Bio-óleo e biogás da degradação termoquímica de lodo de esgoto doméstico em cilindro rotativo

The objective of this study was to produce biofuels (bio-oil and gas) from the thermal treatment of sewage sludge in rotating cylinder, aiming industrial applications. The biomass was characterized by immediate and instrumental analysis (elemental analysis, scanning electron microscopy - SEM, X-ray diffraction, infrared spectroscopy and ICP-OES). A kinetic study on non-stationary regime was done to calculate the activation energy by Thermal Gravimetric Analysis evaluating thermochemical and thermocatalytic process of sludge, the latter being in the presence of USY zeolite. As expected, the activation energy evaluated by the mathematical model "Model-free kinetics" applying techniques isoconversionais was lowest for the catalytic tests (57.9 to 108.9 kJ/mol in the range of biomass conversion of 40 to 80%). The pyrolytic plant at a laboratory scale reactor consists of a rotating cylinder whose length is 100 cm with capable of processing up to 1 kg biomass/h. In the process of pyrolysis thermochemical were studied following parameters: temperature of reaction (500 to 600 ° C), flow rate of carrier gas (50 to 200 mL/min), frequency of rotation of centrifugation for condensation of bio-oil (20 to 30 Hz) and flow of biomass (4 and 22 g/min). Products obtained during the process (pyrolytic liquid, coal and gas) were characterized by classical and instrumental analytical techniques. The maximum yield of liquid pyrolytic was approximately 10.5% obtained in the conditions of temperature of 500 °C, centrifugation speed of 20 Hz, an inert gas flow of 200 mL/min and feeding of biomass 22 g/min. The highest yield obtained for the gas phase was 23.3% for the temperature of 600 °C, flow rate of 200 mL/min inert, frequency of rotation of the column of vapor condensation 30 Hz and flow of biomass of 22 g/min. The non-oxygenated aliphatic hydrocarbons were found in greater proportion in the bio-oil (55%) followed by aliphatic oxygenated (27%). The bio-oil had the following characteristics: pH 6.81, density between 1.05 and 1.09 g/mL, viscosity between 2.5 and 3.1 cSt and highest heating value between 16.91 and 17.85 MJ/ kg. The main components in the gas phase were: H2, CO, CO2 and CH4. Hydrogen was the main constituent of the gas mixture, with a yield of about 46.2% for a temperature of 600 ° C. Among the hydrocarbons formed, methane was found in higher yield (16.6%) for the temperature 520 oC. The solid phase obtained showed a high ash content (70%) due to the abundant presence of metals in coal, in particular iron, which was also present in bio-oil with a rate of 0.068% in the test performed at a temperature of 500 oC.

O objetivo deste trabalho foi produzir biocombustíveis (bio-óleo e gás), a partir do tratamento térmico do lodo de esgoto doméstico em cilindro rotativo, visando aplicação industrial. A biomassa foi caracterizada por análise imediata e instrumental (Análise Elementar, Microscópica Eletrônica de Varredura - MEV, Difração de Raios-X, Espectroscopia no Infravermelho, ICP-OES). Um estudo cinético, em regime não estacionário foi realizado para o cálculo da energia de ativação por Análise Térmica Gravimétrica avaliando os processos termoquímicos e termocatalíticos do lodo, sendo este último na presença da zeólita USY. Como esperado, a energia de ativação avaliada pelo modelo matemático "Model-free kinetics" aplicando técnicas isoconversionais foi menor para os ensaios catalíticos (57,9 108,9 kJ/mol, no intervalo de conversões da biomassa de 40 à 80%). A planta pirolítica, em escala de laboratório é constituída de um reator de cilindro rotativo cujo comprimento é 100 cm, com capacidade de processar até 1 Kg biomassa/h. No processo da pirólise termoquímica foram estudados os seguintes parâmetros: temperatura da reação (500 à 600 °C), vazão do gás de arraste (50 à 200 mL/min), freqüência de rotação de centrifugação (20 à 30 Hz) para condensação do bio-óleo e vazão mássica de biomassa (4 e 22 g/min). Os produtos obtidos durante o processo (líquido pirolítico, carvão e gás) foram caracterizados através de técnicas analíticas clássicas e instrumentais. O rendimento máximo de líquido pirolítico foi da ordem de 10,5% obtido nas condições de temperatura de 500 °C, rotação da centrifugação de 20 Hz, vazão de gás inerte de 200 mL/min e vazão mássica de biomassa 22 g/min. O maior rendimento obtido para a fase gasosa foi de 23,3 %, para a temperatura da reação de 600 oC, vazão de inerte 200 mL/min, freqüência de rotação da coluna de condensação de vapores 30 Hz e vazão mássica de biomassa de 22 g/min. Os hidrocarbonetos alifáticos não oxigenados foram encontrados em maior proporção no bio-óleo (55%) seguido pelos compostos alifáticos oxigenados (27%). O bio-óleo apresentou as seguintes características: pH 6,81, densidade entre 1,05 e 1,09 g/mL, viscosidade entre 2,5 e 3,1 cSt e poder calorífico superior entre 16,91 e 17,85 MJ/kg. Os principais componentes obtidos na fase gasosa foram: H2, CO, CO2, CH4. O hidrogênio foi o principal constituinte da mistura gasosa, com rendimento da ordem de 46,2 %, para a temperatura de 600 oC e, dentre os hidrocarbonetos formados, o metano foi encontrado em maior rendimento (16,6 %) para a temperatura 520 oC. A fase sólida obtida apresentou elevado teor de cinzas (70%), devido à presença abundante de metais no carvão, em particular, o ferro, o qual esteve também presente no bio-óleo com um percentual de 0,068 % no ensaio realizado na temperatura de 500 oC