Publicação: Estudo da pirólise catalítica do bagaço de malte via micropirólise e leito de jorro: caracterização dos produtos e otimização do rendimento e da qualidade do bio-óleo
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
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Duarte, Claudio Roberto
Resumo
O uso da biomassa tem se mostrado uma alternativa viável ao uso de combustíveis fósseis.
Dentre os processos de conversão termoquímica, para obtenção de um produto de maior valor
agregado, a pirólise se destaca devido a versatilidade dos produtos obtidos. O reator de leito de
jorro vem sendo bastante estudado no processo de pirólise rápida, com o intuito de otimizar a
produção de bio-óleo. No entanto, o bio-óleo produzido geralmente apresenta em sua
composição diversos produtos indesejáveis e propriedades incluindo alto teor de ácido, baixo
valor calorífico e instabilidade. Com isso, é necessária a utilização de catalisadores para
obtenção de um produto de melhor qualidade visando maximizar as concentrações de
hidrocarbonetos e minimizar os compostos oxigenados. Diante disso, este trabalho teve como
objetivo avaliar o potencial do bagaço de malte para geração de combustíveis e químicos de
interesse, por meio da pirólise analítica (micropirólise) e da pirólise rápida em leito de jorro. O
melhoramento da composição do bio-óleo foi investigado via micropirólise catalítica com
catalisadores à base de óxido de cálcio e óxido de nióbio. Os resultados obtidos verificaram que
os catalisadores à base de óxido apresentaram maior influência na desoxigenação parcial dos
vapores e no aumento do rendimento de hidrocarbonetos, alcançando patamares de 38%. Além
disso, a utilização de resíduo à base de óxido de cálcio como catalisadores, se mostrou
promissores no processo de desoxigenação e aumento de hidrocarbonetos. Para os testes de
pirólise em leito de jorro, a metodologia de superfície de resposta foi utilizada. Nos testes não
catalíticos foram avaliados a influência da temperatura e vazão de alimentação no rendimento
de líquido e sólido e na composição de hidrocarbonetos presente no bio-óleo. Para os testes
catalíticos foram avaliadas a temperatura de pirólise e a concentração de catalisador. Os testes
não catalíticos e catalíticos foram estudados através de um Planejamento Composto Central.
Foi observado que o rendimento de bio-óleo, para os testes não catalíticos, é favorecido em
condições intermediarias de temperatura (550°C) e vazão de alimentação (960g/h). Além disso,
o rendimento foi favorecido com a adição de catalisador no processo de pirólise. A função
desejabilidade foi utilizada para identificar as condições das variáveis independentes que
maximizam simultaneamente o rendimento de líquido e seu conteúdo de hidrocarbonetos. O
teste experimental na condição ideal mostrou um rendimento líquido máximo de 41% com teor
de 15% de hidrocarbonetos. Já para os testes catalíticos foi observado um rendimento máximo
de bio-óleo de 43% e um aumento no teor de hidrocarbonetos alcançado patamares de 33%.
Além disso, os resultados da composição do bio-óleo são promissores pelo baixo teor de água
e o aumento de hidrocarbonetos com a adição de catalisador de óxido de cálcio. Pela
caracterização do produto sólido, foi observado que os biocarvões gerados apresentaram
características condizentes com os reportados pela literatura e próximas aos carvões minerais.
Além disso, os produtos gerados apresentaram maior poder calorífico quando comparados com
o bagaço de malte in natura o que implica uma maior densidade energética no biocarvão e bio-
óleo. Assim, esse estudo verificou resultados promissores para utilização do bagaço de malte
para produção de combustíveis pelo processo de pirólise, assim, como o potencial do uso de
catalisadores óxidos para melhoramento da qualidade do produto líquido.
Abstract
The use of biomass has proven to be a viable alternative to the use of fossil fuels. Among the
thermochemical conversion processes to obtain a product with higher added value, pyrolysis
stands out due to the versatility of the obtained products. For this, the spouted bed reactor in the
fast pyrolysis process, to optimize the production of bio-oil. However, the produced bio-oil
usually presents in its composition several undesirable products and properties including high
acid content, low calorific value and instability. Therefore, it is necessary to use catalysts to
obtain a better-quality product to maximize hydrocarbon concentrations and minimize
oxygenated compounds. So, this work aimed to evaluate the potential of brewer’s spent grain
to generate fuels and chemicals of interest, through analytical pyrolysis (micropyrolysis) and
fast pyrolysis in a spouted bed. The improvement of the bio-oil composition was investigated
via catalytic micropyrolysis with catalysts based on calcium oxide and niobium oxide. The
results obtained verified that the oxide-based catalysts had a greater influence on the partial
deoxygenation of the vapors and on the increase in the yield of hydrocarbons, reaching levels
of 38%. Also, the use of residues based on calcium oxide as catalysts has shown promise in the
process of deoxygenation and increase of hydrocarbons. For the spouted bed pyrolysis tests, the
response surface methodology was used. In the non-catalytic tests, the influence of temperature
and feed flow rate on the liquid and solid yield and on the composition of hydrocarbons present
in the bio-oil were evaluated. For the catalytic tests, the pyrolysis temperature and the catalyst
concentration were evaluated. Non-catalytic and catalytic tests were studied through a Central
Composite Design. It was observed that the yield of bio-oil, for non-catalytic tests, is favored
under intermediate conditions of temperature (550°C) and feed flow (960g/h). In addition, the
yield was favored with the addition of catalyst in the pyrolysis process. The desirability function
was used to identify the conditions of the independent variables that simultaneously maximize
the liquid yield and its hydrocarbon content. The experimental test in the ideal condition showed
a maximum net yield of 41% with a hydrocarbon content of 15%. For the catalytic tests, a
maximum bio-oil yield of 43% was observed and an increase in the hydrocarbon content
reached levels of 33%. In addition, the results of the bio-oil composition are promising due to
the low water content and the increase of hydrocarbons with the addition of calcium oxide
catalyst. By characterizing the solid product, it was observed that the generated biochars had
characteristics consistent with those reported in the literature and close to mineral coals. In
addition, the generated products had a higher calorific value when compared to in natura
brewer’s spent grain, which implies a higher energy density in biochar and bio-oil. Thus, this
study verified promising results for the use of brewer’s spent grain for the production of fuels
by the pyrolysis process, as well as the potential of using oxide catalysts to improve the quality
of the liquid product.
Palavras-chave
Brewer’s spent grain, Catalytic pyrolysis, Spouted bed, Calcium oxide, Niobium oxide, Bagaço de malte, Pirólise catalítica, Leito de jorro, Óxido de cálcio, Óxido de nióbio, Engenharia química, Chemical engineering
Citação
SANTOS, Grazielle Emanuella de Souza dos. Estudo da pirólise catalítica do bagaço de malte via micropirólise e leito de jorro: caracterização dos produtos e otimização do rendimento e da qualidade do bio-óleo. 2023. 175 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.99
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