Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Este documento tem como objectivo contribuir para o desenvolvimento de novas soluções energéticas a partir de recursos naturais renováveis. Uma das fontes de energia renovável que está à nossa volta e à nossa inteira disposição é a biomassa. Esta pode ser convertida em novas formas de energia, ou bioenergia, mais valiosa, através de processos termoquímicos como a pirólise. Neste processo obtém-se um líquido pirolítico de maior densidade energética, que, relativamente à biomassa que lhe deu origem, tem um maior valor de armazenamento e de transporte. Este biocombustível pode ser utilizado como combustível directo, na produção de energia ou como matéria-prima para a produção de valiosos produtos químicos. Para se conseguir obter um rendimento elevado neste biocombustível, ou bio-óleo, é absolutamente necessário que seja utilizado um processo de pirólise rápida. Com vista a acelerar o processo de desenvolvimento na investigação sobre a pirólise rápida, torna-se importante a utilização de aplicações informáticas que apresentam competências de importância e credibilidade assinaláveis e, que permitem, estimar as condições óptimas de funcionamento dos processos a partir de uma validação prévia dos modelos. Para esse efeito, foi escolhido o simulador de processos químicos Aspen Plus, onde será implementado um modelo reaccional com vista a simular uma pirólise rápida em reactor de leito fluidizado. O modelo reaccional que foi adoptado neste trabalho baseou-se na simulação da pirólise como o conjunto de duas etapas: decomposição da biomassa e reacções primárias. Como não existem cinéticas disponíveis para a decomposição da biomassa, em virtude, desta, ser considerada um sólido não convencional, logo, sem fórmula química definida, a operação decorreu num bloco RYIELD onde foi possível estabelecer o rendimento dos seus componentes de referência: celulose – 40,8%, hemicelulose – 27,2%, lenhina C – 0,6%, lenhina H – 28,8% e lenhina O – 2,6%. O calor necessário para a realização desta etapa do processo foi de 2278 kJ/kg. Relativamente às reacções primárias, verifica-se que os trabalhos de simulação encontrados na literatura disponibilizam apenas informação de âmbito generalista e uma, quase inexistente, caracterização do processo e seus componentes. Nestes, o reactor de pirólise é tratado como uma caixa negra, baseado em informação empírica sobre a caracterização da biomassa, bem como, sobre os constituintes do bio-óleo e sua composição. Para este trabalho, optou-se por uma abordagem diferenciada e com base em modelos cinéticos de significativa complexidade, recorrendo, para isso, a um modelo de reactor RCSTR onde os perfis de temperatura e composição são considerados uniformes. Esta abordagem permite a inclusão das cinéticas das 25 reacções envolvidas, nos balanços de massa e energia, garantindo assim, uma simulação verdadeiramente preditiva desta etapa do processo, com a obtenção final da composição e rendimento dos produtos da pirólise. Neste bloco, não parece ser possível conduzir os balanços governados pelas cinéticas das reacções, quando estão envolvidos componentes estritamente na fase sólida. Torna-se pois, inevitável, em trabalhos futuros, a tentativa de resolução deste problema, sob pena, de não ser possível avançar para a terceira etapa onde decorrem as reacções secundárias.

This document aims to contribute to the development of new energy solutions from renewable natural resources. One of the sources of renewable energy, which is around us and at our disposal, is biomass. This can be converted into new forms of energy more valuable, or bioenergy, by thermochemical processes, such as pyrolysis. In this process is obtained a pyrolytic liquid with higher energy density, which, in relation to biomass, that gave it birth, has a greater value for storage and transportation. This biofuel can be used as direct fuel, in energy production or as raw material for the production of valuable chemicals. To achieve a high yield in this biofuel, or bio-oil, it is absolutely necessary that a process of fast pyrolysis is used. In order to accelerate the process of development in research on fast pyrolysis, it is important to use computer applications, which exhibit capabilities of remarkable importance and credibility and allow us to estimate the optimal operating conditions of processes from validation prior models. For this purpose, it was chosen the simulator Aspen Plus chemical process, where a reaction model will be implemented in order to simulate a fast pyrolysis in fluidized bed reactor. The reaction model adopted in this study was based on simulation of pyrolysis as a set of two steps: decomposition of biomass and primary reactions. As there are no kinetics available for the decomposition of biomass, because of this is considered a nonconventional solid without defined chemical formula, the operation took place in a RYIELD block where it was possible to establish the yield of its reference components: cellulose – 40.8%, hemicellulose – 27.2%, lignin C - 0.6%, lignin H - 28.8% and lignin O - 2.6%. The heat duty to carry out this process step was 2278 kJ/kg. For the primary reactions, it appears that the simulation studies found in literature provide only general information and almost nonexistent characterization of the process and its components. In these, the pyrolysis reactor is treated as a black box, based on empirical data of the characterization of biomass, bio-oil constituents and its composition. For this study, a different approach was chosen based on kinetic models of significant complexity, using for this a reactor model RCSTR where the temperature and composition profiles are considered uniform. This approach allows including in the mass and energy balances the kinetics of the 25 reactions involved, thus ensuring a truly predictive simulation of this process step, obtaining the composition and yield of pyrolysis products. In this block does not seem to be possible to conduct the balances ruled by chemical kinetics, when are involved components in the solid phase only. It is therefore inevitable, in future studies, the attempt to solve this problem. Otherwise, it is not possible to advance to the third stage, where the secondary reactions occur.