Valorização de biomassa residual florestal e agrícola através do processo de pirólise lenta

Abstract

Atualmente, o processo termoquímico mais utilizado para valorização de biomassa é a combustão. No entanto, nem todas as tipologias de biomassa têm potencial para utilização neste processo, devido ao seu elevado teor de cinzas ou elementos como S, Cl, Ca ou K. Desta forma, torna-se essencial desenvolver processos alternativos que permitam utilizar diversas tipologias de biomassa residual, transformando-as em produtos de valor acrescentado. A pirólise surge, assim, como um processo promissor, uma vez que permite converter a biomassa num carbonizado rico em carbono, numa fase líquida e em gases não condensáveis. Neste trabalho, 4 tipologias de biomassa residual de origem florestal ou agrícola, nomeadamente a acácia (Acacia longifolia), bagaço de azeitona, canas (Arundo donax) e tojo (Ulex minor), foram sujeitas ao processo de pirólise lenta. Para tal, foi utilizado um reator de leito fixo à escala laboratorial e fizeram-se variar as condições operatórias “temperatura pico” e “taxa de aquecimento” nos valores de 350, 450 e 550 ºC e de 2 e 10 ºC/min, respetivamente. Desta forma, foi possível determinar o rendimento de carbonizado, bio-óleo e gases não condensáveis resultantes do processo, para cada tipo de biomassa e condição operatória. Foi, também, caraterizado o carbonizado obtido em termos de análise imediata, elementar e poder calorífico. Os resultados obtidos foram analisados tendo em consideração as caraterísticas da biomassa utilizada. A metodologia aplicada permitiu obter valores para o rendimento de carbonizado que variam entre 29,90 e 46,64% m/m bs. O rendimento de bio-óleo obtido varia entre 25,85 e 44,65% m/m bs, e o de gases não condensáveis entre 18,86 e 41,34% m/m bs. Foi possível concluir que, para a mesma taxa de aquecimento, o rendimento de carbonizado aumenta e o de bio-óleo diminui com o aumento da temperatura pico. O mesmo acontece quando mantida a temperatura pico e aumentada a taxa de aquecimento. Os carbonizados analisados apresentam, todos eles, teores de carbono superiores a 50% m/m bs. As condições operatórias que permitiram obter um menor rendimento de biochar foram aquelas para as quais se obteve biochar com maior teor de carbono e, portanto, mais estável. A pirólise de biomassa permitiu obter um carbonizado com um poder calorífico superior à biomassa inicial e que varia entre 26,47 e 29,29 MJ/kg bs.

Currently, the most widely used thermochemical process for biomass valorization is combustion. However, not all biomass typologies have potential to be used in this process, due to their high ash content or the presence of elements such as S, Cl, Ca, or K. Thus, it is essential to develop alternative processes that allow the use of different types of residual biomass, transforming them into value-added products. Pyrolysis, thus, emerges as a promising process, as it enables the biomass to be converted into a carbon-rich solid, a liquid phase, and non-condensable gases. In this work, four types of residual biomass of forest or agricultural origin, namely acacia (Acacia longifolia), olive pomace, giant reed (Arundo donax) and gorse (Ulex minor), were subjected to the slow pyrolysis process. For this purpose, a laboratory scale fixed-bed reactor was used and the operating conditions "peak temperature" and "heating rate" were varied in the values of 350, 450 and 550 ºC and 2 and 10 ºC/min, respectively. In this way, it was possible to determine the yield of char, bio-oil and non-condensable gases resulting from the process, for each type of biomass and operating conditions. It was also characterized the obtained char in terms of immediate and elemental analysis, and calorific value. The results obtained were analyzed taking into account the characteristics of the used biomass. The applied methodology allowed to obtain values for the yield of char that vary between 29.90 and 46.64% m/m db. The yield of bio-oil obtained varies between 25.85 and 44.65% m/m db, and non-condensible gases between 18.86 and 41.34% m/m db. It was possible to conclude that, at the same heating rate, the char yield increases, and that of bio-oil decreases, with the peak temperature increasing. The same happens when the peak temperature is maintained and the heating rate is increased. All the analyzed chars have carbon contents above 50% m/m db. The operative conditions that allowed to obtain a lower yield of biochar were those for which the biochar obtained had a higher carbon content and, therefore, was more stable. The biomass pyrolysis allowed to obtain chars with a higher calorific value compared to the initial biomass, that varies between 26.47 and 29.29 MJ/kg db.