BR102020022444A2

BR102020022444A2 - Método de produção de biocombustíveis baseado em pirólise de biomassa de macrófitas

Info

Publication number: BR102020022444A2
Application number: BR102020022444-1A
Authority: BR
Inventors: Danielle Evangelista Vitalino Cardoso; Fernando Alves Ferreira; Junior Da Silva Camargo; Layssa Aline Okamura; Paulo Renato Dos Santos; Sonia Tomie Tanimoto
Original assignee: Senai-Serviço Nacional De Aprendizagem Industrial; Rio Parana Energia S.A.
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-05-17
Also published as: WO2022094682A1; DE112021004504T5; US20230383191A1; IL302145A; CN116406319A

Abstract

A presente invenção diz respeito a um método de produção de biocombustíveis, baseado em pirólise de biomassa de macrófitas, compreendendo as etapas de: pré-tratamento de biomassa, incluindo processos de secagem e trituração da biomassa, seguido da injeção de biomassa pré-tratada em um reator de pirólise; pirólise de biomassa em reator de pirólise; primeira separação de produtos; segunda separação de produtos; terceira separação de produtos; queima ou coleta de gases. Sendo que, dito método produz, pelo menos, quatro tipos distintos de produtos, incluindo: biocarvão, extrato pirolenhoso, alcatrão vegetal e gás de síntese; sendo que, o produto biocarvão é coletado na primeira separação de produtos através do uso de um ciclone, o produto extrato pirolenhoso é coletado na segunda separação de produtos através do uso de um condensador, o produto alcatrão vegetal é coletado na terceira separação de produtos através do uso de uma centrífuga, e o produto gás de síntese é coletado na etapa de queima ou coleta de gases. Adicionalmente, a produção de, pelo menos, um dos ditos produtos pode ser maximizada mediante um ajuste nos parâmetros de execução de, pelo menos, uma das citadas etapas.

Description

MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se insere no campo de tratamento de resíduos, particularmente no campo de tratamento de resíduos provenientes de reservatórios hídricos, tais como represas, barragens de usinas hidrelétricas, lagos entre outros. Em especial, a presente invenção se insere no campo de tratamento de resíduos compreendendo macrófitas aquáticas em reservatórios hídricos.

[002] Adicionalmente, a presente invenção se insere no campo de geração de energia através de pirólise, particularmente no campo de geração de energia por pirólise de biomassa de origem vegetal, em especial biomassa vegetal oriunda de macrófitas aquáticas.

[003] Adicionalmente, a presente invenção se insere no campo de produção de biocarvão e bio-óleos leves, que por sua vez podem ser utilizados em diversas indústrias, incluindo seu uso como matéria-prima para produção de outras moléculas de interesse mercadológico.

ESTADO DA TÉCNICA

[004] As macrófitas aquáticas são plantas que crescem em diversos biomas com abundância de água, podendo assumir a forma de planta anfíbia, emergente, submersa-fixa, submersa-livre, fixa-de-folha-flutuante, flutuante-livre e epífita. O crescimento excessivo de macrófitas pode afetar por completo espelhos d'água ou o fundo de reservatórios, comprometendo a navegação, pesca, recreação, dentre outras atividades. Adicionalmente, sua proliferação descontrolada cria condição propícia para o desenvolvimento de vetores de doenças de veiculação hídrica, além de prejudicar a geração de energia elétrica em usinas hidrelétricas por causar entupimento e encrostamento em hélices e turbinas. A fim de evitar tais malefícios, grandes volumes de recursos financeiros são continuamente direcionados para a remoção do excedente de macrófita, fazendo destas plantas um custo permanente em diversas indústrias.

[005] Existem hoje vários usos para a biomassa de macrófitas aquáticas, tal como biossorção, fitorremediação, produção de fitoquímica, fertilizantes, suplementos para peixes e biogás. No entanto, devido à alta taxa de reprodução das macrófitas aquáticas, uma parte significativa de sua biomassa ainda não tem uma destinação apropriada. Ademais, nenhuma das alternativas do estado da técnica é capaz de agregar valor a tal biomassa de forma eficiente.

[006] Em particular, o estado da técnica falha em antecipar soluções de processamento de biomassa de macrófitas pertencentes às espécies mais abundantes e relevantes, em particular àquelas que comumente crescem em ambientes tropicais, incluindo as espécies: Eichhornia crassipes, Salvinia auriculata, Nymphoides indica, Egeria najas, Thypha domingensis, Pistia stratiotes, Egeria densa, Ceratophyllum demersum, Hydrocotyle ranunculoides, Hydrilla verticillata, Azolla filiculoides, Ipomoea carnea, Polygonum hispidium, Polygonum ferrugineum, Urochloa arrecta, Eichhornia azurea, Myriophyllum aquaticum.

[007] Uma das alternativas que têm sido exploradas na agregação de valor aos resíduos vegetais é o método de pirólise, que consiste basicamente na degradação térmica dos referidos resíduos na ausência total ou parcial de oxigênio, dando origem a produtos líquidos, sólidos e gasosos. Apesar de ser uma alternativa interessante, os processos de pirólise ainda não foram aplicados de forma eficaz para a biomassa de macrófitas, incluindo as espécies citadas acima. Ademais, os processos de pirólise são geralmente estruturados para produzir de modo otimizado apenas um tipo de produto específico, o que os torna incapazes de adaptar sua produção para atender às flutuações de demandas de mercado.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[008] Tendo em vista os problemas técnicos do estado da arte, a presente invenção visa fornecer uma solução que simultaneamente permita a destinação de resíduos de macrófitas de reservatórios hídricos e a agregação de valor a tais resíduos pela produção de biocombustíveis e outros produtos de interesse mercadológico via pirólise da biomassa de macrófita.

[009] Adicionalmente, a presente invenção objetiva fornecer um método de produção de biocombustíveis que possa rapidamente pivotar sua produção visando a maximização de, pelo menos, um produto específico, ou seja, um processo que possa facilmente, através da simples ajustes, redirecionar sua produção para atender às flutuantes demandas de mercado.

[010] Segundo configuração alternativa da presente invenção, esta pretende fornecer um método de produção de biocombustíveis baseado em pirólise de biomassa de macrófitas, sendo que dita biomassa é oriunda de, pelo menos, uma das seguintes espécies: Eichhornia crassipes, Salvinia auriculata, Nymphoides indica, Egeria najas, Thypha domingensis, Pistia stratiotes, Egeria densa, Ceratophyllum demersum, Hydrocotyle ranunculoides, Hydrilla verticillata, Azolla filiculoides, Ipomoea carnea, Polygonum hispidium, Polygonum ferrugineum, Urochloa arrecta, Eichhornia azurea, Myriophyllum aquaticum, ou qualquer combinação das mesmas.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[011] A presente invenção diz respeito a um método de produção de biocombustíveis baseado em pirólise de biomassa de macrófitas compreendendo as etapas de:

- pré-tratamento de biomassa, incluindo processos de secagem e trituração da biomassa, seguido da injeção de biomassa pré-tratada em um reator de pirólise;
- pirólise de biomassa em reator de pirólise;
- primeira separação de produtos;
- segunda separação de produtos;
- terceira separação de produtos;
- queima ou coleta de gases;

sendo que, um primeiro produto do tipo biocarvão é coletado na primeira separação de produtos através do uso de um ciclone; um segundo produto do tipo extrato pirolenhoso é coletado na segunda separação de produtos através do uso de um condensador; um terceiro produto do tipo alcatrão vegetal é coletado na terceira separação de produtos através do uso de uma centrífuga; e um quarto produto do tipo gás de síntese é coletado na etapa de queima ou coleta de gases.
Devendo-se considerar ainda que, a produção de, pelo menos, um dos ditos produtos pode ser maximizada mediante um ajuste nos parâmetros de execução de, pelo menos, uma das etapas.

[012] Segundo configuração alternativa da presente invenção, os produtos resultantes de dito método são submetidos a processos de melhoramento através de processos de hidrodesoxigenação utilizando catalisadores à base de níquel e molibdênio ou cobalto e molibdênio suportados em alumina, sendo que tipo processo de melhoramento promove a remoção de oxigênio do produto.

[013] Segundo outra configuração alternativa da presente invenção, os produtos resultantes de dito método são submetidos a processos de melhoramento através de craqueamento catalisado com zeólitas resultando na remoção de oxigênio do produto na forma de dióxido de carbono.

[014] De acordo com presente invenção, a maximização do produto alcatrão vegetal compreende a realização de ajustes na injeção de biomassa em um reator de pirólise seguindo os parâmetros:

- razão biomassa/ar de 0,2-0,8;
- velocidade de injeção de biomassa de 3-15 kg/h.

ou ainda, pelo ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise de 150-650°C.

[015] Adicionalmente, a maximização do produto extrato pirolenhoso compreende a realização de ajustes na injeção de biomassa em um reator de pirólise seguindo os parâmetros:

- razão biomassa/ar de 0,1-0,3;
- velocidade de injeção de biomassa de 1-10 kg/h.

ou ainda, pelo ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise de 150-450°C.

[016] Ademais, a maximização do produto biocarvão compreende o ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise para 120-350°C.

[017] Adicionalmente, a maximização do produto gás de síntese compreende o ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise para 700-1000°C.

[018] Segundo configuração alternativa da presente invenção, a biomassa de macrófita é proveniente de, pelo menos, uma das seguintes espécies: Eichhornia crassipes, Salvinia auriculata, Nymphoides indica, Egeria najas, Thypha domingensis, Pistia stratiotes, Egeria densa, Ceratophyllum demersum, Hydrocotyle ranunculoides, Hydrilla verticillata, Azolla filiculoides, Ipomoea carnea, Polygonum hispidium, Polygonum ferrugineum, Urochloa arrecta, Eichhornia azurea, Myriophyllum aquatic; ou ainda qualquer combinação destas.

[019] Segundo outra configuração alternativa da presente invenção, o produto extrato pirolenhoso possui umidade de 55-80%, pH de 1-5, densidade de 1-1,5 kg/L e índice de acidez de 0,001-0,01 mg KOH/mg.

[020] De acordo com ainda outra configuração alternativa da presente invenção, o produto alcatrão vegetal apresenta em sua composição: 31-84% de carbono; 1-7% de hidrogênio; 12-72% de oxigênio; e 12-72% de nitrogênio. Sendo que, dito extrato pirolenhoso apresenta poder calorífico superior de 30-36 MJ/kg.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[021] As figuras apresentadas pelo presente documento devem ser interpretadas meramente como configurações ilustrativas, não devendo ser entendidas com limitações das configurações da presente invenção.

[022] Figura 1 - Fluxograma ilustrativo dos equipamentos envolvidos na execução do método de produção de biocombustíveis segundo configuração preferencial da presente invenção.

[023] Figura 2 - Fluxograma ilustrativo das etapas de execução e produtos coletados do método de produção de biocombustíveis segundo configuração preferencial da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[024] A presente invenção diz respeito a um método de produção de biocombustíveis baseado em pirólise de biomassa de macrófitas. Segundo o método em questão, a biomassa é inicialmente submetida a um pré-tratamento 20 para que possa ser adequada para os processos subsequentes, em particular, para se adequar à etapa de pirólise 21. Após receber pré-tratamento, a biomassa de macrófita é injetada no reator 2 com auxílio de uma rosca de injeção 1, dita injeção se dando preferencialmente pela porção inferior do reator 2. Após a injeção da biomassa, é iniciada a etapa de pirólise de biomassa 21, seguindo parâmetros pré-determinados de duração, temperatura, rampa de aquecimento, dentre outros. Durante a etapa de pirólise é formada uma pluralidade de produtos, incluindo diversos biocombustíveis, sendo estes, em seguida, submetidos a sucessivas etapas de separação. Uma vez terminada a etapa de pirólise de biomassa de macrófitas, os produtos resultantes são submetidos a uma primeira separação 22, realizada por meio de um equipamento do tipo ciclone 4. Nessa primeira etapa, é separada uma primeira fase sólida que corresponde ao produto biocarvão 31, sendo esse produto coletado e armazenado em um primeiro recipiente 5. Em seguida, a porção não coletada no recipiente 5 é direcionada a uma segunda separação 23, realizada por meio de um condensador 6. Nessa segunda etapa, é separada uma primeira fração de condensação correspondendo ao produto extrato pirolenhoso 32, sendo este produto coletado e armazenado em um segundo recipiente 7. De forma semelhante, a porção não coletada nas etapas anteriores é direcionada para uma terceira separação 24, realizada por meio de uma centrífuga 8. Nessa etapa, é separada uma fase correspondendo ao produto alcatrão vegetal 33, sendo este produto coletado e armazenado em um terceiro recipiente 9. Por fim, a porção não coletada nas etapas anteriores, consistindo basicamente de gases e vapores não condensáveis, é destinada a uma etapa de queima ou coleta de gases 25. Nessa etapa, o gás pode ser queimado, sendo posteriormente liberado, ou pode ter parte ou o todo de seus componentes coletados e armazenados em um quarto recipiente 11, correspondendo ao produto gás de síntese 34.

[025] Segundo configuração preferencial da presente invenção, a etapa de pré-tratamento 20 envolve uma primeira secagem da biomassa, seguida de uma trituração da biomassa e de uma secagem final. A primeira secagem é preferencialmente feita ao ar livre até que a biomassa apresente umidade abaixo de 40%, preferencialmente abaixo de 25%, ainda mais preferencialmente abaixo de 20%. A trituração da biomassa seca, resultante da primeira etapa de secagem, deve ser conduzida de modo a gerar um produto com granulometria de 0,1-5 mm, preferencialmente 1-5 mm, ainda mais preferencialmente 2-5 mm. A etapa de trituração pode ser conduzida por quaisquer meios e equipamentos desde que obedecidos os parâmetros de granulometria conforme especificado. Uma vez adequadamente triturada, a biomassa é submetida a uma segunda secagem até que seu teor de umidade fique abaixo de 18%. É importante ressaltar que, para a produção de quaisquer produtos, a matéria-prima deve estar isenta de impurezas e apresentar teores de cinzas abaixo de 3%. Adicionalmente, para que sejam alcançados melhores rendimentos na produção dos diferentes produtos através de pirólise, a biomassa deve apresentar teor de volátil de >50%, carbono fixo de <25% e de lignina >10%. Cumpridas tais condições, a etapa de pré-tratamento se encontra finalizada e a biomassa está pronta para ser injetada em um reator 2 para realização da pirólise.

[026] A injeção de biomassa resultante do pré-tratamento 20 em um reator 2 é realizada, preferencialmente, pela parte inferior de dito reator 2. A injeção é conduzida com o auxílio de uma rosca de injeção 1, de acordo com uma razão específica de biomassa/ar, sendo o ar fornecido por um compressor de ar 3. A injeção de biomassa é também executada segundo uma velocidade de injeção de biomassa, que corresponde à quantidade de biomassa injetada por hora (Kg/h). Para que se alcance a maximização de produção de cada produto específico, é necessário ajustar as condições de injeção de biomassa conforme descrito mais adiante. Vale ressaltar que, a velocidade de injeção de biomassa deve ser sempre compatível com a razão biomassa/ar específica para a maximização de produção de cada produto.

[027] Após injeção da biomassa, se dá início à etapa de pirólise de biomassa 21. A pirólise 21 é executada segundo um intervalo de temperatura pré-definido específico de produto cuja produção se deseja maximizar. A pirólise de biomassa 21 é realizada em reator de pirólise 2, tendo duração de 2-15s, preferencialmente de 2-10s, ainda mais preferencialmente de 2-5s. Nessa etapa, os diferentes tipos de produtos são formados por meio de decomposição térmica, incluindo biocarvão 31, extrato pirolenhoso 32, alcatrão vegetal 33 e gás de síntese 34. No entanto, tais produtos se encontram ainda misturados, se fazendo necessárias sucessivas etapas de separação, conforme descrito a seguir.

[028] Segundo configuração preferencial da presente invenção, dito reator 2 é, preferencialmente, do tipo reator de leito fluidizado. Segundo configuração alternativa, dito reator 2 pode ser de qualquer um dos seguintes tipos: reator de leito fluidizado borbulhante, reator de leito fluidizado circular, reator de leito fixo ou reator de leito rotativo. O método descrito pela presente invenção pode ser realizado com qualquer um dos tipos de reatores mencionados, desde que as condições de injeção de biomassa, temperatura e duração de pirólise de biomassa, entre outras condições determinantes na produção dos produtos, sejam respeitadas. Segundo configuração alternativa, o reator 2 é um reator de leito fluidizado da marca Bioware.

[029] Após realizada a pirólise de biomassa 21 em um reator 2, os produtos da pirólise são submetidos a uma primeira separação 22, executava por meio de um equipamento do tipo ciclone 4. Preferencialmente, a execução da primeira separação 22 deve ser realizada na faixa de temperatura de 300-450°C. Esta primeira separação 22 por meio de ciclone 4 permite a separação de uma fase sólida e uma fase gasosa. Uma vez separadas, a fase sólida é coletada e armazenada em um primeiro recipiente 5. Dita fase sólida corresponde ao produto biocarvão 31.

[030] O material não coletado em recipiente 5 é então direcionado para uma segunda separação 23, executada por meio de um condensador 6. Segundo configuração preferencial da presente invenção, dito condensador 6 deve operar, preferencialmente, na faixa de temperatura de 20-35°C, não devendo ultrapassar os 35°C. Ao entrar no condensador, os gases e vapores começam a condensar permitindo a separação de produtos. A primeira fase de condensação é coletada e armazenada em um segundo recipiente 7, enquanto os demais produtos seguem para a próxima etapa de separação. A primeira fase de condensação armazenada no segundo recipiente 7 correspondo ao produto extrato pirolenhoso 32.

[031] O produto não coletado nas demais etapas segue para uma terceira separação 24, executada com auxílio de uma centrífuga 8. Segundo uma configuração preferencial da presente invenção, dita centrífuga opera em uma frequência de 15-45 Hertz, preferencialmente 20-45 Hertz, ainda mais preferencialmente em uma frequência de 3545 Hertz. Uma vez na centrífuga, as neblinas começam a ser separadas por efeito combinado da coalescência e impacto, possibilitando a separação e coleta de uma fração, que é então subsequentemente armazenada em um terceiro recipiente 9. A fração armazenada em um terceiro recipiente 9 corresponde ao produto alcatrão vegetal 33.

[032] Os produtos restantes, que consistem basicamente em vapores não condensáveis, são então direcionados para a última etapa do processo, a etapa de queima ou coleta de gases 25. Nesta etapa, como explicita o próprio nome, os produtos remanescentes poderão ser queimados em um queimador de gás 10 ou coletados e armazenados em um quarto recipiente 11, sendo que, dito produto armazenado em um quaro recipiente 11 corresponde ao produto gás de síntese 34. O gás de síntese 34 armazenado em um quarto recipiente 11 pode corresponder à totalidade ou apenas parte dos produtos não coletados na etapas anteriores. Os produtos não coletados e armazenados em um recipiente 11 são todos destinados à queima em um queimador de gases 10, podendo o produto da queima ser destinado à etapa de liberação 26 para a atmosfera.

[033] Segundo configuração preferencial da presente invenção, o método de produção de biocombustíveis baseado em pirólise de biomassa de macrófitas é um processo de produção adaptável, capaz de alterar seu fluxo de produção visando maximizar a produção de, pelo menos, um de seus produtos separadamente, dentre os quais se incluem os produtos: biocarvão 31, extrato pirolenhoso 32, alcatrão vegetal 33 e gás de síntese 34. Alternativamente, o presente de produção de biocombustíveis baseado em pirólise de biomassa de macrófitas é capaz de maximizar a produção de, pelo menos, dois de seus produtos simultaneamente, dentre os quais se incluem: biocarvão 31, extrato pirolenhoso 32, alcatrão vegetal 33 e gás de síntese 34.

[034] Segundo a presente invenção, a maximização da produção de alcatrão vegetal 33 é alcançada realizando, pelo menos, um dos seguintes ajustes:

-a razão biomassa/ar de injeção no reator 2 deve ser de 0,2-0,9, preferivelmente 0,5-0,9
-a velocidade de injeção de biomassa em reator 2 deve ser de 10-25 kg/h, preferencialmente 10-20 kg/h, ainda mais preferencialmente 10-15 kg/h;
-a temperatura de realização de pirólise de biomassa 21 deve ser de 460-650°C, preferencialmente 460-650°C, ainda mais preferencialmente 460-550°C.

[035] Segundo a presente invenção, a maximização da produção de extrato pirolenhoso 32 é alcançada realizando, pelo menos, um dos seguintes ajustes:

-a razão biomassa/ar de injeção no reator 2 deve ser de 0,1-0,4, preferencialmente 0,10,3;
-a velocidade de injeção de biomassa em reator 2 deve ser de 1-9 kg/h, preferencialmente 1-7 kg/h, ainda mais preferencialmente 1-5 kg/h;
-a temperatura de realização de pirólise de biomassa 21 deve ser de 310-450°C, preferencialmente 325-450°C, ainda mais preferencialmente 350-450°C.

[036] Segundo a presente invenção, a maximização da produção de biocarvão 31 é alcançada realizando pelo menos um dos seguintes ajustes:

-a temperatura de realização de pirólise de biomassa 21 deve ser de 120-300°C, preferencialmente 150-300°C, ainda mais preferencialmente 200-300°C.

[037] Segundo a presente invenção, a maximização da produção de gás de síntese 34 é alcançada realizando pelo menos um dos seguintes ajustes:

-a temperatura de realização de pirólise de biomassa 21 deve ser de 700-1000°C, preferencialmente 660-950°C, ainda mais preferencialmente 660-900°C.

[038] De acordo com uma configuração alternativa da presente invenção, o método de produção de biocombustíveis baseado em pirólise é executado com biomassa proveniente de macrófitas pertencentes a pelo menos uma das seguintes espécies: Eichhornia crassipes, Salvinia auriculata, Nymphoides indica, Egeria najas, Thypha domingensis, Pistia stratiotes, Egeria densa, Ceratophyllum demersum, Hydrocotyle ranunculoides, Hydrilla verticillata, Azolla filiculoides, Ipomoea carnea, Polygonum hispidium, Polygonum ferrugineum, Urochloa arrecta, Eichhornia azurea, Myriophyllum aquaticum. Alternativamente, dito método pode ser executado com biomassa proveniente de qualquer combinação das espécies de macrófitas citadas. O método descrito é capaz de produzir produtos finais com características fisico-químicas substancialmente homogêneas entre diferentes lotes de produção, independente da composição de biomassa de macrófitas que se utilize para produzir cada lote. Ou seja, presente invenção oferece uma via robusta de produção de biocombustíveis a partir de biomassa de macrófita.

[039] Segundo a presente invenção, o extrato pirolenhoso 32 coletado em um segundo recipiente 7 possui densidade e umidade superiores e índice de acidez inferior em comparação com o óleo combustível oriundo do petróleo. Mais especificamente, o extrato pirolenhoso 32 produzido pela presente invenção apresenta umidade de 55-80%, pH de 1-6, preferencialmente 4-6, densidade de 1-1,5 e índice de acidez de 0,0001-0,5 mgKOH/mg, preferencialmente 0,01-0,05 mgKOH/mg. Vale ressaltar que, a densidade do extrato pirolenhoso 32, conforme revelado, o torna ideal para aplicação como biocombustível, pois não é demasiadamente alta a ponto de causar entupimento de bicos de injeção, nem excessivamente baixa a ponto de reduzir a eficiência de sua queima em câmeras de combustão. Adicionalmente, dito extrato possui índice de acidez otimizado, de modo que este não causa corrosões ácidas dos componentes metálicas de um motor de combustão, o que prejudicaria enormemente o funcionamento e longevidade do motor. Ademais, dito índice de acidez otimizado provê maior estabilidade térmica ao extrato pirolenhoso 32, melhorando seu desempenho de queima em câmeras de combustão.

[040] Segundo a presente invenção, o alcatrão vegetal 33 produzido pela presente invenção e coletado em um terceiro recipiente 9 apresenta em sua composição (% peso): 31-84% de carbono, 1-7% de hidrogênio, 12-72% de oxigênio, 12-72% de nitrogênio. Adicionalmente, dito alcatrão vegetal 33 apresenta poder calorífico superior de 30-36 MJ/kg. A composição especificada para o alcatrão vegetal, sendo este resultante da presente invenção, apresenta elevados teores de hidrogênio e oxigênio, o que lhe confere um poder calorífico superior ao alcatrão vegetal tradicional. Isso pois, maiores teores de hidrogênio e oxigênio implicam em um maior número de ligações moleculares entre átomos de carbono-hidrogênio e carbono-oxigênio, cuja energia de ligação é superior a ligação carbono-carbono, estas mais abundantes em alcatrão vegetal tradicional.

[041] Segundo outra configuração alternativa da presente invenção, os produtos obtidos no método acima descrito podem ser submetidos a processos de melhoramento, visando a otimização de suas características para seu uso como biocombustível. Em particular, os produtos classificados como bio-óleo, o que inclui o alcatrão vegetal e extrato pirolenhoso, são os produtos preferencialmente submetidos a tais processos de melhoramento. Ditos processos incluem: processo de catálise química que visam a remoção de oxigênio do bio-óleo, de modo a dar-lhe maior estabilidade.

[042] Segundo mesma configuração, o melhoramento de bio-óleo é realizado por meio de um processo de hidrodesoxigenação. Tal processo é realizado sob alta pressão e temperatura moderada, sendo o oxigênio removido na forma de água ou dióxido de carbono. A remoção de oxigênio é otimizada pela presença de catalisadores à base de níquel e molibdênio e/ou à base de cobalto e molibdênio, suportados em alumina.

[043] Alternativamente, o melhoramento é realizado por processo de craqueamento catalisado por zeólitas. Neste processo, a remoção do oxigênio do bio-óleo é feita sob forma de emissão de dióxido de carbono na presença de um catalisador de zeólita.

[044] No âmbito da presente invenção, pelo termo "pirólise" se deseja indicar: uma conversão termoquímica, podendo ser descrita como uma degradação térmica na ausência total ou parcial de oxigênio, dando origem a produtos líquidos, sólidos e gasosos. Os principais parâmetros que influenciam o processo de pirólise são: temperatura de permanência, tempo de residência, taxa de aquecimento, pressão, propriedades da biomassa e tamanho da partícula.

[045] No âmbito da presente invenção, pelo termo "biocarvão" se deseja indicar: um produto sólido gerado no processo de pirólise, sendo o carbono o composto predominante, correspondendo a cerca de 85%, enquanto o oxigênio e o hidrogênio estão presentes em pequenas quantidades. Devido ao baixo teor de oxigênio, o poder calorífico inferior do biocarvão pode chegar a 32 Mj/ kg, sendo mais alto em comparação com o da biomassa ou do bio-óleo. O biocarvão pode ser empregado no condicionamento do solo, controle de umidade, remoção de contaminantes, fixação de carbono, na geração de energia e como fertilizante.

[046] No âmbito da presente invenção, pelo termo "bio-óleo" se deseja indicar: uma mistura complexa de compostos orgânicos altamente oxigenados, tais como fenóis, compostos nitrogenados, ácidos carboxílicos, hidrocarbonetos, açúcares, com elevado teor de água e uma densidade superior àquela dos óleos combustíveis. Tais compostos são formados pelos processos de despolimerização e fragmentação da lignina, celulose e hemicelulose. O bio-óleo também é conhecido por óleo de pirólise, bio-petróleo bruto, líquido de madeira, líquido de fumo, destilado de madeira, ácido pirolenhoso, extrato pirolenhoso, madeira líquida, ácido de alcatrão e alcatrão vegetal.

[047] No âmbito da presente invenção, pelo termo "extrato pirolenhoso" se deseja indicar: uma fração de menor densidade de um bio-óleo produzido por pirólise de biomassa vegetal.

[048] No âmbito da presente invenção, pelo termo "alcatrão vegetal" se deseja indicar: uma fração de maior densidade de um bio-óleo produzido por pirólise de biomassa vegetal.

[049] No âmbito da presente invenção, pelo termo "gás de síntese" se deseja indicar: uma mistura de gases, geralmente de difícil condensação, contendo proporções variáveis dos gases monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), traços de enxofre (S), outros hidrocarbonetos leves impurezas.

[050] No âmbito da presente invenção, pelo termo "poder calorífico superior" se deseja indicar: a quantidade de energia por unidade de massa (ou de volume, no caso dos gases) liberada na oxidação de um determinado combustível, dada pela soma da energia liberada na forma de calor e da energia gasta na vaporização da água que se forma.

[051] No âmbito da presente invenção, pelo termo "poder calorífico inferior" se deseja indicar: a quantidade de energia por unidade de massa (ou de volume, no caso dos gases) liberada na oxidação de um determinado combustível, dada pela energia liberada na forma de calor.

[052] A invenção aqui descrita oferece uma rota alternativa e mais ambientalmente amigável para a produção de combustíveis, pois não colabora com a extração e emissão de carbono subterrâneo (petróleo) na atmosfera. Adicionalmente, a presente invenção é capaz de agregar valor à biomassa, sendo uma alternativa não somente de destinação de resíduos, mas também se configurando como uma potencial fonte de faturamento.

[053] Comparada com as demais soluções do estado da técnica, a presente invenção apresenta ainda a vantagem de contar com um processo adaptável, capaz de ter sua produção rapidamente pivotada para a maximização de, pelo menos, um produto específico, sendo tal pivotamento realizado mediante simples alterações dos parâmetros relativos à injeção de biomassa no reator, temperatura de pirólise, dentre outros. Devido à sua adaptabilidade, a presente invenção consegue se adequar dinamicamente às sempre flutuantes demandas do mercado energético e de óleo e gás, sendo uma alternativa altamente inédita e inventiva.

[054] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que, o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:
- - pré-tratamento de biomassa (20), incluindo processos de secagem e trituração da biomassa, seguido da injeção de biomassa pré-tratada em um reator de pirólise (2);
- - pirólise de biomassa (21) em reator de pirólise (2);
- - primeira separação de produtos (22) ;
- - segunda separação de produtos (23);
- - terceira separação de produtos (24);
- - queima ou coleta de gases (25);
sendo que, um primeiro produto do tipo biocarvão (31) é coletado na primeira separação de produtos (22) através do uso de um ciclone (4);
sendo que, um segundo produto do tipo extrato pirolenhoso (32) é coletado na segunda separação de produtos (23) através do uso de um condensador (6);
sendo que, um terceiro produto do tipo alcatrão vegetal (33) é coletado na terceira separação de produtos (24) através do uso de uma centrífuga (8); e
sendo que, um quarto produto do tipo gás de síntese (34) é coletado na etapa de queima ou coleta de gases (25);
sendo que, a produção de, pelo menos, um dos ditos produtos (31, 32, 33, 34) pode ser maximizada mediante um ajuste nos parâmetros de execução de, pelo menos, uma das etapas (20, 21, 22, 23, 24, 25).
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que os produtos resultantes de dito método são submetidos a processos de melhoramento através de processo de hidrodesoxigenação utilizando catalisadores à base de níquel e molibdênio ou cobalto e molibdênio, suportados em alumina.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que os produtos resultantes de dito método são submetidos a processos de melhoramento através de craqueamento catalisado com zeólitas.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3 caraterizado pelo fato de que a maximização do produto alcatrão vegetal (33) compreende a realização de ajustes na injeção de biomassa em um reator de pirólise (2) seguindo os parâmetros:
- - razão biomassa/ar de 0,5-0,9;
- - velocidade de injeção de biomassa de 10-15 kg/h.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3 caraterizado pelo fato de que a maximização do produto alcatrão vegetal (33) compreende o ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise (21) para 460-650°C.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3 caraterizado pelo fato de que a maximização do produto extrato pirolenhoso (32) compreende a realização de ajustes na injeção de biomassa em um reator de pirólise (2) seguindo os parâmetros:
- - razão biomassa/ar de 0,1-0,4;
- - quantidade de biomassa injetada por tempo de 1-9 kg/h.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3 caraterizado pelo fato de que a maximização do produto extrato pirolenhoso (32) compreende o ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise (21) para 310-450°C.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3 caraterizado pelo fato de que a maximização do produto biocarvão (31) compreende o ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise (21) para 120-300°C.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3 caraterizado pelo fato de que a maximização do produto gás de síntese (34) compreende o ajuste da temperatura de realização da etapa de pirólise (21) para 660-900°C.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações acima caracterizado pelo fato de que a biomassa de macrófita é proveniente de, pelo menos, uma das seguintes espécies: Eichhornia crassipes, Salvinia auriculata, Nymphoides indica, Egeria najas, Thypha domingensis, Pistia stratiotes, Egeria densa, Ceratophyllum demersum, Hydrocotyle ranunculoides, Hydrilla verticillata, Azolla filiculoides, Ipomoea carnea, Polygonum hispidium, Polygonum ferrugineum, Urochloa arrecta, Eichhornia azurea, Myriophyllum aquatic; ou ainda qualquer combinação destas.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações acima caracterizado pelo fato de que o produto extrato pirolenhoso (32) possui umidade de 55-80%, pH de 4-6, densidade de 1-1,5 kg/L e índice de acidez de 0,01-0,05 mg KOH/mg.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações acima caracterizado pelo fato de que o produto alcatrão vegetal (33) apresenta em sua composição: 31-84% de carbono; 1-7% de hidrogênio; 12-72% de oxigênio; e 12-72% de nitrogênio.
MÉTODO DE PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS BASEADO EM PIRÓLISE DE BIOMASSA DE MACRÓFITAS de acordo com qualquer uma das reivindicações acima caracterizado pelo fato de que o produto alcatrão vegetal (33) apresenta poder calorífico superior de 30-36 MJ/kg.