Desenvolvimento de processo de pirólise de biomassa assistido por micro-ondas : montagem, controle e análise de variáveis

Abstract

Resumo: O momento atual impõe o desafio de desenvolver tecnologias e processos que possam vir a minimizar a dependência de derivados do petróleo para obtenção de combustíveis e produtos químicos de plataforma com maior valor agregado. Nesse intuito, inúmeras pesquisas no âmbito acadêmico e industrial têm sido desenvolvidas para a utilização de biomassa como fonte de insumos e energia. A pirólise pode ser uma das maneiras mais eficientes para converter biomassa em produtos de maior valor energético como gás de pirólise, bio-óleo e biocarvão que podem ser obtidos a partir de biomassas lignocelulósicas por exemplo. Este estudo teve como objetivo implementar um sistema de pirólise de biomassa assistida por micro-ondas (MAP) com aquecimento híbrido utilizando como absorvedor de micro-ondas o carbeto de silício (SiC) na parte externa do reator e controlado de maneira automatizada a partir do uso da plataforma Arduino. Foram estudadas diferentes variáveis de processo que afetam os perfis de temperatura e rendimento das frações. E ainda, foram analisadas as frações líquidas e sólidas do processo com a finalidade de averiguar se o processo de pirólise foi efetivo no que tange a degradação térmica da biomassa. Como resultados foi obtido um sistema de pirólise capaz de operar até uma temperatura média de 550°C utilizando um reator de pirólise construído em vidro boro silicato controlado por um sistema de temperatura baseado em Arduino, utilizando um sensor termopar no interior da cavidade do forno e aquecimento híbrido utilizando SiC na parte externa do reator. O sistema presentou uma ótima resposta as mudanças nas variáveis de processo sendo que com a análise dos perfis de temperatura e rendimento foi possível definir uma melhor condição de processo com os parâmetros de 100% de potência (644,70 Watts), 60 g de SiC e vazão de gás inerte de 3 L/h. Quanto ao rendimento foi obtido uma maior produção de fração líquida (51,33%) na condição de 551,6 °C na condição de processo definida anteriormente. As caraterizações dos líquidos de pirólise por GM-MS e de sólidos por FTIR e MEV em diferentes temperaturas mostram que o sistema foi capaz de obter produtos típicos de processo pirolítico, como a presença de monômeros como o guaiacol e siringol, eugenol presentas a fração líquida, já na fração sólida a análise de FTIR apresentou a minimização da presença do grupo O-H na medida em que a temperatura me comparação ao bagaço de cana-de- açúcar in natura e desta maneira confirmando a capacidade de pirólise do sistema de MAP desenvolvido. Quanto ao consumo energético mostrou-se que o consumo de energia elétrica aumenta com o incremento de temperatura. Foi observado que não é vantajoso operar em temperatura superior a 455,4 °C devido ao consumo de energia elétrica do sistema estudado ser 30,7 % maior o que o incremento do rendimento das frações.

Abstract: The current moment imposes the challenge of developing technologies and processes that can minimize the dependence on petroleum derivatives to obtain higher value-added platform fuels and chemicals. To this end, numerous academic and industrial researches have been developed to use biomass as a source of inputs and energy. Pyrolysis can be one of the most efficient ways to convert biomass into products with higher energy value, such as pyrolysis gas, bio-oil, and bio-coal. This study aimed to implement microwave-assisted biomass pyrolysis (MAP) system with hybrid heating using silicon carbide (SiC) as a microwave absorber on the outside of the reactor and controlled in an automated way from the use of the Arduino platform. Different process variables that affect the temperature and yield profiles of the fractions were studied. Furthermore, the liquid and solid fractions of the process were analyzed to ascertain whether the pyrolysis process was effective in terms of thermal degradation of the biomass. As a result, a pyrolysis system capable of operating up to an average temperature of 550°C was obtained using a pyrolysis reactor built in boron silicate glass controlled by a temperature system based on Arduino, using a thermocouple sensor inside the furnace cavity and hybrid heating using SiC on the outside of the reactor. The system showed an excellent response to changes in process variables. With the analysis of temperature and yield profiles, it was possible to define a better process condition with the parameters of 100% power (644.70 Watts), 60 g of Sic 3 L/h inert gas flow. As for the yield, higher production of liquid fraction (51.33%) was obtained under the condition of 551.6 °C in the process condition defined above. The characterization of pyrolysis liquids by GM-MS and solids by FTIR and MEV at different temperatures show that the system was able to obtain typical products of a pyrolytic process, such as the presence of monomers such as guaiacol and syringol, eugenol present in the liquid fraction, in the solid fraction, the FTIR analysis showed a minimization of the presence of the OH group as the temperature compared to the sugarcane bagasse in natura, thus confirming the pyrolysis capacity of the MAP system developed. As for energy consumption, it was shown that electrical energy consumption increases with increasing temperature. It was observed that it is not advantageous to operate at temperatures above 455.4 °C due to the consumption of electrical energy in the studied system being 30.7% greater than the increase in fractions yield.