sido apontada como uma alternativa viável de geração de energia, atuando ao mesmo tempo como solução para a disposição final destes rejeitos. Neste trabalho foi estudada a cinética da reação de gaseificação com CO2 de duas biomassas desta categoria, a saber, bagaço de maçã (BM) e borra de café (BC). Como primeira etapa, as duas amostras foram submetidas a uma pirólise lenta em um reator de quartzo tubular de leito fixo, em atmosfera de N2, com taxa média de aquecimento de 11,7 °C·min-1 e tempo de residência de 60 minutos em 600 °C. O BM foi submetido também a uma pirólise rápida, onde a taxa média de aquecimento aplicada foi de 227,9 °C·min 1, e o tempo de residência foi de 15 minutos em 900 °C. A etapa de gaseificação dos resíduos carbonosos (chars) foi realizada em um reator diferencial, em condições onde se determinou, experimentalmente, que o regime era controlado pela reação química, ou seja, fluxo de CO2 de 200 mL·min-1, tamanho de partícula menor do que 106 m e massa de 12 mg. As reações foram conduzidas isotermicamente em um analisador termogravimétrico nas temperaturas de 760, 810 e 855 °C, em pressão atmosférica. Os resultados apresentaram uma reatividade maior para o bagaço de maçã em relação à borra de café, o que foi atribuído ao efeito catalítico do potássio, presente em grande quantidade no BM. Entre os chars de bagaço de maçã, a reatividade maior foi alcançada para o produto da pirólise rápida, como consequência das alterações estruturais propiciadas pelas condições operacionais aplicadas. Quatro modelos cinéticos foram ajustados aos dados experimentais da gaseificação, entre ele três teóricos: Modelo Homogêneo (MH), Modelo do Núcleo Não Reagido (MNNR) e Modelo de Poros Randômicos (MPR); e um semiempírico: Modelo de Poros Randômicos Modificado (MPRM). A ordem obtida de melhor predição foi MPRM > MPR > MNNR > MH. Os parâmetros cinéticos calculados ficaram dentro da faixa encontrada na literatura, com as energias de ativação variando entre 147,1 e 190,4 kJ·mol-1, e os fatores pré-exponenciais entre 7,8·104 e 2,2·107 min 1.Abstract : The gasification of agro-industrial residues has been identified as a viable alternative for energy generation, acting, at the same time, as a solution for the final disposal of these wastes. In the present work, the gasification kinetics of two biomasses, namely apple pomace (AP) and spent coffee grounds (SCG), with CO2 was investigated. As a first step, the slow pyrolysis of AP and SCG took place in a fixed-bed tubular quartz reactor under N2, with average heating rate of 11.7 °C·min-1 and a residence time of 60 min at 600 °C. A fast pyrolysis of AP was also performed, where the average heating rate applied was 227.9 °C·min 1, and the residence time was 15 min at 900 °C. The CO2 gasification of the carbonaceous residues (chars) was conducted in a differential reactor under conditions where it was determined experimentally that the system was in the kinetically controlled regime, ie., flow of 200 ml·min-1, particle diameter smaller than 106 m and amount of sample around 12 mg. The reactions were carried out isothermally in a thermo-gravimetric analyzer at temperatures of 760, 810 and 855 °C, at atmospheric pressure. The results showed a greater reactivity to apple pomace in relation to spent coffee grounds, which was attributed to the catalytic effect of potassium, present in large amounts in AP. Among the chars of apple pomace, the greater reactivity was achieved for the product of fast pyrolysis, as a consequence of structural changes due to operating conditions applied. Four kinetic models were fitted to experimental data of gasification, among them three theoretical: Volume-Reaction Model (VRM), Shrinking Core Model (SCM) and Random Pore Model (RPM); and one semi-empirical: Modified Random Pore Model (MRPM). The best fit order obtained was MRPM > RPM > SCM > VRM. The kinetic parameters calculated were within the range found in the literature, with activation energies varying between 147.1 and 190.4 kJ·mol-1, and the pre-exponential factors between 7.8·104 and 2.2·107 min-1

Gaseificação de biochars de bagaço de maça e de borra de café com CO2

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2013.A gaseificação de resíduos agroindustriais tem sido apontada como uma alternativa viável de geração de energia, atuando ao mesmo tempo como solução para a disposição final destes rejeitos. Neste trabalho foi estudada a cinética da reação de gaseificação com CO2 de duas biomassas desta categoria, a saber, bagaço de maçã (BM) e borra de café (BC). Como primeira etapa, as duas amostras foram submetidas a uma pirólise lenta em um reator de quartzo tubular de leito fixo, em atmosfera de N2, com taxa média de aquecimento de 11,7 °C·min-1 e tempo de residência de 60 minutos em 600 °C. O BM foi submetido também a uma pirólise rápida, onde a taxa média de aquecimento aplicada foi de 227,9 °C·min 1, e o tempo de residência foi de 15 minutos em 900 °C. A etapa de gaseificação dos resíduos carbonosos (chars) foi realizada em um reator diferencial, em condições onde se determinou, experimentalmente, que o regime era controlado pela reação química, ou seja, fluxo de CO2 de 200 mL·min-1, tamanho de partícula menor do que 106 m e massa de 12 mg. As reações foram conduzidas isotermicamente em um analisador termogravimétrico nas temperaturas de 760, 810 e 855 °C, em pressão atmosférica. Os resultados apresentaram uma reatividade maior para o bagaço de maçã em relação à borra de café, o que foi atribuído ao efeito catalítico do potássio, presente em grande quantidade no BM. Entre os chars de bagaço de maçã, a reatividade maior foi alcançada para o produto da pirólise rápida, como consequência das alterações estruturais propiciadas pelas condições operacionais aplicadas. Quatro modelos cinéticos foram ajustados aos dados experimentais da gaseificação, entre ele três teóricos: Modelo Homogêneo (MH), Modelo do Núcleo Não Reagido (MNNR) e Modelo de Poros Randômicos (MPR); e um semiempírico: Modelo de Poros Randômicos Modificado (MPRM). A ordem obtida de melhor predição foi MPRM > MPR > MNNR > MH. Os parâmetros cinéticos calculados ficaram dentro da faixa encontrada na literatura, com as energias de ativação variando entre 147,1 e 190,4 kJ·mol-1, e os fatores pré-exponenciais entre 7,8·104 e 2,2·107 min 1.<br>Abstract : The gasification of agro-industrial residues has been identified as a viable alternative for energy generation, acting, at the same time, as a solution for the final disposal of these wastes. In the present work, the gasification kinetics of two biomasses, namely apple pomace (AP) and spent coffee grounds (SCG), with CO2 was investigated. As a first step, the slow pyrolysis of AP and SCG took place in a fixed-bed tubular quartz reactor under N2, with average heating rate of 11.7 °C·min-1 and a residence time of 60 min at 600 °C. A fast pyrolysis of AP was also performed, where the average heating rate applied was 227.9 °C·min 1, and the residence time was 15 min at 900 °C. The CO2 gasification of the carbonaceous residues (chars) was conducted in a differential reactor under conditions where it was determined experimentally that the system was in the kinetically controlled regime, ie., flow of 200 ml·min-1, particle diameter smaller than 106 m and amount of sample around 12 mg. The reactions were carried out isothermally in a thermo-gravimetric analyzer at temperatures of 760, 810 and 855 °C, at atmospheric pressure. The results showed a greater reactivity to apple pomace in relation to spent coffee grounds, which was attributed to the catalytic effect of potassium, present in large amounts in AP. Among the chars of apple pomace, the greater reactivity was achieved for the product of fast pyrolysis, as a consequence of structural changes due to operating conditions applied. Four kinetic models were fitted to experimental data of gasification, among them three theoretical: Volume-Reaction Model (VRM), Shrinking Core Model (SCM) and Random Pore Model (RPM); and one semi-empirical: Modified Random Pore Model (MRPM). The best fit order obtained was MRPM > RPM > SCM > VRM. The kinetic parameters calculated were within the range found in the literature, with activation energies varying between 147.1 and 190.4 kJ·mol-1, and the pre-exponential factors between 7.8·104 and 2.2·107 min-1

Gaseificação de serragem de madeira com vapor de água: estudo cinético

A gaseificação é uma tecnologia promissora para a produção de energia a partir de resíduos, porém, o mecanismo desta reação para biomassas ainda não é completamente entendido. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a cinética da gaseificação com vapor de água da serragem de madeira, utilizando três modelos cinéticos teóricos e um modelo semiempírico. Primeiramente, a serragem foi pirolisada em um reator de leito fixo. O sólido bruto e o biochar foram caracterizados por análises físico-químicas. Os ensaios de gaseificação foram feitos em uma termobalança, com 100 mg de biochar, entre 750 e 850 °C e concentração de 30 vol.%H2O. Verificou-se que um aumento na temperatura eleva a taxa de gaseificação, sendo esta aproximadamente constante para conversões entre 10-90% nas maiores temperaturas. Nas menores temperaturas, um pico acentuado foi verificado em 10%, com declínio até o final da curva de conversão. O modelo melhor ajustado foi o semiempírico, que leva em conta a influência catalítica dos metais presentes na serragem. Com os parâmetros ajustados foi possível verificar a troca do regime controlador e encontrar os parâmetros cinéticos, os quais se aproximaram aos valores de literatura para biomassas, indicando o potencial da serragem para aproveitamento energético