ÁREA
Química Verde
Autores
Campaner Fernandes, M. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS) ; Vale Nascimento, E. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS) ; Gusmão Figueiró, C. (TECNORED DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO SA) ; Paim Valença, G. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS) ; Teixeira Franco, T. (UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS)
RESUMO
A procura por fontes de energia renováveis está ocorrendo de forma global com o intuito de amenizar os impactos ambientais. O processo de pirólise rápida utilizando o bagaço de cana de açúcar, em condições operacionais delimitadas, maximiza a produção bio-óleo. Além do fato de que o Brasil é o maior produtor de cana do mundo. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi apresentadar dados descritos na literatura da pirólise rápida do bagaço de cana comparando-o com um estudo de caso específico, avaliando o rendimento e as características físico- químicas do bio-óleo. A temperatura em torno de 500°C empregada se mostrou a mais promissora para a produção de líquidos e os constituintes da cana apresentam potencial para a geração de bioenergia devido suas características apresentadas.
Palavras Chaves
Bagaço de cana-de-açúcar; Pirólise rápida; Bio-óleo
Introdução
As mudanças climáticas antropogênicas trazem preocupações em escala global. Fontes de energia de origem fóssil, tais como carvão mineral, gás natural e os derivados de petróleo, emitem gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera ao serem queimados (ASSADULAH et al., 2007; TOSCANO MIRANDA et al., 2021). Diversas alternativas sustentáveis estão em desenvolvimento em resposta aos tratados mundiais e regulamentações ambientais que vem sido acordados com o objetivo de reduzir as emissões de GEE pela substituição pelo menos parcial das fontes não renováveis (GOYAL et. al., 2008; RIBEIRO e RODE, 2019; MOUSAVI-AWAL et. al., 2023). A Organização das Nações Unidas (ONU) estabeleceu, no ano de 2015, 17 Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) que devem ser atingidos até o ano de 2030 a fim de promover o desenvolvimento humano. Os ODS abordam diversos temas apoiando e estimulando ações em áreas importantes, sendo elas: planeta, pessoas, prosperidade, parcerias e paz (EMBRAPA, 2023). Entre essas metas, no 7° objetivo, encontra-se o tema de energias renováveis, o qual visa assegurar o acesso à energia sustentável, acessível e confiável à população global (RIBEIRO e RODE, 2019). Nesse contexto, algumas rotas estão sendo implementadas nas indústrias para reduzir as emissões de GEE, como por exemplo, a substituição de carvão mineral por combustíveis renováveis e por processos menos intensivos no consumo e geração de carbono (SUNDARAMOORTHY et. al., 2023). O aproveitamento dos resíduos de cana-de-açúcar, bagaço e palha, já é uma realidade no mercado, reduzindo a quantidade de resíduo descartada e substituindo parcialmente os recursos de origem fóssil. A vantagem do bagaço sobre outros tipos de biomassa está relacionada a sua abundância, seus elevados teores de celulose e de matéria volátil e seus reduzidos níveis de cinzas e enxofre. Uma possibilidade para o bagaço é a sua pirólise, convertendo-o em compostos com elevada versatilidade e poder calorífico (MONTOYA et al., 2015; JAYARAMAN et al., 2018; TOSCANO MIRANDA et al., 2021). A pirólise é um processo de conversão realizado na ausência de oxigênio e capaz de gerar três fases distintas: biocarvão (“biochar”, sólido), bio-óleo (líquido) e gases não-condensáveis. Sua escolha é devida aos excelentes resultados empregando temperaturas moderadas (cerca de 500°C). O rendimento e as propriedades das fases são funções das características da biomassa (tamanho de partícula, teores de umidade e de voláteis) e das condições de processo (tipo de reator, temperatura, taxa de aquecimento e modo de transferência de calor). Geralmente, menores temperaturas e maiores tempos de operação estacionária favorecem a obtenção de sólidos enquanto que a condição oposta favorece a obtenção da fase gasosa. O aumento do rendimento da fase líquida é favorecido sob condições intermediárias (MONTOYA et al., 2015; JAYARAMAN et al., 2018; TOSCANO MIRANDA et al., 2021; AYYADURAI & ARUNACHALAM, 2022; FARDHYANTI et al., 2022). Portanto, este trabalho analisou dados da literatura sobre o processo de pirólise rápida do bagaço de cana-de-açúcar e os comparou com um estudo especifico de caso visando a produção de bio-óleo.
Material e métodos
Revisão da Literatura A metodologia empregada nesse trabalho foi de busca sistemática nas principais bases de informação disponíveis: Periódicos CAPES, Google Acadêmico e na Scientific Electronic Library Online (SciELO). Os descritores utilizados foram: biomass fast pyrolysis, sugarcane bagasse, bio-oil. Essa busca foi desenvolvida em seis etapas: identificação do tema e formulação da questão norteadora; seleção de critérios de inclusão e exclusão; definição das informações a serem selecionadas para os estudos, avaliação do estudo incluído; interpretação dos resultados e conclusão do conhecimento. Estudo de caso O estudo de caso foi realizado a partir do processo de pirólise rápida do bagaço de fibra de cana, avaliando os rendimentos dos produtos (carvão, bio-óleo e gás) em diferentes temperaturas, sendo elas: 330°C, 400°C e 500°C. o processo de pirólise foi realizado em um reator de leito fluidizado; a biomassa foi inserida após o leito de areia ter atingido uma temperatura na faixa de 500°C – 550°C; uma vazão de biomassa foi sendo alimentada a medida que o perfil de temperatura no leito se estabilizava no intervalo desejado. Em seguida, o produto total da pirólise rápida seguiu para o ciclone, aonde ocorreu a separação do gás-sólido. A seguir, os produtos (gases e vapores) passaram por um trocador de calor para a condensação de uma fração de vapores devido a troca térmica do contado indireto com a água, separando-se pela parte inferior do equipamento. O líquido coletado na parte inferior do trocador de calor é denominado de extrato ácido. Os vapores não condensados foram sugados por uma centrífuga onde ocorreu a coalescência das gotículas, obtendo-se o bio-óleo. Por fim, os gases restantes foram queimados em uma câmara de combustão e liberados ao meio ambiente. Os rendimentos dos produtos foram calculados em porcentagens (%) mássicas calculados a partir das médias das massas de biomassa alimentada e do peso final dos produtos da pirólise.
Resultado e discussão
Bagaço de cana-de-açúcar
As características de cada biomassa bem como as condições operacionais dos
processos de conversão empregadas são determinantes na definição dos produtos e
nas proporções mássicas obtidas. O clima, as condições do solo da região de
cultivo, a composição da biomassa (composição centesimal, teor de cinzas),
tamanho da partícula, custo e rendimento da conversão são características
primordiais para realizar um projeto econômico e sustentável (TOSCANO MIRANDA et
al., 2021). A Tabela 1 apresenta a composição do bagaço de cana-de-açúcar
reportados na literatura.
O diâmetro de partícula do bagaço de cana-de-açúcar apresenta tamanhos variados,
com no máximo 17 mm dependendo dos equipamentos empregados na picagem/moagem,
que poderá influenciar os rendimentos das conversões (ALMEIDA, 2012; BIZZO et.
al., 2014; MONTOYA et al., 2015; CEREIJO et. al., 2017; SOHAIB et. al., 2017).
Processo de pirólise rápida
A pirólise é um processo de conversão termoquímica que ocorre na ausência de
oxigênio, gerando os produtos em três fases distintas: sólido, líquido e gás. As
principais formas que ela pode ocorrer são a pirólise lenta, rápida e flash, as
quais se diferenciam nas condições de operação empregadas, como tempo de
residência, taxa de aquecimento e intervalos de temperatura (GOYAL et. al.,
2018; GUEDES et. al., 2018). A pirólise lenta ocorre em um intervalo de
temperatura (205°C - 600°C) menor que nas pirólises rápida e flash (500°C -
900°C e 800°C - 1100°C, respectivamente). A taxa de aquecimento empregada no
processo de pirólise flash é maior do que 100°C/s em um tempo de residência
menor do que 0.5 segundos, enquanto que as outras duas são realizadas em taxas
de aquecimento menores e tempo de residência maiores (TOSCANO MIRANDA et. al.,
2021; FARDHYANTI et al., 2022). A Figura 1 representa o esquema da planta de
pirólise rápida.
De maneira geral, menores temperaturas e maiores tempos de residência favorecem
a produção de sólidos, enquanto que na situação oposta a obtenção de gases é
favorecida. O intermédio destes dois casos (pirólise rápida) promove a geração
de líquidos. Partículas maiores dificultam o processo de degradação térmica
devido à maior resistência térmica à penetração de calor. Como o processo de
pirólise rápida ocorre geralmente em taxas de aquecimento moderadas, há o
aprisionamento de voláteis no interior dos sólidos, favorecendo a ocorrência de
reações secundárias de conversão do bio-óleo. Entretanto, a maximização da
produção de bio-óleo pode ocorrer após a moagem da biomassa até cerca de 1-2 mm
(LUENGO et al., 2009; ELLENS & BROWN, 2011; SAN MIGUEL et al., 2012; BALDASSIN
JÚNIOR, 2015; TOSCANO MIRANDA et al., 2021).
Além do tamanho e das propriedades físico-químicas da biomassa, a pressão, o
tipo de reator, o modo de transferência de calor e o tipo de atmosfera são
fatores que influenciam diretamente no rendimento do processo (BALDASSIN JÚNIOR,
2015; VARMA & MONDAL, 2017; AYYADURAI & ARUNACHALAM, 2022).
Para o processo de pirólise rápida, diversas configurações de reatores estão
sendo avaliadas, como por exemplo, o reator de leito borbulhante (BRANDÃO et
al., 2018; JAE et al., 2014; TOSCANO MIRANDA et al., 2021), de leito fixo (MEIER
et al., 2013; TOSCANO MIRANDA et al., 2021), de leito circulante (LAPPAS et al.,
2002). No estudo de Montoya et al. (2015), foi relatado que os reatores de leito
fluidizado e de queda livre são os mais utilizados pela indústria, a exemplo da
Dynamotive, da METSO/UPM e da ENSYN, em virtude dos seus baixos custos de
operação e de construção.
Bio-óleo
O bio-óleo é a denominação genérica da fase líquida obtida ao final da pirólise
de qualquer tipo de biomassa, o qual possui coloração marrom escura e apresenta
um poder calorífico entre 16 a 25 MJ/kg. Ele é composto por aldeídos, cetonas,
ácidos orgânicos, fenóis, ésteres, éteres, furanos, álcoois e alcenos. Além
destes, encontram-se também carboidratos anidros, levoglucosanas, lignina
pirolítica, água e alguns compostos nitrogenados. Destes, os compostos fenólicos
estão presentes em maior quantidade e são os responsáveis pela baixa qualidade
do bio-óleo, pois diminuem o poder calorífico e elevam a acidez, a instabilidade
e a viscosidade. Os componentes do bio-óleo são derivados de reações de
despolimerização e fragmentação da celulose, hemicelulose e lignina presentes na
biomassa (BALAT et al., 2009; ISLAM et al., 2010; BERTERO et al., 2012; MEIER et
al., 2013; KIM et al., 2014; MONTOYA et al., 2015; VARMA & MONDAL, 2017; TREEDET
& SUNTIVARAKORN, 2017; FARDHYANTI et al., 2022), sendo sua composição química
afetada pela tecnologia e pelas condições operacionais empregadas, além do pré-
tratamento empregado na biomassa e o uso de catalisador, entre outros fatores
(QIANG et al. 2009).
As propriedades descritas pela literatura do bio-óleo de pirólise rápida,
utilizando o bagaço de cana-de-açúcar, estão apresentadas na Tabela 2.
Estudo de caso: Rendimento dos produtos da pirólise
Os rendimentos dos produtos da pirólise de bagaço de fibra de cana (considera-se
base úmida da biomassa alimentada no reator) foram calculados a partir dos
experimentos realizados em diferentes temperaturas de trabalho. Os resultados
dos rendimentos, apresentados na Tabela 3 são expressos em % e calculados a
partir das médias das massas de biomassa alimentada e do peso final dos produtos
da pirólise.
Tabela 1: Composição percentual dos constituintes do \r\nbagaço de cana em base seca.\r\nFigura 1: Planta de pirólise rápida.
Tab2: Propriedades do bio-óleo oriundo da pirólise \r\nrápida do bagaço da cana.\r\nTab3: Resultados dos rendimentos dos testes de \r\npirólise da fibra de cana.
Conclusões
O bagaço de cana-de-açúcar é uma biomassa promissora para a produção de biocombustível devido suas características físico-químicas. Dados da literatura evidenciam que o processo de pirólise rápida é o mais adequado para favorecer a produção de bio-óleo em relação a pirólise lenta e a flash. As características da biomassa, bem como as condições operacionais e o tipo de reator empregados são fatores que influenciam diretamente no rendimento e qualidade do produto. No estudo de caso, a menor temperatura empregada (330°C) favoreceu a produção de sólidos, enquanto que ao aumentar a temperatura, os rendimentos dos outros dois produtos são favorecidos. Para a maximização da produção do bio-óleo, a temperatura de operação deve ficar em torno de 500°C. No geral, para a promoção de líquidos, a biomassa deve apresentar teor de voláteis acima de 70% e a taxa de aquecimento não deve ser elevada. Por fim, reatores de leito fluidizado são os mais indicados para o processo.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Tecnored e a CAPES pelo apoio financeiro, e a Faculdade de Engenharia Química da Unicamp (FEQ) pelo auxílio na realização do projeto de pesquisa.
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