Orientador: Antonio Carlos Luz Lisbôa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T13:00:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moratori_CarlaCristina_M.pdf: 1930284 bytes, checksum: 22ba74088d3da83b74b5036991a5b939 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O xisto é uma rocha compacta de origem sedimentar, formada por componentes orgânicos complexos distribuídos numa matriz mineral. A matéria orgânica, chamada querogênio, é liberada sob aquecimento em temperaturas acima de 350 °C em reatores conhecidos como retortas, como óleo e gás. Este óleo quando refinado produz destilados com as mesmas características encontradas nos de petróleo, sendo considerado uma fonte de energia alternativa. A energia contida no xisto é, em termos mundiais, maior que a contida no carvão e muito maior que a contida nas reservas de petróleo convencional. Grande parte do carbono orgânico existente na Terra está presente sob a forma de combustíveis fósseis e a maior parte destes encontra-se no xisto. Para o projeto dos reatores de leito móvel para pirólise é necessário o conhecimento de várias etapas, inclusive sobre os balanços térmicos entre as partículas de xisto e a corrente gasosa. Estas trocas de calor podem ser avaliadas por modelos matemáticos e solucionadas por métodos numéricos. São estudados diferentes modelos ¿ temperatura ambiente fixa, partícula sem gradiente térmico e partícula com gradiente térmico, ambas dentro da retorta - buscando aproximar à situação vivenciada na realidade do processo onde as partículas de xisto apresentam heterogeneidade na temperatura em seu interior devido ao seu tamanho e a troca realizada com o gás. Para complementar o estudo, é feita uma análise de sensibilidade paramétrica - calor específico do xisto e do gás, condutividade térmica e o coeficiente de transferência de calor - para os diferentes modelos construídos / Abstract: Oil shale is a sedimentary rock, made up of organic material scattered throughout a mineral matrix. The organic matter, named kerogen, is released under heating at temperatures above 350 ºC, producing, upon condensation, oil and gas. The oil may be refined to produce similar derivatives to petroleum ones, therefore constituting an alternative energy source. Oil shale is by far the most abundant source of energy worldwide, more than coal, oil sand and petroleum. A large amount of organic carbon on Earth is locked in fossil fuels and most of it into oil shale reserves. The erection of oil shale processing facilities requires the design of retorts that house moving beds in which heat and mass are transferred between gaseous streams and shale. These exchanges may be calculated by heat and mass transfer balances, solved usually by numerical methods. This study analyzes the heat transfer between the gas stream and shale under various circumstances concerning the gas temperature and shale temperature, such as the development of a temperature gradient within the largest shale particles. It also carries out a parametric sensitivity analysis to investigate the effect of some parameters that affect the heat transfer, such as shale and gas specific heats, shale thermal conductivity and heat transfer coefficient / Mestrado / Engenharia Química / Mestra em Engenharia Química

Orientador: Araí Augusta Bernárdez Pécora / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T02:49:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HernandezMena_LaidyEsperanza_M.pdf: 2781198 bytes, checksum: d1dc49ebd939d50881ecb5501444a6f0 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O decréscimo da oferta de recursos florestais nativos tem chamado a atenção de pesquisadores do mundo todo para a busca de matérias-primas renováveis e o desenvolvimento de processos sustentáveis. O bambu apresenta-se como uma matéria-prima de alta produtividade, rápido crescimento e maturidade, e que está tornando-se importante como um excelente substituto em processos onde a madeira é utilizada. Suas propriedades o tornam atrativo para ser utilizado em processos de termoconversão de biomassa, como a pirólise. O objetivo deste projeto é contribuir com novos conhecimentos para a valorização do bambu como matéria prima sustentável, através do estudo experimental da pirólise lenta de partículas de bambu da espécie Dendrocalamus giganteus Munro para a produção de carvão vegetal. Este estudo apresenta a determinação da influência da temperatura sobre o processo de degradação térmica e sobre as propriedades do produto solido. O estudo envolveu a caracterização físico-química das partículas de biomassa in natura moídas e a realização de testes experimentais conduzidos em reator de pirólise com leito mecanicamente agitado em temperaturas finais na faixa de 300 a 500 °C. A caracterização do produto sólido gerado nas diferentes condições operacionais testadas envolveu análise elementar e imediata, determinação do poder calorífico, analises BET e microscopia eletrônica de varredura (MEV),e do pH. Adicionalmente o bio-óleo gerado foi caracterizado, visando aplicação como combustível ou matéria prima química, e a sustentabilidade econômica do processo. Os resultados indicam que a temperatura final do processo de pirólise tem grande influência sobre a produção e composição dos produtos. O rendimento de carvão diminui com o aumento da temperatura de pirólise, no entanto, seu teor de carbono fixo e seu poder calorífico aumentam. Os resultados mostram que o bambu estudado apresenta potencial de utilização como matéria-prima para pirólise apresentando propriedades similares a de outras biomassas como a madeira. Os produtos gerados podem ser utilizados para diversas finalidades, o carvão tem aplicações energéticas e agrícolas e o bio-óleo pode ser considerado uma fonte valiosa de produtos químicos / Abstract: The decrease of the supply of native forest resources has drawn attention from researchers around the world in the search for renewable raw materials and for the development of sustainable processes. The bamboo as a raw material presents high productivity, easy propagation, fast growth and maturation, and it is becoming increasingly important as an excellent substitute for wood. These properties make it attractive for energy conversion processes like pyrolysis. The aim of this project is to contribute to the knowledge and valorization of the bamboo as a sustainable feedstock, through experimental research of the slow pyrolysis of bamboo specie Dendrocalamus giganteus Munro aiming biochar production. In this study the effect of temperature on the slow pyrolysis process of bamboo and the properties of pyrolysis solid products were determined.The research included the physicochemical characterization of biomass particles and the experimental pyrolysis tests conducted in a pyrolysis reactor mechanically agitatedat a final temperature ranging from 300 to 500 °C. The characterization of the solid product involved proximate and CHN-elemental analysis, heating value, density, BET and scanning electron microscopy (SEM) analysis and pH. Furthermore, the bio-oil was characterized considering its utilization as a liquid fuel or chemical feedstock as well as the economical sustainability of the slow pyrolysis process of bamboo. The results indicate that the final temperature of the pyrolysis process has important influence over products distribution and composition: when the temperature increased char yield decreased and its fixed carbon content and high heating value increased. The results show that bamboo has potential as feedstock in pyrolysis process because it has similar properties with others biomass as wood. The pyrolysis products can be evaluated in different applications, the char has energetic and agricultural applications and the bio-oil can be considered as a source of valuable chemicals / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Caio Glauco Sánchez, Elisabete Maria Saraiva Sanchez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T23:59:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarinMesa_LienadelRosario_M.pdf: 3046850 bytes, checksum: d16d04046b66c91b2aa858a286e8566f (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho foi feita a caracterização físico-química de três variedades de cana-de-açúcar: a cana tradicional e dois novos tipos de cana para energia, visando avaliar o potencial energético. Ensaios de pirólise foram realizados numa balança termogravimétrica e uma planta de pirólise de capacidade de 20 kg/h de alimentação. Foi realizado um balanço de massa do processo, e foram obtidos modelos matemáticos que caracterizaram o comportamento do processo de pirólise nas diferentes condições. Esses resultados permitiram avaliar tecnicamente o processo de pirólise de cana integral, comparar os rendimentos obtidos em instalações de diferentes escalas e coletar informações para posteriores estudos desta tecnologia. A comparação entre as características físico-químicas dos três tipos de cana apresentou diferenças na umidade e no teor de cinzas para as diferentes partes da cana (colmo, ponteiro e folhas). Os ensaios em balança termogravimétrica mostraram que a taxa de aquecimento tem influência significativa no rendimento dos produtos líquidos, e nos ensaios de pirólise em planta piloto de 20 kg/h de alimentação, não apresentaram diferenças significativas nos rendimentos nem nas características dos produtos. Através do balanço de massa e energia, comparou-se a eficiência energética dos três tipos de cana, quando transformada através do processo de pirólise rápida. Observou-se que a diferença entre as três variedades está na produtividade destas por unidade de área cultivada, sendo a cana para energia Tipo 2, a que apresentou maior quantidade de energia útil por hectare (3110 MJ/hec), seguido da cana Tipo 1 (2400 MJ/hec) e com menor eficiência energética a cana tradicional (Tipo 3), com 1500 MJ/hec / Abstract: This work was carried out physico-chemical characterization of three varieties of cane sugar: cane traditional and new types of sugar for energy, to evaluate the potential energy. Pyrolysis tests were performed in a thermogravimetric balance and a pyrolysis plant capacity of 20 kg / h of power. We conducted a mass balance of the process, and mathematical models were obtained that characterized the behavior of the pyrolysis process in different conditions. These results allowed us to evaluate technically the pyrolysis of cane integral, compare the yields obtained in facilities of different scales and collect information for further study of this technology. Comparison of the physicochemical characteristics of three types of cane showed differences in moisture and ash content for different parts of the cane (stem, leaves and pointer). The thermogravimetric balance tests showed that the rate of warming has significant influence on the yield of liquid products, and pyrolysis tests in a pilot plant of 20 kg / h of feeding, no significant differences in income or the characteristics of the products. Through the balance of mass and energy, compared the energy efficiency of three types of cane, when transformed through the process of fast pyrolysis. It was observed that the difference between the three varieties of these is the productivity per unit area cultivated with sugarcane for energy type 2, had the greatest amount of useful energy per hectare (3110 MJ / ha), followed by a cane type 1 (2400 MJ / ha) and less energy efficient sugarcane traditional (Type 3), 1500 MJ / ha / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Waldir Antônio Bizzo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-21T19:34:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Berton_RafaelPiatto_M.pdf: 2760941 bytes, checksum: e126adb4bc1c7a9e7512cbc1b44cbb70 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Atualmente a pesquisa por tecnologias que permitam o uso mais inteligente e disseminado das fontes renováveis de energia em complemento aos meios convencionais, tem ganhado importância em virtude da necessidade de se aliar sustentabilidade ao suprimento da crescente demanda mundial. O interesse deste trabalho residiu em investigar o comportamento da eficiência energética relativa à conversão da biomassa em recursos provenientes do processo de pirólise rápida, a saber, o bio-óleo e o carvão residual (charcoal). O caso estudado se constituiu na análise de uma planta de pirólise rápida em escala industrial, por meio de simulação computacional utilizando o software Cycle-Tempo, específico para dimensionamento termodinâmico de sistemas. Foram analisadas três possibilidades para a integração energética do processo, o primeiro fazendo uso da combustão do carvão residual para suprir a demanda energética do sistema, o segundo complementando sua operação através da recuperação do calor proveniente da condensação dos vapores para uso na secagem da biomassa original e o terceiro direcionando este calor para o pré-aquecimento dos gases de fluidização do reator. Através da análise comparativa de eficiência energética e das características técnicas das alternativas propostas, foi possível quantificar os ganhos de eficiência possibilitados pela integração energética, estabelecer limites operacionais e parâmetros de processo úteis à continuidade da pesquisa neste segmento, assim como visualizar possíveis vantagens ou pontos críticos dos sistemas estudados / Abstract: The current research for technologies that allow a more intelligent use and the spreading of renewable energy in addition to conventional means, has become increasingly important due to the need to combine sustainability to supply the growing global demand. The interest of this work resided in investigating the behavior of energy efficiency for the conversion of biomass resources into fast-pyrolysis's products, namely the bio-oil and bio-char. The case study consisted in the analysis of a fast pyrolysis plant in industrial scale by means of computer simulation using the software Cycle-Tempo, specific for sizing thermodynamic systems. Three possibilities were analyzed for energy integration of the system, the first making use of residual coal combustion to supply the energy demands of the system, the second complementing its operation by recovering the heat from the condensing vapors for drying the biomass, and the third directing this amount of energy to preheat the reactor's fluidizing gas. Through a comparative analysis of energy efficiency and technical characteristics of the proposed alternatives, it was possible to quantify the efficiency gains enabled by energy integration, and also establishing operating limits and process parameters useful for continuing the research in this segment, as well as displaying possible advantages or critical points of the systems studied / Mestrado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Araí Augusta Bernárdez Pécora / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T08:12:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_JoaoPauloda_M.pdf: 4733188 bytes, checksum: eafa56a24fccf56e0480ae89bf0d28cb (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O café é um importante produto na balança comercial brasileira e seu processamento gera a casca como um resíduo. O objetivo deste trabalho foi a caracterização física, termoquímica e fluidodinâmica da casca de café (coffea arábica, L) visando sua aplicação em processo de pirólise convencional em reator mecanicamente agitado e posterior caracterização das frações líquida e sólida geradas. O trabalho envolveu as seguintes etapas: (i) caracterização física e termoquímica da casca de café moída; (ii) ensaios fluidodinâmicos no leito contendo mistura binária casca de café-areia (5% de biomassa na mistura); (iii) ensaios de pirólise em reator mecanicamente agitado; e (iv) caracterização das frações sólida e líquida geradas no processo de pirólise. A etapa de caracterização das partículas envolveu a determinação da análise granulométrica, esfericidade, massas específicas, razão de Hausner, análise elementar, análise imediata, poder calorífico, análise termogravimétrica e diferencial térmica, análises da composição das cinzas e análise do teor de hemicelulose, celulose e lignina. Os ensaios de pirólise foram realizados seguindo um planejamento experimental composto central rotacional com objetivo de avaliar a influência da taxa de aquecimento (8 a 22 °C/min) e do tempo de estabilidade entre os estágios de aquecimento (1,2 a 6,8 min) sobre o rendimento da fração líquida. O maior rendimento da fração líquida foi de 56,5 %, obtido em uma taxa de aquecimento de 22°C/min e tempo de estabilidade entre os estágios de aquecimento de 4 min. Na etapa de caracterização do carvão vegetal gerado foram determinadas as massas especificas, análise elementar, análise imediata, poder calorífico, análise termogravimétrica e diferencial térmica, além da determinação da velocidade mínima de fluidização no leito contendo a mistura carvão-areia (5% de biomassa na mistura). A fração líquida foi submetida à análise de umidade, pH, poder calorífico e cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa. Os resultados dos ensaios fluidodinâmicos mostraram que a presença de 5% (em massa) de casca de café no leito provoca o aumento da velocidade de mínima fluidização em 45%. Foi verificado que a casca de café possui um grande potencial como fonte energética para aplicação em processos de pirólise em função das propriedades do carvão e do líquido gerado em temperaturas superiores a 300oC. A composição e teor de cinzas da casca de café também fazem do carvão uma boa opção como fertilizante em função dos nutrientes presentes. Em todas as frações líquidas geradas foram observados compostos com aplicações industriais, mostrando que o óleo obtido através da pirólise da casca de café possui potencial não só como combustível, mas também como fonte de componentes para a indústria química / Abstract: Coffee is an important product in the Brazilian commercial balance and its processing generates husks as waste. In order to increase information available about coffee husks biomass and its energetic potential, this work presents an experimental study including: (i) physical and thermo-chemical characterization of grinded coffee husks; (ii) hydrodynamics tests to minimum fluidization velocity determination of the binary mixture coffee husks-sand (5% weight fraction of biomass); (iii) pyrolysis tests in a mechanically agitated bed; and (iv) characterization of pyrolysis solid and liquid products. The particle characterization step included the determination of particle size distribution, sphericity, densities, Hausner ratio, ultimate and proximate analysis, heating value, thermo-gravimetric analysis, thermo-differential analysis, ash composition, and hemicelluloses, cellulose and lignin content. The pyrolysis tests were carried out following a central composite rotate design of experiments in order to evaluate the heating rate (from 8 to 22oC/min) and the time between the heating stages (from 1.2 to 6.8min) on the bio oil yield. The bio-oil greatest yield was 56.5% that was obtained using a heating rate of 22oC/min and time between the heating stages of 4min. The bio-char characterization involved density, ultimate and proximate analyses, heating value, thermo-gravimetric analysis, differential thermal analyses and determination of the minimum fluidization velocity of the char-sand mixture (5% weight fraction of biomass). The liquid fraction was submitted to moisture, pH, heating value and gas chromatography (using a mass spectrometer) analysis. Results from hydrodynamics studies show that the presence of 5% biomass in the bed material increases the minimum fluidized bed velocity about 45%. Pyrolysis results show that coffee husks presents a good potential as feedstock to the process due to char and bio-oil (fractions obtained at temperatures higher than 300oC) properties. Additionally, results from ash characterization showed that the bio-char produced presents a good potential as fertilizer. High values chemical compounds were identified in the produced liquid fractions, showing that this product presents high potential, not only as a fuel, but also as a source of chemical compounds to the chemical industry / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

This dissertation presents the slow pyrolysis of eucalyptus sawdust as an alternative, thermal process of treatment of forestry residues for the obtainment of gaseous, liquid and solid products. With the aid of a pyrolysis oven and low temperature conversion of the biomass residue, four product fractions were obtained in batch procedure: one gaseous (F1), two liquids - aqueous (F2) e bio oil (F3) and one solid (F4, char). Parameters like temperature, heating rate and particle size and theirs effects over the process yield were studied. liquid and solid products were submitted to analytical methods of characterization: for the aqueous and the bio oil fractions, the elemental composition, moisture, solubility, qualitative composition by gas chromatography/mass spectrometry detection (GC-MS), spectroscopic figures (infrared, ultraviolet e nuclear magnetic resonance), high heating power and acute toxicity, were measured. The residual char was although submitted to proximate analysis, scanning electron microscopy (SEM), spectroscopic analysis (infrared and X-ray diffraction), superficial area analysis (BET), adsorption (dye and carbohydrate adsorption) and high heating value tests. The liquid fractions showed themselves as potential sources of input chemicals, particularly, of phenolic substances. The residual char, even not activated, showed considerable adsorption capacity. The developed low pyrolysis process demonstrated to be efficient, generating at least two fractions of great industrial interest: bio oil, fuel oil substitute and diesel oil addictive and input chemicals source; and char, precursor of industrial adsorbent and clean solid fuel. / Este trabalho de dissertação apresenta o processo de pirólise lenta de serragem de eucalipto como processo térmico, alternativo, de tratamento de resíduos sólidos florestais, para a obtenção de produtos gasosos, sólidos e líquidos. Com auxílio de forno pirolítico e conversão à baixa temperatura dos resíduos de biomassa obtiveram-se quatro frações, por batelada: uma gasosa (F1), duas líquidas - fração aquosa (F2) e bioóleo (F3) e uma sólida (F4, carvão). Foram estudados parâmetros de temperatura, taxa de aquecimento e tamanho de partícula e suas respectivas influências no rendimento dos produtos. Submeteram-se os produtos líquidos e sólidos à métodos analíticos de caracterização: para a fração aquosa e o bioóleo foram medidos a composição elementar, o teor de umidade, a solubilidade, a composição qualitativa por cromatografia gasosa capilar com detector de espectrometria de massa (CG-EM), dados espectroscópicos (espectroscopia no infravermelho, ultravioleta e ressonância nuclear magnética), o poder calorífico e a toxidade aguda. Submeteu-se, também, o carvão residual à análise imediata, à microscopia eletrônica de varredura (MEV), à análise espectroscópica (no infravermelho e difração de raios-X em pó), à análise de área superficial pelo método Brunauer-Emmett-Teller (BET), a testes de adsorção (índices de adsorção de corantes e carboidratos) e de determinação do poder calorífico. As frações líquidas revelaram-se como potenciais fontes de insumos químicos, em particular, de substâncias fenólicas. O carvão, ainda que não ativado, demonstrou apreciável capacidade de adsorção. O processo de pirólise lenta desenvolvido mostrou-se eficiente, gerando, no mínimo, duas frações de grande interesse industrial: bioóleo, substituto de óleo combustível, aditivo para diesel e fonte de insumos químicos; e, carvão, precursor de adsorvente industrial e combustível sólido limpo.

Este trabalho descreve a utilização de GC×GC/qMS para a caracterização de bio-óleo obtido a partir da pirólise de palha de cana-de-açúcar e de suas frações resultantes do fracionamento usando solventes pressurizados. É o primeiro uso desta técnica com analisador quadrupolar para a caracterização de bio-óleo. A GC×GC/qMS aliada a algumas ferramentas computacionais, permitiu a identificação e classificação dos compostos de acordo com diversos fatores como a classe química, o número de átomos de carbono, o número de substituintes na cadeia carbônica, o massa molecular e os picos principais no espectro de massas. Utilizou-se também o sistema de LTPRI (índice de retenção linear com temperatura programada) para a confirmação da identificação de alguns dos compostos no bio-óleo e nas frações. Verificou-se um número total de 331 compostos tentativamente identificados no bio-óleo bruto e destes 166 foram confirmados por identificação LTPRI, em sua maioria compostos polares. A análise quantitativa comprovou que o bio-óleo de palha de cana-de-açúcar estudado é composto majoritariamente por fenóis (2-metilfenol, 3,4-dimetilfenol e 4-metilcatecol), além de aldeidos (4-hidróxibenzaldeído e siringaldeído), os quais após o fracionamento puderam ter suas concentrações determinadas na amostra de forma inequívoca pela técnica de cromatografia gasosa. O passo de fracionamento promoveu uma melhor seletividade dos compostos nas frações, permitindo a identificação de um maior número de compostos, assim como suas quantificações. / This work describes the use of GC×GC/qMS for the characterization of bio-oil from the pyrolysis of sugar cane straw and its fractions using pressurized solvent fractionation. This is the first use of this technique for a bio-oil characterization. The GC×GC/qMS allied to some computational tools, allowed the identification and classification of the compounds according manyfactors as chemical class, number of carbons, number of substituents in the carbonic side chain, molecular weight and main peaks in the mass fragmentation spectra. It was used also the LTPRI (linear-temperature-programmed retention index) system for the confirmation of identification of some of the compounds in the bio-oil and fractions. It was found a total number of 331 compounds tentatively identified in the crude bio-oil and 166 were confirmed by LTPRI identification, mostly polar compounds. The quantitative analysis showed that the bio-oil of sugar cane straw is composed mainly by phenols (Phenol, 2-methyl, Phenol, 3,4-dimethyl and Catechol, 4-methyl) and also by the aldehydes Benzaldehyde (4-hydroxy and Syringaldehyde), which after fractionation might have their concentrations determined in the sample so unequivocal by gas chromatography. The step of fractionation stimulated a better selectivity of the compounds in the fractions, permitting the identification of a larger number of compounds, as well as their concentrations.

Orientador: Caio Glauco Sánchez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T08:46:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_LucasFerrarideCarvalho_M.pdf: 3999968 bytes, checksum: 7756a52a0e0727ae5b7f9d138e57ef02 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A pirólise rápida é um processo aplicado a biomassa com o intuito de densifica-la energeticamente, os produtos resultantes são, gases, carvão e principalmente bio-óleo. O bio-óleo pode servir como matéria prima para as biorrefinarias e pode ser transformado em gás de síntese através da degradação térmica a altas temperaturas com a presença ou não de agente oxidante externo, gaseificação e pirólise respectivamente. Durante estes processos podem ocorrer reações de polimerização formando coque no interior do reator. O processo de formação de coque ainda é pouco conhecido. O coque pode entupir o reator e/ou desativar catalizadores que estejam no processo. Tem-se como objetivo neste trabalho estudar a pirólise do bio-óleo e diminuir a formação de coque na reação através da destilação prévia do composto a uma temperatura de 260 ºC, pois a partir desta temperatura não ocorre mais a formação de vapores. As amostras da pirólise a 700 ºC em um reator de fluxo arrastado do bio-óleo integral (BPL) e do bio-óleo destilado (BPLD) foram comparadas com testes estatístico t-student em relação a formação de coque, balanço de massas, composição gasosa e poder calorífico do gás produzido. O resultado da pirólise dos bio-óleos foi a não formação de coque no interior do reator quando utilizado o BPLD. O gás resultante da pirólise do BPLD teve um poder colorífico inferior (PCI) de 8,3 ± 0,6 MJ/Nm3, e o gás resultante da pirólise do BPL teve um PCI = 6,1 ± 0,7 MJ/Nm3. O balanço de massas indicou que a formação de gases é estatisticamente igual nos dois processos para um significância ? = 5%. Assim é possível afirmar que a produção de coque foi nula para a pirólise do BPLD. A quantidade de gás gerada pelos processos foi equivalente e o poder calorifico do gás resultante do BPLD é maior que o gás resultante da pirólise do BPL / Abstract: The fast pyrolysis is a process applied to densifies the biomass, the resulting products are gas, char and mainly bio-oil. The bio-oil can serve as raw material for bio-refineries and can be transformed into syngas by thermal degradation at high temperatures with the presence of oxidizing agent, in a process called gasification, or without external oxidizing agent, in a process called pyrolysis. During these processes, polymerization reactions can occur forming coke inside the reactor. The formation of coke is a process still unknown. The coke can clog the reactor and/or disable catalysts of the process. Study the pyrolysis of the bio-oil and reduce the formation of coke through the distillation of the bio-oil at temperatures above 260 ºC is the objective of this work. Samples from pyrolysis at 700 ° C in an entrained flow reactor of full bio-oil (BPL) and the bio-oil distillate (BPLD) were compared with t-student statistical tests for coke formation, mass balance, composition of gas and gas calorific value. The result of pyrolysis of the bio-oils was no coking within the reactor when using the BPLD. The lower heat value (LHV) of the gas resulting from pyrolysis of BPLD was 8,3 ± 0,6 MJ/Nm3, and the gas resulting from the pyrolysis of BPL was 6,1 ± 0,7 MJ/Nm3. The mass balance indicated that gas formation is statistically equal in the two cases for a significance level ? = 5 %. It is possible to affirm that the production of coke was null for the pyrolysis of BPLD. The amount of gas generated by the process was equivalent and the heat value of the gas resulting from the pyrolysis of BPLD is greater than the gas resulting from pyrolysis of BPL / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

O arseniato de cobre cromatado (CCA) é um dos preservantes mais utilizados em postes de madeira de redes de distribuição de energia elétrica, devido a sua elevada eficiência na preservação da madeira. Os postes de madeira tratada com CCA devem ter uma destinação final adequada, para evitar impactos ao meio ambiente, devido à presença dos metais. A conversão termoquímica (pirólise) pode ser uma alternativa para a destinação final desse resíduo. Neste trabalho, postes de madeira utilizados por 20 anos na rede de distribuição de energia elétrica do Estado do Rio Grande do Sul, fornecidos pela Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), foram seccionados e medida sua concentração de metais. As 2 frações mais internas do poste (ao longo do seu raio) apresentaram menores concentrações de metal (4,00 mg.kg-1 de cobre, 4,19 mg.kg-1 de cromo e 4,72 mg.kg-1 de arsênio) e foram utilizadas para os ensaios de conversão termoquímica (pirólise). As frações sólida, líquida e gasosa foram quantificadas e caracterizadas. O elevado teor de matéria volátil (83,53%, m.m-1 para A23 e 83,23%, m.m-1 para A3) e baixo teor de cinzas (0,62%, m.m-1 para A23 e 0,61 %, m.m-1 para A3) tornam as amostras de madeira tratada com CCA, uma matéria-prima atrativa para o processo termoquímico. O processo de pirólise foi conduzido na ausência de oxigênio à temperatura de 700 ºC, minimizando a liberação de metais e apresentando os seguintes rendimentos: char (25,3 ±1,1%, m.m-1 ); óleo pirolítico (44,2±0,6%, m.m-1 ); gás combustível (30,6±1,7%, m.m-1 ). A concentração máxima de gases não condensáveis (77% vol) provenientes da pirólise de madeira tratada com CCA, bem como o máximo valor de poder calorífico superior do gás combustível (15,32 MJ.Nm-3 ), foram observados na temperatura de 500 ºC. Com o incremento de temperatura (700 ºC) houve uma redução da produção de gases não condensáveis (14% vol), bem como do poder calorífico superior do gás combustível (14,16 MJ.Nm-3 ). Entretanto, com o aumento da temperatura foi observado um aumento da concentração de H2 nos gases não condensáveis. Foi observado que mais de 68% (em massa) dos metais ficam retidos no char, os quais permanecem estáveis à lixiviação, permitindo a utilização segura do char para a obtenção de carvão ativado. O gás gerado apresentou razão molar H2/CO de 6 a 8, favorável à redução de óxidos de ferro em processos de redução da indústria siderúrgica. O char produzido no processo de pirólise foi impregnado com H3PO4 e ativado físicamente na presença de CO2, a temperaturas de 800 e 900 ºC, para a produção de carvão ativado. A temperatura de 900 ºC, isoterma de 240 min e razão de impregnação de H3PO4 de 1:1 foram responsáveis pela formação de um carvão ativado com elevada área superficial (1324 m2 .g-1 ). Com o aumento do tempo de isoterma de 60 a 240 min (900 ºC / Impregnação H3PO4 Razão 2:1) verificou-se o incremento do volume de microporos de diâmetro de 0,3 a 1 nm (0,159 a 0,209 cm3 .g-1 ). O carvão ativado produzido foi avaliado quanto a capacidade de adsorção de CO2 a pressão atmosférica e temperatura de 25 ºC. Os resultados indicaram que as amostras de carvão ativado obtidos da madeira tratada com CCA apresentaram elevada capacidade de adsorção de CO2 variando entre 69 a 83 mg.g-1 . A presença de metais (Cr/Cu) no carvão ativado pode ter contribuído para o aumento da adsorção de CO2. / Universidade de Caixas do Sul, UCS. / Chromated copper arsenate (CCA) is the most used preservative in wooden poles of electricity distribution network, due to its high efficiency in the wood preservation. The CCAtreated wooden poles may be properly disposed to avoid damage to the environment due to the metals. The thermochemical process (pyrolysis) can be an alternative to the disposal of this waste. In this work, CCA-treated wooden poles, in service for 20 years in the electricity distribution network in Rio Grande do Sul, provided by Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), were fractionated and the metal concentration was measured. The samples of the internal sapwood and heartwood presented low metal concentrations (4.00 mg.kg-1 of copper, 4.19 mg.kg-1 of chromium and 4.72 mg.kg-1 of arsenic) and were subject to the pyrolysis. The solid, liquid and gaseous fractions were measured and characterized. The high content of volatile matter (83.53 wt.% to A23 and 83.23 wt.% to A3) and low ash content (0.62 wt.% to A23 and 0.61 wt.% to A3) make the samples of CCA- treated wood an attractive raw material for thermochemical process. The pyrolysis process was conducted in the absence of oxygen at 700 ºC to minimize the metal release and presenting mass fractions with the following yields: char (25.3±1.1 wt.%), pyrolytic oil (44,2±0.6 wt.%) and gas fuel (30.6±1,7 wt.%). The maximum concentration of non-condensable gas (77 vol%) from the pyrolysis of CCA-treated wood and the maximum high heating value of the fuel gas (15.32 MJ.N-1m-3 ) were observed in temperature of 500 ºC. With temperature increasing (700 oC) the generation of non-condensable gases (14 vol%) and the high heating value of the fuel gas (14.16 MJ.N-1m-3 ) were reduced. However, with temperature increasing the concentration H2 increased. Most than 68 wt.% of metals are retained in the char. It is possible to use of the activated carbon from char due resistance to leaching. The gas generated presented a molar ratio H2/CO of 6 to 8 is favorable to the iron oxide reduction in reduction process in steel industry. The char produced from the pyrolysis process was impregnated with H3PO4 and physically activated in the presence of CO2 at temperatures of 800 to 900 ºC for activated carbon production. The temperature of 900 oC, isotherm of 240 min and 1:1 impregnation H3PO4 were responsible to formation of an activated carbon with a high surface area (1324 m2 .g -1 ). With the increased of time isotherm of 60 to 240 min (900 ºC / 2:1 impregnation H3PO4) there was obtained increased microporous volume with 0.3 a 1 nm diameter (0.159 to 0.209 cm3 .g-1 ). The activated carbon produced was evaluated in CO2 adsorption assays at atmospheric pressure and 25 oC. The results indicated that the activated carbons obtained from the CCA-treated wood showed high CO2 adsorption capacity ranging 69-83 mg.g -1 . The presence of metals (Cr/Cu) can be contributed to the high CO2 adsorption.

Orientador: Maria Regina Wolf Maciel / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T09:30:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JaimesFigueroa_JaiverEfren_D.pdf: 4291833 bytes, checksum: dc5592f8288a01f2f792aac9bf02f01b (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Os processos termoquímicos permitem a conversão da biomassa em outros produtos de maior interesse e valor agregado. Dentre os processos termoquímicos destacam-se a pirólise e a gaseificação, sendo o alcatrão e gases, os principais produtos resultantes. Estes produtos possuem um grande potencial como intermediários químicos, combustíveis, lubrificantes e energia, tornando os processos termoquímicos muito atrativos. Este trabalho teve como objetivo avaliar experimentalmente dois processos termoquímicos: pirólise e gaseificação, usando bagaço de cana-de-açúcar como matéria-prima. Foram avaliados dois tipos de reatores: leito fixo e leito fluidizado. Inicialmente, foi realizada uma revisão bibliográfica para a obtenção das propriedades físico-químicas da matéria-prima, valores típicos sobre dimensionamento de reatores, cinéticas de reação e características dos produtos obtidos pela via termoquímica, com a finalidade de estudar o comportamento fluidodinâmico do sistema. Posteriormente, foi realizada uma simulação no software comercial ANSYS-FLUENT V12TM, obtendo-se pequenos desvios entre os valores preditos e os encontrados na literatura, o que gerou uma ferramenta computacional com potencial para avaliação dos processos termoquímicos utilizando material lignocelulósico. Após o estudo computacional, foram realizados dois estudos experimentais: um do processo de pirólise e outro de gaseificação. Os estudos experimentais foram realizados usando dois tipos de reatores com características diferentes, quando comparados aos reatores encontrados na literatura. A pirólise lenta a altas temperaturas do bagaço foi desenvolvida em reator de leito fixo em batelada, contendo uma mistura de bagaço e alumina/sílica (carga máxima de bagaço 4 g). Foram testadas várias temperaturas, superiores a 500 °C, e encontrado que um aumento nesta variável significou em um aumento da quantidade de gases e diminuição de carvão produzido. O alcatrão obtido foi independente da temperatura (20 % mássico). Utilizando o mesmo reator, foi realizada uma reação de gaseificação de bagaço de cana-de-açúcar a 900 °C e relação mássica vapor/bagaço igual a 2,0, obtendo-se maior rendimento de gases e menor de carvão. Além disso, o gás produzido continha porcentagem maior de hidrogênio quando comparado ao gás obtido por pirólise empregando a mesma temperatura. A gaseificação do bagaço foi realizada em um reator de leito fluidizado (elaborado e desenvolvido pelo grupo de pesquisa LOPCA/BIOEN/FEQ/UNICAMP para esta tese). Este reator foi instalado, testado e colocado em funcionamento com uma vazão de bagaço de até 3 kg/h. As reações foram feitas usando diferentes relações ER (razão mássica entre as relações (ar/bagaço) e (ar necessário para combustão completa/bagaço). Cada relação ER testada proporcionava uma temperatura de reação diferente, obtendo-se uma distribuição de produtos com características diferentes entre si. Os produtos da gaseificação foram caracterizados. Valores de ER mais elevados ofereceram maiores temperaturas de reação e, consequentemente, maiores rendimentos de gases e porcentagens de H2 e CO / Abstract: The thermochemical processes allow the biomass conversion in others products, producing simpler structures, which are more interesting. Two main thermochemical processes are the pyrolysis and gasification, which produce tar and gases. These products have an enormous potential as intermediate chemical compounds, fuels, lubricants and energy, making the thermochemical processes very relevant. In this work, both processes aforementioned were object of experimental study, using sugarcane bagasse as raw material. Two different reactors were analyzed: fixed bed and fluidized bed. A bibliographic research was made as a starting point, collecting enough information about the properties of the raw material, typical dimensions of the reactors, reaction kinetics and characteristics of the products. In order to study the fluid-dynamic behavior of the system some simulations were performed, using the ANSYS-FLUENT V12TM software. The simulation results presented small deviation compared to the experimental results reported on the literature, which indicates that the simulated system is a powerful tool to validate thermochemical processes that involve lignocellulosic materials. Subsequently, two experimental studies were developed: one for pyrolysis and other for gasification. For each process mentioned before, we used two types of reactors that differ from the reactors found on the literature. Bagasse pyrolysis was made on a fixed bed batch reactor, using a mixture of bagasse and alumina-silica (the bagasse does not exceed 4 grams). Different temperatures above 500 ºC were used, showing that the quantity of obtained gases were proportional to the temperature, while the quantity of carbon was inversely proportional. On the other hand, the tar produced in the reaction does not depend on the temperature (20 % mass). The same reactor was used to do the gasification of sugarcane bagasse at 900 ºC and a steam/bagasse mass ratio of 2.0, obtaining a bigger production of gas and smaller production of carbon. Additionally, the obtained gas contains a bigger proportion of hydrogen than the gas produced with pyrolysis, using the same temperature. Finally, other gasification were performed, using a fluidized bed reactor acquired by the LOPCA/BIOEN/FEQ/UNICAMP research group, which produces a bagasse output up to 3 kg/h. All reactions were made using different ER relations (air/bagasse mass ratio). Each ER relation produced a different reaction temperature, obtaining a product distribution with different characteristics between them. The products obtained were characterized. The higher ER values offered bigger temperatures of reaction and consequently, higher yield of gas and percentages of H2 and CO proportions / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química