Análises térmicas e cinética da pirólise lenta da fibra de coco e investigação dos efeitos da torrefação na decomposição térmica da biomassa

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lopes, Fernanda Cristina Rezende, 1987-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/12203
Resumo: Orientador: Katia Tannous
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spelling Análises térmicas e cinética da pirólise lenta da fibra de coco e investigação dos efeitos da torrefação na decomposição térmica da biomassaThermal and kinetic analysis of the slow pyrolysis of coconut fiber and investigation of the effects of torrefaction on the thermal decomposition of biomassCinética químicaCalorimetriaPiróliseTermogravimetriaBiomassa - TorrefaçãoChemical kineticsCalorimetryPyrolysisThermogravimetryBiomass - TorrefactionOrientador: Katia TannousTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Este trabalho teve como objetivo analisar a pirólise lenta da fibra de coco mediante análises térmicas (termogravimetria e calorimetria exploratória diferencial) e investigar os efeitos da torrefação sobre a cinética e as propriedades termodinâmicas da reação química. A motivação deste trabalho é o aproveitamento do resíduo do coco, descartados inadequadamente em aterros sanitários, para a geração de energia e combustíveis. A fibra de coco in natura apresenta altos teores de carbono (46,5±0,2%), oxigênio (43,1±0,0%) e voláteis (79,61±2,1%), e baixo teor de cinzas (2,90±0,4%). A torrefação da biomassa foi realizada em reator de leito fixo (V=320 cm3) mediante planejamento experimental (composto central de faces centradas), na qual selecionou-se as condições mais adequadas de 225 ºC e 15 min. Esses resultados mostraram-se suficientes para causar pequenas alterações na perda de massa inferior a 18,0%, com diminuição de 6,4% no teor de materiais voláteis e 5,0% no teor de oxigênio, e aumento de 6,5% no teor de carbono fixo e 14,6% no poder calorífico superior e inferior indicando a melhora energética do material. A decomposição térmica da fibra de coco in natura e torrificada foi realizada usando um analisador de termogravimetria (TG) e calorimetria (DSC) simultaneamente em atmosfera de nitrogênio, aplicando quatro taxas de aquecimento (5-20 ºC/min). A torrefação da biomassa eliminou parcialmente a hemicelulose. A cinética da pirólise foi aplicada considerando dois modelos de reação. No primeiro modelo (reação global), foram aplicados cincos métodos isoconversionais (Friedman, Ozawa-Flynn-Wall, Coats-Redfern modificado, Starink e Vyazovkin), master plots e linearização, resultando: energias de ativação globais de 129,77 kJ/mol e 191,18 kJ/mol; fatores pré-exponenciais de 1,45.108 1/s e 1,75.1013 1/s; e funções de conversão de difusão tridimensional de Jader (D3) e de Ginstling-Brounshtein (D4), para biomassa in natura e torrificada, respectivamente. Devido à complexidade da reação de decomposição da biomassa, sua conversão foi bastante representada (DMP<3,9%), mas não foi suficiente para a taxa de conversão (DMP<16,6%). O segundo modelo (múltiplas reações), esquema de três reações paralelas independentes, foi aplicado para descrever os principais pseudocomponente (hemicelulose, celulose e lignina). Este modelo de reação apresentou melhor concordância entre os dados teóricos e experimentais da conversão e taxa de conversão (DMP<3,0%), com os seguintes parâmetros cinéticos: energias de ativação de 79,1-196,3 kJ/mol, logaritmo dos fatores pré-exponenciais (log A) de 3,1-15,0 1/s, frações volatilizadas de 0,3-0,5, considerando primeira e segunda ordens de reação para biomassa in natura. Para biomassa torrificada, obteve-se os seguintes valores de modelagem: energias de ativação de 45,4-203,2 kJ/mol, logaritmos do fator pré-exponenciais (log A) de 0,4-15,6 1/s, frações volatilizadas de 0,13-0,53, considerando a reação de primeira ordem. Na análise do fluxo de calor experimental (QDSC) foi observado um expressivo pico endotérmico na etapa de desidratação atribuído à evaporação da água. A etapa de volatilização foi caracterizada por picos exotérmicos referentes a decomposição da hemicelulose e celulose. A partir dos fluxos de calor da biomassa, determinou-se as capacidades caloríficas específicas usando três métodos: ASTM E1269-11, ASTM E1269-11 modificada e método de sólidos totais, sendo o último mais adequado para sua quantificação. Além disso, equações lineares foram propostas para predizer cp (T) das biomassas in natura e torrificada e do char. A entalpia de reação foi estimada de 564,45 J/kg, a partir da integração do fluxo de calor da reaçãoAbstract: This study aimed to analyze the slow pyrolysis of coconut fiber through thermal analysis (thermogravimetry and differential scanning calorimetry) and to investigate the torrefaction effects on the kinetics and the thermodynamic properties of the chemical reaction. The motivation of this work is the use of coconut residue, improperly discarded in sanitary landfills, for the generation of energy and fuels. Raw coconut fiber has high carbon (46.5±0.2%), oxygen (43.1±0.0%), and volatile materials (79.61±2.1%) contents, and low ash content (2.90±0.4%). The biomass torrefaction was carried out in a fixed bed reactor (V=320 cm3). Through the application of an experimental design (central composite face-centered), the most suitable conditions were 225 ºC and 15 min. These results proved to be sufficient to cause slight changes in the mass loss lower than 18.0%, decreasing of 6.4% in volatile materials content and 5.0% in oxygen content, and increasing of 6.5% in fixed carbon content and 14.6% in higher and lower calorific values indicating the improvement energy of the material. The thermal decomposition of raw and torrefied coconut fiber was performed using a thermogravimetry (TG) and calorimetry (DSC) analyzer simultaneously in a nitrogen atmosphere, applying four heating rates (5-20 °C/min). The biomass torrefaction eliminated the hemicellulose partially. The pyrolysis kinetics was applied considering two reaction models. In the first model (global reaction), five isoconversional methods (Friedman, Ozawa-Flynn-Wall, modified Coats-Redfern, Starink, and Vyazovkin), master plots, and linearization were applied, resulting: global activation energies of 129.77 kJ/mol and 191.18 kJ/mol; pre-exponential factors of 1.45.108 1/s and 1.75.1013 1/s; and Jader (D3) and Ginstling-Brounshtein (D4) three-dimensional diffusion conversion functions, for raw and torrefied biomass, respectively. Due to the complexity of the biomass decomposition reaction, its conversion was quite-represented (DMP<3.9%), but it was not enough for the conversion rate (DMP<16.6%). The second model (multiple reactions), three independent parallel reactions scheme, was applied to describe the main pseudo-component (hemicellulose, cellulose, and lignin). This reaction model showed better agreement between the theoretical and experimental data of the conversion and conversion rate (DMP<3.0%), with the following kinetic parameters: activation energies of 79.1-196.3 kJ/mol, factors pre-exponentials logarithms (log A) of 3.1-15.0 1/s, volatilized fractions of 0.3-0.5, considering first and second reaction orders, for raw biomass. For torrefied biomass, the following modeling values were: activation energies of 45.4-203.2 kJ/mol, pre-exponential factor logarithms (log A) of 0.4-15.6 1/s, volatilized fractions of 0.13-0.53, considering the first-order reaction. In the experimental heat flow (QDSC) analysis, an expressive endothermic peak was observed in the dehydration stage, attributed to the water evaporation. The volatilization stage, characterized by exothermic peaks, was related to the hemicellulose and cellulose decompositions. From the biomass heat flows, the specific heat capacities were determined using three methods: ASTM E1269-11, modified ASTM E1269-11, and total solids method, among which the latter was the most suitable for its quantification. In addition, linear equations were proposed to predict cp (T) of raw and torrefied biomass and its char. The enthalpy of the reaction was estimated at 564.45 J/kg from the integration of the global heat flowDoutoradoEngenharia QuímicaDoutora em Engenharia QuímicaCNPQ142361/2016-0[s.n.]Tannous, Katia, 1962-Rueda-Ordóñez, Yesid JavierLuna, Carlos Manuel RomeroLisbôa, Antônio Carlos LuzCardoso, Cássia ReginaUniversidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia QuímicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASLopes, Fernanda Cristina Rezende, 1987-20222022-03-29T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (261 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/12203LOPES, Fernanda Cristina Rezende. Análises térmicas e cinética da pirólise lenta da fibra de coco e investigação dos efeitos da torrefação na decomposição térmica da biomassa. 2022. 1 recurso online (261 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/12203. 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