GASEIFICAÇÃO CATALÍTICA DE RESÍDUOS DE CAMA DE AVIÁRIO NA PRESENÇA DE DOLOMITA

Resumo

A avicultura é um dos setores que mais cresce no Brasil. Consequentemente, uma enorme quantidade de resíduos é gerada por essa prática, principalmente os provenientes de cama de aviário. Seu descarte em excesso na natureza gera impactos ambientais. Portanto, a conversão termoquímica é uma alternativa promissora para a reutilização desse resíduo, de forma a produzir um gás combustível. Neste trabalho é utilizada a gaseificação com ar em leito fixo do referido material na presença de um catalisador natural, a dolomita. Os resultados obtidos mostraram que mesmo apresentando uma baixa resistência mecânica e ocorrendo deposições de coque na superfície do catalisador, houve uma redução no teor de alcatrão e um aumento na produção de hidrogênio.

Palavras chaves

Cama de aviário; Gaseificação Catalítica; Dolomita

Introdução

Um dos grandes desafios do século atual é a geração e utilização eficiente de energia. A busca por fontes renováveis apresenta-se como prioridade para a mitigação dos impactos ambientais causados por combustíveis fósseis. Nesse contexto, a gaseificação de biomassa se mostra como uma alternativa promissora às plantas de combustão convencionais (CONSONNI et al., 2012). No entanto, a formação de alcatrão é um dos maiores problemas encontrados nos processos de conversão termoquímica de biomassa. Esse subproduto é indesejado, considerando que o mesmo representa um aumento nos gastos com limpeza de equipamento e purificação do produto final. Para minimizar tal efeito, sugere-se o uso de catalisadores, tais como a dolomita, um minério formado de carbonatos de cálcio e magnésio, que possui um elevado potencial para a redução de alcatrão (DEVI et al., 2002), (FLORIN et al., 2008). No presente trabalho, visa-se avaliar o desempenho do uso da dolomita em processos de gaseificação com ar de resíduos de cama de aviário, principalmente quanto à redução do teor de alcatrão produzido. A composição química e física da referida biomassa pode variar significativamente, dependendo de sua origem, sendo principalmente composta por serragem de madeira, esterco, urina, penas e restos alimentícios. (FONT-PALMA, 2012), (TAUPE et al., 2016). Esse tipo de resíduo é produzido largamente em escala global, proveniente da avicultura, e seu uso excessivo como fertilizante, sua principal aplicação, pode causar impactos ambientais, como a contaminação da água do solo e eutrofização de lagos e rios devido ao excesso de nutrientes. (AGBLEVOR et al., 2010).

Material e métodos

Em um reator tubular de leito fixo (8,5 cm de diâmetro e 129 cm de comprimento) foram inseridos 50 g de resíduos de cama de aviário isentos de umidade. Nos ensaios utilizando catalisador, aproximadamente 16 g de dolomita (previamente calcinada a 900°C por 4 h) foram adicionados ao reator, juntamente com a biomassa. Uma temperatura de 1000°C e um fluxo de ar de 1 L/min foram mantidos durante 60 min. Esse fluxo corresponde a uma razão estequiométrica de 0,3. Para favorecer a condensação dos vapores, na saída do reator foram utilizados 10 borbulhadores (impingers) conectados em série, estando o primeiro e o último vazios, e os intermediários contendo 100 mL de álcool isopropílico, inseridos em banho de gelo, sal e também álcool isopropílico. Os gases não condensáveis produzidos foram coletados em diferentes intervalos (0, 3, 6, 9, 12, 15, 30, 45 e 60 min) durante o processo e foram analisados por cromatografia gasosa (CG) em um cromatógrafo Dani Master GC. Para a análise dos gases não-condensáveis (H₂/CO/CH₄/CO₂) foi utilizado um Detector por Condutividade Térmica (TCD – Thermal Conductivity Detector), com coluna capilar do tipo tubular aberta de camada porosa produzida em sílica fundida e com fase estacionária composta por peneiras moleculares de carbono. Já para os hidrocarbonetos (C_xH_y) de maior massa molar foi utilizado um Detector por Ionização de Chama (FID – Flame Ionization Detector), com coluna capilar produzida em óxido de alumínio (Al₂O₃) com sais de cloreto de potássio (KCl). No Laboratório Central de Microscopia (LCMIC) foram realizadas as análises de Microscopia por Varredura de Campo (MEV-FEG) e Espectrometria por Dispersão de Energia (EDS) do catalisador.

Resultado e discussão

Na gaseificação com ar sem a presença de catalisador, foi obtido um rendimento de alcatrão de 27,2%, enquanto que na presença de dolomita o rendimento obtido foi de 18,3%, equivalentes a uma redução de 33% do teor de alcatrão. Andrés (2011) reportou reduções do teor de alcatrão utilizando dolomita entre 39 a 75%, para resíduos de tratamento de esgoto, enquanto Thakkar (2016) reportou uma redução de até 50% para gaseificação com casca de arroz. Os valores obtidos estão de acordo com os reportados na literatura. A concentração de hidrogênio no gás produzido também aumentou com a utilização de dolomita, sendo de 28, 38 e 31% (mol/mol) sem catalisador nos tempos de 3, 6 e 10 minutos, já na presença de catalisador obteve-se 55, 50 e 31% para os mesmos instantes de tempo. Esse aumento se deve ao craqueamento do alcatrão, que foi potencializado pela adição de catalisador. O craqueamento também ficou evidenciado através da redução do teor de hidrocarbonetos de maior massa molecular (etano, propano, propeno e acetileno). Na Figura 1 é possível visualizar as morfologias do catalisador antes e após a gaseificação. Comparando (a) e (b) é possível verificar o efeito da temperatura de calcinação utilizada (900°C) na estrutura da dolomita, evidenciando a redução em sua resistência mecânica, ficando visualmente quebradiça. Especificamente em relação 1 (c) pode-se observar que houve a fragmentação do catalisador, em adição a aglomerações de partículas menores. Esse fenômeno pode ser atribuído à deposição de coque, efeito que desativa catalisadores ao longo do tempo. O mesmo pode ser observado nos resultados da análise de EDS representada na Figura 2, onde é possível verificar uma alta concentração de carbono em (a) e (b), também atribuída à presença de coque sobre o catalisador.

Figura 1

Figura 1 – MEV-FEG para dolomita bruta (a), dolomita calcinada (b) e dolomita após gaseificação (c). Em (d) é mostrada a análise de EDS de (c).

Figura 2

Figura 2 - EDS de dois espectros referentes à Figura 1(d)

Conclusões

Neste trabalho foi avaliado o comportamento da dolomita como catalisador na gaseificação com ar de resíduos de cama de aviário. Apesar de ser observada uma redução em sua resistência mecânica e se evidenciar a sua desativação parcial através da deposição de coque, a dolomita se mostrou efetiva na redução do teor de alcatrão produzido e consequente aumento na concentração de hidrogênio do gás obtido.

Agradecimentos

Agradecimentos à Universidade de Caxias do Sul (UCS) pelos laboratórios.

Referências

AGBLEVOR, F.A.; BEIS, S.; KIM, S.S.; TARRANT, R.; MANTE, N.O.. Biocrude oils from the fast pyrolysis of poultry litter and hardwood, Waste Management 30, p. 298-307, 2010.

ANDRÉS, J. M.; NARROS, A.; RODRÍGUEZ, M.E.. Behaviour of dolomite, olivine and alumina as primary catalysts in air–steam gasification of sewage sludge, Fuel 90, p. 521-527, 2011.

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FLORIN, N.H.; HARRIS, A.T.. Enhanced hydrogen production from biomass with in situ carbon dioxide capture using calcium oxide sorbents. Chemical Engineering Science. Sydney, p. 287-316. jan. 2008.

FONT-PALMA, C.. Characterisation, Kinetics and Modelling of Gasification of Poultry Manure and Litter: An Overview. Energy Conversion and Management, 53, p. 92-98, 2012.

TAUPE, N.C.; LYNCH, D.; WNETRZAK, R.; KWAPINSKA, M.; KWAPINSKI, W.; LEAHY, J.J.. Updraft gasification of poultry litter at farm-scale – A case study, Waste Management 50, p. 324-333, 2016.

THAKKAR, M.; MAKWANA, J.P.; MOHANTY, P.; SHAH, M., SINGH, V.. In bed catalytic tar reduction in the autothermal fluidized bed gasification of rice husk: Extraction of silica, energy and cost analysis, Industrial Crops and Products 87, p. 324-332, 2016.