BR112020011698A2 - briquetes de biomassa torrefada e métodos relacionados - Google Patents
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Abstract
O objeto atualmente divulgado refere-se a briquetes de biomassa torrefada e métodos para produzir os mesmos que fazem uso de uma mistura de material levemente torrefado (LTM) e material altamente torrefado (HTM) e/ou fazem uso de materiais torrefados que são submetidos a um pré-tratamento de hidrólise antes de serem torrefados.
Description
[001] Este pedido é baseado em e reivindica prioridade ao Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos da América N° de Série 62/597.542, depositado em 12 de dezembro de 2017, cuja divulgação é incorporada nesse documento por referência na sua totalidade.
[002] O objeto atualmente divulgado refere-se geralmente à densificação de biomassa torrefada e métodos relacionados. Em particular, certas modalidades do objeto atualmente divulgado referem-se a briquetes de biomassa torrefada e métodos para produzir os mesmos que fazem uso de uma mistura de material levemente torrefado (LTM) e material altamente torrefado (HTM) e/ou fazem uso de materiais torrefados que são submetidos a um pré-tratamento por hidrólise antes de serem torrefados.
[003] O carvão tem sido historicamente o combustível básico para a geração de energia nos Estados Unidos devido à sua abundância, alto valor de aquecimento e relativamente baixos custos de processamento. Até recentemente, aproximadamente 40% de toda a energia gerada nos Estados Unidos era produzida por carvão e o recente declínio foi atribuído ao menor custo do gás natural e às regulamentações ambientais. Esses regulamentos têm sido geralmente rígidos no carvão devido à sua composição química e à tendência de liberar produtos nocivos ao meio ambiente, incluindo enxofre, mercúrio, NOx, SOx e gases de efeito estufa (CO, CO2 e semelhantes). Esses e o material particulado liberado pela fumaça do carvão foram prejudiciais à saúde das populações humanas e animais em áreas, instigando altos níveis de poluição atmosférica e material particulado ultrafino. A mineração também afeta negativamente a saúde dos envolvidos em seu processamento. A doença do pulmão negro, entre outras complicações respiratórias, diminuiu a expectativa de vida média dos mineiros de carvão devido à constante exposição ao pó de carvão e às condições de mineração. A mineração também é um dos principais contribuintes para a destruição ambiental, causando erosão do solo e danos ao ecossistema que impedem que plantas e animais prosperem nas áreas afetadas, mesmo quando as minas são seladas. De modo a ajudar a combater os efeitos prejudiciais do carvão, devem ser encontradas alternativas que garantam um futuro energético seguro e saudável.
[004] Em vez de uma produção líquida positiva de carbono, o dióxido de carbono resultante da queima de biomassa é recuperado pelas plantas que são cultivadas para uso futuro como combustível. O uso de biomassa também elimina a exposição ao enxofre e ao mercúrio devido à falta dos referidos produtos químicos na matéria de planta. No entanto, a densidade energética da biomassa em comparação com a do carvão é consideravelmente menor, aproximadamente 37 MJ/kg para carvão antracito e 17-21 MJ/kg para biomassa (em base seca). Isso resulta em operações de usinas de energia maiores e, portanto, mais caras. A biomassa também tende a ter uma baixa densidade física e alto teor de umidade, fazendo com que os volumes necessários para abastecer residências e cidades aumentem drasticamente em comparação com o carvão. A movimentação desses grandes volumes da fazenda para a usina de energia gera uma desvantagem econômica, pois os custos de transporte aumentam proporcionalmente com o referido aumento de volume. Além disso, as usinas de energia precisariam ser reusinadas para queimar eficazmente a biomassa, pois a eficiência da trituração do material, a durabilidade das fibras, e a tendência da biomassa de se manter na água afetam o valor do aquecimento e os métodos de processamento. Além disso, a biomassa pode conter cinzas que podem levar a incrustação e é problemática em unidades de combustão em uma usina de geração de energia.
[005] Assim, a biomassa é um combustível renovável com potencial para desempenhar um papel significativo como fonte de energia renovável. No entanto, seu uso é limitado devido às más características de baixa densidade de energia e baixa hidrofobicidade, o que cria problemas especialmente na manipulação e no armazenamento em comparação com o carvão, que ainda é o combustível sólido dominante na geração de eletricidade e calor. Tecnologias (tal como torrefação da biomassa) foram assim investigadas para pré-tratar ou atualizar a biomassa, em um esforço para superar suas limitações e aumentar seu potencial como substituto do carvão.
[006] Após a torrefação, a biomassa perde sua capacidade de ligação. Portanto, um desafio da torrefação é ser capaz de manter a capacidade de ligação para a densificação da biomassa torrefada. A densificação da biomassa torrefada em briquetes ajudaria a reduzir os desafios associados ao transporte, ao armazenamento e à manipulação em usinas a carvão. Atualmente, a densificação tipicamente requer o uso de um aglutinante externo para tornar os briquetes hidrofóbicos, duráveis e transportáveis. No entanto, os aglutinantes e a infraestrutura associada para os aglutinantes aumentam significativamente os custos de produção de briquetes torrefados. Portanto, é necessário eliminar o uso de aglutinantes, de modo que o custo de produção dos briquetes seja reduzido, mantendo a hidrofobicidade, durabilidade e transportabilidade dos briquetes. Também é necessário aumentar a viabilidade econômica geral do uso de biomassa torrefada para produzir uma alternativa ao carvão.
[007] Este sumário lista várias modalidades do objeto atualmente divulgado e, em muitos casos, lista variações e permutações dessas modalidades. Este sumário é meramente exemplar das inúmeras e variadas modalidades. A menção de uma ou mais características representativas de uma determinada modalidade é igualmente exemplificativa. Tal modalidade pode tipicamente existir com ou sem a(s) característica(s) mencionada(s); da mesma forma, essas características podem ser aplicadas a outras modalidades do objeto atualmente divulgado, listadas nesse sumário ou não. Para evitar repetições excessivas, este Sumário não lista nem sugere todas as combinações possíveis dessas características.
[008] Um briquete de biomassa torrefada é fornecido de acordo com o objeto atualmente divulgado. Em algumas modalidades, o briquete de biomassa torrefada compreende: (a) cerca de 10% a cerca de 95% de um material altamente torrefado (HTM) e cerca de 5% a cerca de 90% de um material levemente torrefado (LTM); (b) uma biomassa hidrolisada com ácido torrefada tendo um perfil de FTIR compreendendo uma ou mais de funcionalidades reduzidas de oxigênio em comparação com a biomassa não submetida à hidrólise ácida; ou (c) uma combinação de (a) e (b). Em algumas modalidades, antes da densificação, o HTM e o LTM têm um teor de umidade combinado de cerca de 7% a cerca de 15%. Em algumas modalidades, após a densificação, o briquete tem um teor de umidade de cerca de 3% a cerca de 10%.
[009] Em algumas modalidades, o briquete exibe ligação à base de lignina in situ e está livre de um aglutinante adicionado. Em algumas modalidades, o briquete tem uma densidade na faixa de cerca de 1 a cerca de 1,5 g/cm3. Em algumas modalidades, o briquete tem um valor de índice de durabilidade de cerca de 5% a mais de cerca de 93%. Em algumas modalidades, a hidrofobicidade do briquete é aumentada em relação a um briquete incluindo apenas LTM. Em algumas modalidades, o briquete tem um valor calorífico de cerca de 8.000 BTU/lb (1 lb = 0,45 kg) a cerca de 10.000 BTU/lb (1 lb = 0,45 kg).
[0010] Um método para produzir um briquete de biomassa torrefada é fornecido de acordo com o objeto atualmente divulgado. Em algumas modalidades, o método compreende a produção de uma mistura compreendendo cerca de 10% a cerca de 95% de um material altamente torrefado (HTM) e cerca de 5% a cerca de 90% de um material levemente torrefado (LTM); pré-aquecer a mistura a uma temperatura predeterminada; e comprimir e aquecer simultaneamente a mistura. Em algumas modalidades, antes da compressão e do aquecimento, o HTM e o LTM têm um teor de umidade combinado de cerca de 7% a cerca de 15%. Em algumas modalidades, subsequentes à compressão e ao aquecimento, o briquete tem um teor de umidade de cerca de 3% a cerca de 10%.
[0011] Em algumas modalidades, a mistura é pré-aquecida a uma temperatura de cerca de 40 ºC a cerca de 80 ºC. Em algumas modalidades, o método compreende adicionalmente o ajuste do teor de umidade da mistura antes da compressão. Em algumas modalidades, o aquecimento da mistura compreende aquecer a mistura em uma matriz a uma temperatura de cerca de 200 ºC a cerca de 250 ºC. Em algumas modalidades, a mistura não inclui um aglutinante. Em algumas modalidades, o LTM e/ou HTM da mistura é formado fornecendo uma biomassa; e submeter essa biomassa a uma hidrólise ácida.
[0012] Em algumas modalidades, é fornecido um briquete de biomassa torrefada produzido pelo método.
[0013] Um método de produção de biomassa torrefada é fornecido de acordo com o assunto atualmente divulgado. Em algumas modalidades, o método compreende: fornecer uma quantidade de biomassa; submeter a biomassa a uma hidrólise ácida para produzir uma biomassa hidrolisada; e torrefação da biomassa hidrolisada. Em algumas modalidades, a biomassa compreende madeira.
[0014] Em algumas modalidades, o método compreende adicionalmente a secagem da biomassa antes da torrefação da biomassa hidrolisada.
[0015] Em algumas modalidades, uma porção da biomassa hidrolisada é submetida à torrefação a uma temperatura variando de cerca de 160 ºC a cerca de 220 ºC e/ou uma porção do material hidrolisado é torrefada a temperaturas acima de cerca de 240 ºC.
[0016] Em algumas modalidades, o método compreende adicionalmente comprimir a biomassa hidrolisada; e simultaneamente aquecer a biomassa hidrolisada a uma temperatura predeterminada para formar um briquete de biomassa torrefada.
[0017] Em algumas modalidades, uma biomassa torrefada produzida pelo método é fornecida. Em algumas modalidades, é fornecido um briquete de biomassa torrefada produzido pelo método.
[0018] Assim, é um objetivo do objeto atualmente divulgado fornecer briquetes de biomassa torrefada e métodos relacionados.
[0019] Um objetivo do assunto atualmente divulgado tendo sido declarado acima, e que é alcançado no todo ou em parte pelo assunto atualmente divulgado, outros objetos tornar-se-ão evidentes à medida que a descrição prossegue quando levada em conexão com as Figuras anexas, como mais bem descrito nesse documento abaixo.
[0020] A FIG. 1 é um esquema de uma matriz (diâmetro em mm) usada em abordagens representativas para fazer briquetes de acordo com o objeto atualmente divulgado. As configurações de matriz usadas são (42-36)(36-36)(36-36)(36-40) e (42- 34)(34-34)(34-34)(34-40).
[0021] A FIG. 2 é um gráfico que mostra a densidade aparente versus o teor de umidade dos briquetes produzidos de acordo com o objeto atualmente divulgado.
[0022] A FIG. 3 é um gráfico que mostra uma correlação linear entre durabilidade mecânica e densidade aparente.
[0023] A FIG. 4 é um gráfico que mostra espectros de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier
(FTIR) das amostras de biomassa densificada.
[0024] A FIG. 5 é um gráfico que mostra uma análise por FTIR para madeira hidrolisada e torrefada.
[0025] A FIG. 6 é um gráfico que mostra uma curva de combustão de análise termogravimétrica (TGA) para madeira hidrolisada.
[0026] Os detalhes de uma ou mais modalidades do objeto atualmente divulgado são apresentados nesse documento. Modificações nas modalidades descritas nesse documento, e outras modalidades, serão evidentes para aqueles técnicos no assunto após um estudo das informações fornecidas nesse documento. As informações fornecidas nesse documento, e particularmente os detalhes específicos das modalidades exemplares descritas, são fornecidas principalmente para facilitar a compreensão e não devem ser entendidas daí limitações desnecessárias. Em caso de conflito, o relatório descritivo desse documento, incluindo definições, prevalecerá.
[0027] Embora se acredite que os termos usados nesse documento sejam bem entendidos pelos técnicos no assunto, certas definições são estabelecidas para facilitar a explicação do assunto atualmente divulgado.
[0028] A menos que definido de outra forma, todos os termos técnicos e científicos usados nesse documento têm o mesmo significado que é comumente entendido por um técnico no assunto à qual a(s) invenção(ões) pertence(m).
[0029] Todas as patentes, os pedidos de patentes, pedidos e publicações publicados, bancos de dados, sites e outros materiais publicados mencionados em toda a divulgação contida nesse documento, a menos que indicado de outra forma, são incorporados por referência em sua totalidade.
[0030] Quando é feita referência a um URL ou outro identificador ou endereço, entendeu-se que esses identificadores podem mudar e informações específicas na Internet podem ir e vir, mas informações equivalentes podem ser encontradas pesquisando na Internet. As referências a eles evidenciam a disponibilidade e a divulgação pública dessas informações.
[0031] Como usado nesse documento, as abreviações para quaisquer grupos protetores, aminoácidos e outros compostos são, a menos que indicado de outra forma, de acordo com seu uso comum, abreviações reconhecidas ou a Comissão de Nomenclatura Bioquímica IUPAC-IUB (ver Biochem. (1972) 11(9):1726-1732).
[0032] Embora quaisquer métodos, dispositivos e materiais semelhantes ou equivalentes aos descritos nesse documento possam ser usados na prática ou no teste do objeto atualmente divulgado, métodos, dispositivos e materiais representativos são descritos nesse documento.
[0033] O presente pedido pode “compreender” (extremidade aberta), “consistir nos” (fechado) ou “consistir essencialmente nos” componentes da presente invenção, bem como outros ingredientes ou elementos descritos nesse documento. Como usado nesse documento, “compreendendo” é de entendimento aberto e significa os elementos indicados, ou seu equivalente em estrutura ou função, mais qualquer outro elemento ou elementos que não seja(m) indicado(s). Os termos “tendo” e “incluindo” também devem ser interpretados como de entendimento aberto, a menos que o contexto sugira o contrário.
[0034] Após a convenção da lei de patentes vigente, os termos “um”, “uma” e “o” e “a” se referem a “um ou mais” quando usados nesse pedido, incluindo as reivindicações. Assim, por exemplo, a referência a “uma célula” inclui uma pluralidade desses células, e assim por diante.
[0035] Salvo indicação em contrário, todos os números que expressam quantidades de ingredientes, propriedades, tais como, condições de reação, e assim por diante, usados no relatório descritivo e nas reivindicações devem ser entendidos como modificados em todas os casos pelo termo “cerca de”. Por conseguinte, a menos que seja indicado o contrário, os parâmetros numéricos estabelecidos nesse relatório descritivo e as reivindicações são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas que se deseja obter pelo objeto atualmente divulgado.
[0036] Como usado nesse documento, o termo “cerca de”, quando se refere a um valor ou a uma quantidade de massa, peso, tempo, volume, concentração ou porcentagem, deve abranger variações de em algumas modalidades ±20%, em algumas modalidades ±10%, em algumas modalidades ±5%, em algumas modalidades ±1%, em algumas modalidades ±0,5%, e em algumas modalidades ±0,1% da quantidade especificada, pois essas variações são apropriadas para realizar o método divulgado.
[0037] Como usado nesse documento, as faixas podem ser expressadas a partir de “cerca de” um valor específico e/ou para “cerca de” outro valor específico. Também é entendido que existem vários valores divulgados nesse documento, e que cada valor também é divulgado nesse documento como “cerca desse” valor específico, além do próprio valor. Por exemplo,
se o valor “10” for divulgado, “cerca de 10” também será divulgado. Entende-se também que cada unidade entre duas unidades particulares também é divulgada. Por exemplo, se 10 e 15 são divulgados, 11, 12, 13 e 14 também são divulgados.
[0038] Como usado nesse documento, “opcional” ou “opcionalmente” significa que o evento ou a circunstância subsequentemente descrito(a) ocorre ou não e que a descrição inclui casos em que o(a) referido(a) evento ou circunstância ocorre e casos em que não ocorre. Por exemplo, uma porção opcionalmente variante significa que a porção é variante ou não variante. I. CONSIDERAÇÕES GERAIS
[0039] A biomassa inclui os materiais residuais da agricultura, silvicultura e diversas outras fontes, que têm baixo valor e uso limitado, com altos custos de descarte. Porém, a biomassa é o combustível que tem o potencial para desempenhar um papel significativo como fonte de energia renovável. Em vez de uma produção líquida positiva de carbono, o dióxido de carbono resultante da queima de biomassa é recuperado pelas plantas que são cultivadas para uso futuro como combustível. Porém, o uso de biomassa é limitado devido a características ruins de baixa densidade de energia, durabilidade (manipulação e transporte), hidrofobicidade, armazenamento e outros.
[0040] Um objetivo tem sido desenvolver um carvão derivado de biomassa “drop-in” que tenha desempenho semelhante ao carvão e possa ser integrado à infraestrutura de carvão existente das usinas de energia a carvão, trocando ou substituindo o carvão. Embora esse tipo de produção de biocombustível seja um ajuste natural do ponto de vista ambiental e de saúde, a economia por trás dele ainda não pode superar a relação custo-benefício do carvão. Um grande obstáculo para a implementação do carvão derivado da biomassa é seu alto custo em comparação ao carvão tradicional. Dependendo do custo da biomassa, o custo de produção do carvão derivado da biomassa varia entre US$ 200 - US$ 250 por tonelada (em comparação com a US$ 50 - US$ 80 por tonelada de carvão). Atualmente, a biomassa lenhosa com cerca de 50% de teor de umidade custa aproximadamente US$ 80/MT. Portanto, apresenta desafios econômicos para que esse biocombustível seja usado a preços atuais (mesmo com créditos de carbono) para geração de energia. Aproveitar os compostos na estrutura de biomassa antes da torrefação poderia ajudar a melhorar a economia, criando coprodutos que poderiam fornecer lucro adicional para reduzir os custos mais altos de produção. A hemicelulose é um grande componente da maioria das espécies de biomassa e é destruída no processo de torrefação. A hemicelulose pode ser extraída e recuperada como xilose de alto valor em grandes quantidades a um custo monetário e energético bastante mínimo.
[0041] A torrefação é um processo de tratamento térmico realizado em um ambiente quimicamente inerte para melhorar a hidrofobicidade e o conteúdo de energia da biomassa. O produto resultante aparece como sólido densificado em marrom a preto, e as características obtidas após a torrefação podem depender das condições do processo, tais como, temperatura, tempo de torrefação e tipo de matéria-prima, bem como o tipo de equipamento de torrefação empregado. Na torrefação alta ou severa, a densidade de energia do combustível é aumentada em grande parte.
[0042] Vários desafios surgem após a torrefação de materiais de biomassa, tais como, baixa densidade e alta quantidade de formação de poeira durante a manipulação. Esses desafios precisam ser enfrentados para o uso comercial de material torrefado. De modo a usar comercialmente a biomassa torrefada, o material deve ser densificado. Densificação é o processo de compactação de materiais torrefados ou resíduos de biomassa em um produto de maior densidade que a matéria- prima original. Essa conversão tem muitas vantagens em potencial, incluindo o aumento do valor calorífico por unidade de volume, aumentando a conveniência do transporte e do armazenamento, reduzindo as emissões de poeira, resolvendo o problema do descarte de resíduos, e criando um produto final uniforme.
[0043] Um desafio associado à densificação da biomassa torrefada é a dificuldade de obter uma qualidade desejável (isto é, através da densidade e durabilidade) na densificação das partículas de biomassa após a torrefação. Um motivo é devido às alterações químicas que ocorrem nos componentes da biomassa, tal como lignina, após a torrefação. Durante a torrefação (200-300 °C), a lignina sofre reações de despolimerização, desmetoxilação, clivagem de ligação e condensação, enquanto a hemicelulose se decompõe e ambas terão uma quantidade de redução com a desidratação da biomassa. A hemicelulose é responsável pela existência de locais de ligação de hidrogênio. A lignina principalmente pode produzir ligação covalente quando ativada. Essas alterações químicas desempenham um papel em não obter boa ligação, levando a uma baixa densificação e em baixa durabilidade para a biomassa torrefada.
[0044] Em algumas modalidades, o objeto atualmente divulgado emprega torrefação e densificação de biomassa para criar um substituto de carvão. Esse processo de torrefação e densificação fornece várias melhorias na biomassa que abordam pelo menos em parte os problemas discutidos em outras partes desse documento. Após torrefação e densificação, o produto de biomassa possui maior valor calorífico e é hidrofóbico e durável. A torrefação ajuda a remover as funcionalidades oxigenadas da estrutura de lignocelulose da biomassa, carbonizando-a e criando um material denso mais hidrofóbico e mais energético. Isso fornece valores de aquecimento mais próximos do carvão e permite o armazenamento sem o medo de apodrecer ou degradar. Essas características auxiliam subsequentemente no transporte eficaz do material torrefado resultante. A torrefação também fornece fragilidade, permitindo que o material torrefado seja mais facilmente triturado e usado nas atuais infraestruturas de usinas de carvão.
[0045] Um desafio associado à densificação da biomassa torrefada é a dificuldade em obter a ligação, a densidade e a durabilidade desejáveis na densificação das partículas de biomassa após a torrefação. Em algumas modalidades, o objeto atualmente divulgado fornece abordagens para densificar uma mistura de biomassa de altamente e levemente torrefada com o objetivo de usar esse material levemente torrefado como a principal fonte de ligação, intensificando sua lignina natural inerente.
[0046] A biomassa torrefada representa uma fonte de energia renovável de alta qualidade. O pré-tratamento de torrefação pode ser geralmente classificado em leve, médio e alto, correspondendo a temperaturas de aproximadamente 200–235 °C, 235–275 °C e 275–300 °C, respectivamente. A densificação da biomassa torrefada (por exemplo, em briquetes) melhora a logística associada ao transporte, à manipulação e ao armazenamento a granel para aplicações de calor e energia. Dois produtos principais da densificação são a durabilidade e a hidrofobicidade dos briquetes. O uso de aglutinantes e ceras externas para promover esses atributos pode ser proibitivamente caro.
[0047] Portanto, a utilização de lignina in situ da biomassa para promover a ligação e a hidrofobicidade é fornecida de acordo com algumas modalidades do objeto atualmente divulgado. A lignina, um polímero termoplástico reticulado, tende a quebrar e perder sua capacidade de ligação após a torrefação em alta temperatura da biomassa. Nesse sentido, o assunto atualmente divulgado baseia-se, pelo menos em parte, no desenvolvimento de uma abordagem que utilize uma mistura de biomassa torrefada a duas temperaturas diferentes, de modo que um componente de biomassa forneça lignina nativa para ligação e o outro forneça alto teor de carbono para o conteúdo de BTU. A biomassa que fornece lignina - um material levemente torrefado LTM - é torrefada a uma faixa de temperatura mais baixa (160-220 ºC), enquanto o outro componente de biomassa - um material altamente torrefado HTM - é torrefado a temperaturas acima de 240 ºC. Essa mistura pode ser densificada, como usando uma briquetadeira do tipo aríete. A utilização de LTM para dispensar lignina termicamente modificada (em oposição ao uso de biomassa não torrefada que só pode fornecer lignina não modificada) pode ajudar a manter a hidrofobicidade e o valor de BTU do material densificado e torrefado. Em algumas modalidades, e como descrito mais abaixo, o tamanho de partícula do aglutinante (LTM), o teor de umidade da mistura, a temperatura da mistura, a razão de LTM para HTM, e a configuração da matriz na briquetadeira são modulados para dispensar briquetes hidrofóbicos e altamente duráveis com densidades de energia na faixa de 8.000 a 10.000 BTU/lb (1 lb = 0,45 kg).
[0048] O objeto atualmente divulgado inclui briquetes de biomassa torrefada e métodos para formar esses briquetes. Em algumas modalidades, é fornecido um briquete de biomassa torrefada que compreende cerca de 10% a cerca de 95% de um material altamente torrefado (HTM) e cerca de 5% a cerca de 90% de um material levemente torrefado (LTM). Em algumas modalidades, é fornecido um briquete de biomassa torrefada que compreende cerca de 10%, cerca de 20%, cerca de 30%, cerca de 40%, cerca de 50%, cerca de 60%, cerca de 70%, cerca de 80%, cerca de 90% ou cerca de 95% de um HTM. Em algumas modalidades, é fornecido um briquete de biomassa torrefada que compreende cerca de 5%, cerca de 10%, cerca de 20%, cerca de 30%, cerca de 40%, cerca de 50%, cerca de 60%, cerca de 70%, cerca de 80%, ou cerca de 90% de um LTM.
[0049] Em algumas modalidades, o briquete tem um perfil de FTIR compreendendo uma ou mais de funcionalidades de oxigênio reduzidas. Em algumas modalidades, o briquete compreende uma biomassa torrefada e/ou uma biomassa hidrolisada por ácido (como aglutinante) tendo um perfil de FTIR compreendendo uma ou mais de funcionalidades de oxigênio reduzidas em comparação com a biomassa não submetida à hidrólise ácida. Em algumas modalidades, o briquete exibe ligação in situ à base de lignina e está livre de um aglutinante adicionado. A lignina in situ é fornecida à mistura de HTM e LTM através do LTM e/ou também é fornecida através da biomassa hidrolisada por ácido. O método de briquetagem descrito de acordo com o objeto atualmente divulgado permite que a lignina in situ seja arrastada pelo vapor gerado, distribui através da estrutura do briquete e promove a ligação dentro do briquete.
[0050] O termo “briquete” é usado nesse documento para se referir a blocos de biomassa compactada do objeto atualmente divulgado que têm tamanho e forma adequados para uso como fonte de combustível. A este respeito, o termo “briquete” é tipicamente usado para se referir a blocos tendo dimensões na faixa menor que cerca de 1 cm (e incluindo 1 cm) a cerca de 10 cm, mas pode incluir adicionalmente blocos de dimensões menores ou maiores. Em algumas modalidades, o termo “briquete” inclui grânulos torrefados e similares, como seria reconhecido pelos técnicos no assunto.
[0051] Com relação à biomassa utilizada de acordo com o objeto atualmente divulgado, o termo “biomassa”, como utilizado nesse documento, é usado para se referir ao combustível derivado de matéria orgânica, incluindo matéria de planta e animal. Por exemplo, em algumas modalidades do objeto atualmente divulgado, a biomassa é madeira. Como outro exemplo, em algumas modalidades, a biomassa é uma biomassa agrícola ou, em outras palavras, uma biomassa que é derivada de fontes agrícolas, incluindo, mas não se limitando a, cascas de soja do processamento da soja, cascas de arroz da moagem de arroz, fibra de milho da moagem a úmido ou moagem a seco, bagaço do processamento da cana-de-açúcar, polpa do processamento da beterraba sacarina, grãos de destilaria e semelhantes.
[0052] Em algumas modalidades, o objeto atualmente divulgado fornece um método para produzir um briquete de biomassa torrefada. Em algumas modalidades, o método compreende a produção de uma mistura que inclui cerca de 10% a cerca de 95% de um material altamente torrefado (HTM) e cerca de 5% a cerca de 90% de um material levemente torrefado (LTM); ajustar a umidade da mistura, pré-aquecer a mistura a uma temperatura predeterminada, e comprimir e aquecer simultaneamente a mistura.
[0053] Independentemente da fonte específica de biomassa, e como indicado acima, para produzir um briquete de biomassa torrefada de acordo com algumas modalidades do objeto atualmente divulgado, uma mistura de LTM e HTM é primeiro produzida e fornecida na qual o HTM está em uma quantidade de cerca de 10% a cerca de 95% e o LTM é uma quantidade de cerca de 5% a cerca de 90%. Nessa mistura, os materiais que compreendem o LTM sofreram torrefação anteriormente em uma faixa de temperatura mais baixa (por exemplo, cerca de 160 ºC a cerca de 220 ºC), enquanto o HTM foi torrefado a temperaturas acima de 240 ºC. A este respeito, uma vez combinado, o LTM é configurado para fornecer lignina termicamente modificada para ligar o briquete e o HTM fornece um material com um conteúdo de energia maior que o encontrado no LTM e capaz de fornecer um valor de BTU aumentado após a queima. Em algumas modalidades, o método compreende uma etapa inicial de fornecer uma biomassa, tais como as biomassa descritas acima, e depois submeter essa biomassa a uma hidrólise ácida, como descrito nesse documento abaixo antes do tratamento.
[0054] Ao misturar o LTM com o HTM em uma razão desejada, como as mencionadas acima, o teor de umidade da mistura pode ser ajustado para um nível desejado. Em algumas modalidades, o teor de umidade pode ser ajustado com a adição de água ou vapor. Em algumas modalidades, ajustando o teor de umidade do material de partida, um briquete pode subsequentemente ser produzido com uma durabilidade, densidade e/ou hidrofobicidade desejada(s), como descrito em mais detalhes abaixo. Em algumas modalidades, antes de comprimir a mistura durante o aquecimento, como descrito abaixo, a mistura de HTM e LTM tem um teor de umidade combinado de cerca de 7% a cerca de 15%, tais como, em algumas modalidades, um teor de umidade de cerca de 5%, cerca de 6%, cerca de 7%, cerca de 8%, cerca de 9%, cerca de 10%, cerca de 11%, cerca de 12%, cerca de 13%, cerca de 14%, cerca de 15%. Em algumas modalidades, o teor de umidade é de cerca de 8% a cerca de 14%. A compressão da mistura também pode ser referida como densificação do material ou como densificação do material.
[0055] Após o ajuste do teor de umidade, a mistura de materiais HTM e LTM é então normalmente pré-aquecida a uma temperatura de cerca de 40 ºC a cerca de 80 ºC (por exemplo, cerca de 50 ºC por vapor) antes de ser alimentada em um sistema de matriz onde os materiais na mistura sofrem compressão durante o aquecimento por um período de tempo para simular uma torrefação hidrotérmica durante a compressão e o aquecimento da biomassa. O pré-aquecimento pode ocorrer a uma temperatura de cerca de 40 ºC, 45 ºC, 50
ºC, 55 ºC, 60 ºC, 65 ºC, 70 ºC, 75 ºC ou 80 ºC. A título de exemplo, não como limitação, o método pode compreender a compressão da mistura a temperaturas de cerca de 200 ºC a cerca de 250 ºC (por exemplo, cerca de 200 ºC, 205 ºC, 210 ºC, 215 ºC, 220 ºC, 225 ºC, 230 ºC, 235 ºC, 240 ºC, 245 ºC ou 250 ºC) para produzir um briquete. Em algumas modalidades, após os aspectos de compressão durante o aquecimento do procedimento, os briquetes resultantes têm um teor de umidade de cerca de 3% a cerca de 10% após a densificação, incluindo, em algumas modalidades, um teor de umidade de cerca de 3%, cerca de 4%, cerca de 5%, cerca de 6%, cerca de 7%, cerca de 8%, cerca de 9% ou cerca de 10%.
[0056] Através da torrefação simulada durante a densificação de um material incluindo uma mistura de LTM e HTM e utilizando o teor de umidade ajustado indicado acima, em algumas modalidades, um produto ou material torrefado é produzido tendo propriedades melhoradas em relação aos materiais produzidos apenas com HTM ou LTM ou em relação a outros materiais ou produtos de biomassa torrefada disponíveis. Por exemplo, em algumas modalidades, ao fazer uso desses materiais e processos, um briquete é produzido sem o uso de aglutinante (isto é, um agente de aglutinação) que normalmente é necessário para produzir briquete de biomassa torrefada de qualidade suficiente. Em algumas modalidades, o briquete resultante tem um aumento na densidade, um valor de índice de durabilidade de cerca de 50% a mais do que cerca de 93%, um aumento na hidrofobicidade em relação ao briquete incluindo apenas LTM e/ou um valor calorífico de cerca de 8.000 BTU/lb (1 lb = 0,45 kg) a cerca de 10.000 BTU/lb (1 lb = 0,45 kg), incluindo cerca de 9.000
BTU/lb (1 lb = 0,45 kg).
[0057] Em algumas modalidades, o briquete tem uma densidade na faixa de cerca de 1 a cerca de 1,5 g/cm3, incluindo uma densidade de cerca de 1,053 g/cm3, cerca de 1,1 g/cm3, cerca de 1,2 g/cm3, cerca de 1,213 g/cm3, cerca de 1,3 g/cm3, cerca de 1,4 g/cm3 ou cerca de 1,5 g/cm3. Em algumas modalidades, o briquete tem um valor de índice de durabilidade de cerca de 5% a mais de 93%, incluindo cerca de 10%, cerca de 20%, cerca de 30%, cerca de 40%, cerca de 50%, cerca de 60%, cerca de 70%, cerca de 80% e cerca de 90%.
[0058] Assim, em algumas modalidades, o objeto atualmente divulgado fornece lignina nativa na forma de material levemente torrefado (LTM) e também fornece a modificação da lignina in situ, de modo que o briquete resultante seja hidrofóbico e durável. O objeto atualmente divulgado fornece combinações de materiais, equipamentos e processos para produzir briquetes torrefados duráveis e transportáveis sem o uso de um aglutinante adicionado. Em algumas modalidades, o objeto atualmente divulgado emprega razões de madeira torrefada a uma temperatura mais baixa (material levemente torrefado - LTM) e mais alta (material altamente torrefado - HTM). Em algumas modalidades, um LTM e HTM, em uma faixa representativa de tamanho de partícula, como pode ser fornecido usando uma tela ou peneira tendo tamanhos de poro variando de 1/16 polegadas (1,59 mm) ou menos a 1 polegada (2,54 cm) ou menos, são misturados a uma representante razão de umidade (tipicamente 7-15%), tal como com a adição de água ou vapor. Em algumas modalidades, esse material é pré-aquecido a cerca de 40-80 ºC e enviado à tremonha de alimentação da briquetadeira para densificação. Os tamanhos representativos de tela/peneiras incluem, portanto, 1/16 de polegada (1,59 mm) ou menos, 1/8 de polegada (3,18 mm) ou menos, 1/4 de polegada (6,35 mm) ou menos, 1/2 de polegada (1,27 cm) ou menos, 3/4 de polegada (1,91 cm) ou menos e 1 polegada (2,54 cm) ou menos.
[0059] Qualquer configuração de matriz adequada, como seria aparente para um técnico no assunto, pode ser empregada de acordo com o objeto atualmente divulgado. Em algumas modalidades, a configuração da matriz na briquetadeira inclui uma matriz cônica, 1-3 matrizes de extensão (para controlar o tempo de retenção), e uma matriz final. Como seria evidente para um técnico no assunto após uma revisão da presente divulgação, os tempos de retenção podem variar dependendo da taxa de produção e do tipo de biomassa. A título de exemplo e não de limitação, o tempo de retenção pode variar entre 2 a vários segundos, com preferência por tempos de retenção mais longos, mas tipicamente não em minutos. Ao adicionar mais matrizes de retenção, é considerado o impacto na capacidade de execução da máquina. Adicionalmente, em algumas modalidades, a configuração da matriz pode incluir uma matriz de extensão com uma camisa de resfriamento, a fim de resfriar rapidamente o briquete. As configurações representativas da matriz são (42-36)(36- 36)(36-36)(36-40) e (42-34)(34-34)(34-34)(34-40). Ver, por exemplo, a FIG. 1.
[0060] Em algumas modalidades, a configuração da matriz é pré-aquecida antes da introdução da mistura de alimentação. Em algumas modalidades, a configuração da matriz é pré- aquecida a 200 a 250 ºC antes da introdução da mistura de alimentação. Em algumas modalidades, a pressão é mantida na faixa de 10.000 a 15.000 psi (68,95 a 103,42 KPa). As condições de temperatura, pressão e umidade presentes na matriz, bem como as da mistura de ração, alcançam a modificação da lignina para fornecer hidrofobicidade e capacidade de aglutinação à mistura de alimentação. Em algumas modalidades, a temperatura operacional da configuração da matriz é de pelo menos cerca de 200 ºC a cerca de 250 ºC. Em algumas modalidades, a combinação da mistura de material e a configuração da matriz no teor de umidade representativo promove o tratamento hidrotérmico do LTM e seu conteúdo de lignina, e o vapor gerado permite o fluxo de lignina dentro da estrutura de briquete, promovendo assim hidrofobicidade e durabilidade através união melhorada.
[0061] Em algumas modalidades, o objeto atualmente divulgado fornece atributos melhorados do produto e a viabilidade econômica de uma usina de torrefação de biomassa. A título de elaboração e não de limitação, a extração de açúcar C5 à base de hidrólise está ganhando reconhecimento como um método de agregação de valor para resíduos industriais e agrícolas de biomassa. Adicionalmente, a substituição de carvão usando biomassa torrefada é considerada uma alternativa viável que pode se desenvolver em torno da infraestrutura de carvão existente. De acordo com o objeto atualmente divulgado, a extração C5 com base em hidrólise integrada e a subsequente torrefação residual são fornecidas como uma abordagem para intensificar a viabilidade da biomassa para o biocarvão. O objeto atualmente divulgado demonstra que a hidrólise aumentou a porosidade da madeira e isso facilitou a torrefação na melhoria da hidrofobicidade e no conteúdo de energia da madeira, intensificando a transferência de calor e massa durante a torrefação e reduzindo as emissões de cinzas e ar. Em algumas modalidades, o objeto atualmente divulgado demonstra que a extração de madeira C5 à base de hidrólise pode ser empregada como uma estratégia de pré-tratamento que fornece uma agregação significativa de valor como açúcares da plataforma C5, além de fornecer melhoria na qualidade do carvão derivado de biomassa.
[0062] Assim, são adicionalmente fornecidos, em algumas modalidades do objeto atualmente divulgado, métodos de pré- tratamento realizados antes da produção de uma biomassa torrefada para fornecer um produto de biomassa torrefada tendo propriedades melhoradas, onde os métodos fazem uso de um procedimento de hidrólise antes da torrefação para produzir um produto de biomassa torrefado melhorado. Em algumas modalidades, é fornecido um método para produzir uma biomassa torrefada que compreende uma etapa inicial de fornecer uma biomassa, tais como aquelas biomassa descritas acima, e depois submeter essa biomassa a uma hidrólise ácida antes da torrefação. Por exemplo, em algumas modalidades do objeto atualmente divulgado, para produzir um hidrolisado de biomassa suficiente, uma quantidade de material de biomassa sólida é inicialmente colocada em um reator e depois exposta a uma solução ácida que é percolada através do material a uma temperatura elevada e por um período de tempo suficiente para permitir que ocorra uma reação de hidrólise. Em algumas modalidades, as temperaturas elevadas usadas de acordo com o procedimento de hidrólise variam de cerca de 100 ºC a cerca de 150 ºC (por exemplo, cerca de 100 ºC, 105 ºC, 110 ºC, 115 ºC, 120 ºC, 125 ºC, 130 ºC 135 ºC, 140 ºC, 145 ºC ou 150 ºC) com um tempo de reação de cerca de 30 a cerca de 120 minutos (por exemplo, cerca de 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115 ou 120 minutos). Obviamente, vários ácidos podem ser usados para efetuar uma reação de hidrólise suficiente, incluindo, em algumas modalidades, ácidos minerais, tais como, ácido sulfúrico, clorídrico etc., e ácidos orgânicos, tais como, ácidos dicarboxílicos (por exemplo, ácido oxálico, maleico etc.) Em algumas modalidades, o ácido pode ser fornecido em uma concentração de cerca de 0,2% em peso a cerca de 5,0% em peso, incluindo cerca de 0,2; 0,5; 0,7; 1,0; 1,2; 1,5; 1,7; 2,0; 2,2; 2,5; 2,7; 3,0; 3,2; 3,5; 3,7; 4,0; 4,2; 4,5; 4,7 ou 5,0% em peso. Para explicações e orientações adicionais relacionadas às condições de reação para a produção de um hidrolisado de biomassa, ver, por exemplo, Fonseca, et al., Biomass and Bioenergy, 21 (2014), 178-186, incorporado nesse documento por referência em sua totalidade. A reação de hidrólise é uma hidrólise ácida suave e as condições do processo empregadas promovem a hidrólise seletiva de açúcares à base de hemicelulose (C5), tais como xilose e arabinose, em vez de hidrolisar o açúcar à base de celulose (C6). Os processos representativos são também divulgados no Pedido de Patente U.S. N° 2016-0297845 e na Patente U.S. N°
10.093.953 publicados, incorporados nesse documento por referência na sua totalidade.
[0063] Em algumas modalidades, após a formação do hidrolisado, a biomassa residual é então submetida à remoção de água ou seca para produzir um material hidrolisado tendo um teor de umidade desejado na faixa de 6 a 20%, incluindo cerca de 6%, cerca de 7%, cerca de 8%, cerca de 9%, cerca de 10%, cerca de 11%, cerca de 12%, cerca de 13%, cerca de 14%, cerca de 15%, cerca de 16%, cerca de 17%, cerca de 18%, cerca de 19% e cerca de 20%. A torrefação é então realizada de acordo com métodos conhecidos dos técnicos no assunto e/ou como divulgados em outras partes desse documento, em que a biomassa pré-hidrolisada é submetida a temperaturas elevadas (por exemplo, 300 ºC) por um período de tempo suficiente (por exemplo, 30 min). O tratamento de torrefação pode ser classificado em leve, médio e alto, correspondendo a temperaturas de aproximadamente 200–235 °C, 235–275 °C e 275–300 °C, respectivamente. Em algumas modalidades, submetendo uma biomassa a um procedimento de pré-tratamento por hidrólise, um material ou produto de biomassa torrefado pode ser produzido tendo hidrofobicidade aumentada, conteúdo reduzido de fuligem e cinza após a queima, bem como um aumento nos valores caloríficos em comparação com os materiais torrefados produzidos usando uma biomassa não hidrolisada.
[0064] Em algumas modalidades, uma porção do material hidrolisado é submetida à torrefação a uma faixa de temperatura mais baixa (por exemplo, cerca de 160 ºC a cerca de 220 ºC) para produzir um LTM. Além disso, uma porção do material hidrolisado é torrefada em temperaturas acima de 240 ºC para produzir um HTM. Os LTM e HTM são então combinados e tratados de acordo com modalidades do objeto atualmente divulgado, como divulgado acima.
[0065] O assunto presentemente divulgado é adicionalmente ilustrado pelos seguintes Exemplos particulares, mas não limitativos. III. EXEMPLOS MATERIAIS E MÉTODOS PARA O EXEMPLO 1-7
[0066] Produção de briquetes. Os materiais torrefados usados no estudo descrito abaixo eram de madeira macia e foram provenientes da Solvay Biomass Energy, Quitman, Mississippi, Estados Unidos da América. O teor de umidade inicial foi medido usando o analisador de umidade Denver Instrument IR60 (Denver Instrument Company, Bohemia, Nova Iorque, Estados Unidos da América) usando uma amostra de 1 g. O teor de umidade foi de 8,20% para materiais levemente torrefados (LTM), enquanto foi de 6,76% para materiais altamente torrefados (HTM).
[0067] Os briquetes foram produzidos usando uma briquetadeira comercial C.F. Nielsen BPU 3200 (C.F. Nielsen, Baelum, Dinamarca). O material LTM foi carregado por um alimentador de parafuso e processado em temperatura ambiente. A mistura de materiais HTM e LTM foi misturada na razão de 20:80 em peso e seu teor de umidade foi ajustado como mostrado na Tabela 1. A mistura foi pré-aquecida a cerca de 50 °C usando vapor em uma tremonha. O sistema de matriz na briquetadeira era feito de liga de aço e tinha três extensões com a matriz principal. Foram usados diferentes ângulos do orifício cônico para a matriz principal e a extensão final. Os resultados relatados nesse documento foram obtidos usando uma configuração de matriz com um diâmetro interno de 36 mm e também com uma configuração de matriz com um diâmetro interno de 34 mm. A configuração da matriz foi pré-aquecida a 250 °C e o material foi alimentado da tremonha principal através de um parafuso dosador para a câmara do parafuso de compressão a 10% da capacidade nominal de alimentação (girando a cerca de 20 rpm). A temperatura de operação da matriz foi de 225 °C para a matriz de 36 mm. Durante a produção, a temperatura do material na câmara de compressão era de cerca de 75 °C. Os briquetes produzidos foram deixados resfriar em temperatura ambiente. A taxa de produção de todos os briquetes foi de cerca de 130-140 kg/h, e o teor final de umidade em todos os briquetes variou de 3% a 7%.
[0068] A título de elaboração, o material LTM foi carregado por um alimentador de parafuso e processado em temperatura ambiente para ser as amostras de controle. A mistura de materiais HTM e LTM é pré-aquecida a cerca de 50 °C, colocando-os em uma tremonha contendo um tubo de cobre que é conectado a uma caldeira a vapor. A matriz usada na máquina é fabricada em aço-liga e tem três extensões com a matriz principal. Foram usadas duas configurações de matriz, 36 mm e 34 mm de diâmetro interno. Os materiais e o teor de umidade da alimentação usados nesse estudo para cada conjunto de matrizes são mostrados na Tabela 1. A matriz foi pré- aquecida a 250 °C e o material foi alimentado da tremonha principal através de um parafuso dosador para a câmara de parafuso de a 10% da velocidade da taxa compressão, que é de cerca de 20 rpm. Em seguida, o material foi alimentado na câmara de compressão pelo parafuso de compressão. A temperatura de operação da matriz foi de 225 °C para a matriz de 36 mm e 240 °C para a matriz de 34 mm. Durante a produção, a temperatura na câmara de compressão era de cerca de 75 °C. A mistura foi amolecida e deformada na matriz principal pela ação da umidade, calor e pressão em conjunto. Os briquetes produzidos foram deixados resfriador em temperatura ambiente. A taxa de produção de todos os briquetes foi de cerca de 130-140 kg/h, e o teor final de umidade em todos os briquetes foi de 3-7%.
[0069] A FIG. 1 mostra um esquema da matriz, os ângulos usados para a matriz principal cônica, e a última extensão. Uma matriz de extensão refrigerante também foi projetada e fabricada para ser usada para resfriar os briquetes, a fim de congelar qualquer umidade e lignina antes de sair da matriz. O efeito da umidade no formato de briquetes indica que a umidade mais alta produz briquetes mais escuros e brilhantes (isto é, efeito de tratamento hidrotérmico). TABELA 1 Materiais Usados e Teor de umidade Associado. Material Teor de umidade (%) Matriz de 36 mm Matriz de 34 mm 1 LTM 8,2 8,2 2 20% de HTM – 80% de LTM 10,75 7,5 3 20% de HTM – 80% de LTM 14 10 4 20% de HTM – 80% de LTM 16 12,79
[0070] Caracterização de briquete. A densidade aparente foi calculada usando o método de deslocamento de água, no qual uma pequena amostra de disco de cada briquete foi coletada após cerca de 2 semanas de armazenamento, depois pesada e revestida com parafina para evitar qualquer absorção de água durante a imersão em água. As amostras parafinadas foram pesadas e depois submersas em água. O volume da água deslocada foi medido e registrado como o volume da amostra parafinada. O volume de cada amostra foi calculado subtraindo o volume de cera de revestimento do volume de amostras parafinadas. A densidade aparente dos briquetes foi calculada dividindo o peso de cada amostra pelo volume.
[0071] A hidrofobicidade por absorção de umidade foi medida usando um dispositivo da Fisher Scientific Humidity Chamber (Fisher Scientific, Pittsburgh, Pensilvânia, Estados Unidos da América). As amostras de briquete foram primeiro pesadas e depois colocadas na câmara de umidade e mantidas em 90% de umidade a 30 °C por 24 horas. As amostras foram então pesadas e secas em forno a 60 °C por 6 horas, e os pesos finais foram registrados. A mudança de peso refere-se à absorção de umidade.
[0072] Também foi realizado um teste de imersão em água usando dois tempos diferentes, 30 segundos e 30 minutos, para medir o ganho de água de cada amostra. Além disso, foi realizado um teste de imersão em água por 24 horas para observar o efeito do contato direto da água por muito tempo na forma do briquete produzido.
[0073] O Índice de Durabilidade dos briquetes produzidos foi determinado de acordo com as normas ASAE S269.4 e ISO 15210. A durabilidade mecânica dos briquetes foi testada por tambor de abrasão específico (Gamet Automatic Sampling Equipment Company, Brooklyn Park, Minnesota, Estados Unidos da América), no qual amostras de 500 ± 50 g foram pesadas até 0,1 g mais próximo e colocadas no dispositivo de caixa de tombamento. Então eles caíram a 50 ± 2 rpm por 500 rotações. Em seguida, as amostras foram removidas e passadas manualmente através de uma peneira de 3,15 mm. O índice de durabilidade mecânica (DU) foi calculado usando a seguinte fórmula: DU = (MA/ME) * 100 ………………………… (1)
[0074] Em que: ME é a massa das amostras antes do tratamento com o tambor e MA é a massa da amostra deixada após peneirar as peças resultantes após o tombamento.
[0075] O valor calorífico dos briquetes preparados foi medido usando um calorímetro de bomba tipo IKA C2000 (IKA, Wilmington, Carolina do Norte, Estados Unidos da América). O dispositivo foi calibrado usando comprimidos benzóicos de 1 g e partes de amostras de cerca de 1 g foram usadas de cada briquete para análise do valor calorífico.
[0076] Os grupos funcionais químicos presentes nos briquetes foram analisados por espectroscopia FTIR usando amostras em pó de cerca de 20 mg de cada briquete. As curvas de FTIR obtidas foram normalizadas para o pico C=C a 1506 cm-1, assumindo uma alteração insignificante na contagem de anéis aromáticos (originados da lignina) na amostra. EXEMPLO 1
[0077] As tabelas 2A e 2B mostram os resultados de caracterização para os briquetes produzidos. Como mostrado na Tabela 2B, o briquete com 20% de HTM e 10,75% de umidade teve um desempenho melhor do que as outras amostras na matriz de 36 mm de diâmetro. Eles mostraram uma maior durabilidade de 68%. Eles também mostraram o menor ganho de água após 30 segundos e após 30 minutos.
TABELA 2A Resultados de caracterização de briquetes Matriz de diâmetro de 36 mm Matriz de diâmetro de 34 mm Material LTM 20% de HTM – LTM LTM 20% de HTM- LTM Propriedade (8,2% de MC) (10,75% de MC) (8,2% de MC) (7,5% de MC) Diâmetro (mm) 38 38 36.5 36.5 Densidade aparente (g/cm3) 1,178 1,065 1,191 1,213 Teor de umidade de 6,31 6,44 4,97 3,74 briquetes produzidos (%) Absorção de umidade(%) 8,23 8,66 8,77 8,07 Ganho de água após teste de 30 s 7,2 3,8 1,95 1,36 imersão (%) teste de 30 69,8 30,5 30,43 30 min.
Índice de Durabilidade (%) 44,6 68 78,2 78,2 Valor calorífico BTU/lb 9103 9369 9272 9659 (KJ/Kg) (21173,578) (21792,294) (21566,672) (22466,834) TABELA 2B Resultados de Caracterização para Briquetes Produzidos do Conjunto de Matrizes de 36 mm de Diâmetro
Material LTM 20% de HTM - LTM 20% de HTM - LTM 20% de HTM - LTM
Propriedade (8,2 % de MC) (10,75 % de MC) (14 % de MC) (16 % de MC)
Diâmetro (mm) 38 38 38,5 38,5
Densidade aparente (g/cm3) 1,178 1,065 1,06 1,053
Teor de umidade de briquetes produzidos (%) 6,31 6,44 7,2 7,8
Absorção de umidade (%) 8,23 8,66 7,91 7,26
Ganho de água após teste de 30 s 7,2 3,8 13 37,5 imersão (%) teste de 30 min 69,8 30,5 47,6 63,3
Índice de Durabilidade (%) 44,6 68 52,5 40,6
Valor calorífico BTU/lb: 9103 9369 9385 9459
(Kj/Kg) 21173,6 21792,3 21829,5 22001,6
EXEMPLO 2
[0078] Como mostrado nas Tabelas 2A e 2B, o briquete fabricado com 100% de LTM mostrou um alto nível de absorção de umidade e também tem um menor teor de energia em comparação com aqueles com HTM adicionado a 20%. A adição de HTM não apenas melhorou o conteúdo de energia do briquete, mas também ajudou a melhorar a hidrofobicidade. Um alto teor de umidade pode aumentar a aglutinação no material de biomassa ativando (amolecendo) os aglutinantes naturais desse material, tal como a lignina. A lignina é um material termoplástico que sofreria deformação plástica a pressões e temperaturas na faixa de suas temperaturas de transição vítrea. Além disso, com alto teor de umidade na biomassa, juntamente com a aplicação de pressão e temperatura, pode ser feito um tratamento hidrotérmico para a biomassa que ativa os aglutinates naturais enquanto deforma as partículas. Portanto, manter um certo nível de teor de umidade durante a densificação promove a aglutinação dentro do briquete. No entanto, como mostrado na Tabela 2B, para um teor de umidade acima de 10,75%, houve uma redução na durabilidade do briquete. Ao aumentar o teor de umidade acima de 10,75%, os briquetes pareceram mais escuros e apresentaram impacto hidrotérmico; mas a alta umidade e a formação de vapor resultante durante a densificação levaram a um número significativo de rachaduras e isso dividiu os briquetes em pequenos discos. Os resultados da medição do diâmetro mostrados na Tabela 2B mostraram que os briquetes haviam se expandido em comparação com o diâmetro interno da matriz. Os briquetes de LTM expandiram cerca de 2 mm, enquanto os briquetes misturados com maior umidade expandiram um pouco mais de 2 mm. Essas rachaduras captavam mais água, como mostrado pelo ganho de água após 30 s e 30 minutos durante os testes de imersão em água (Tabela 2B). EXEMPLO 3
[0079] A densidade aparente é uma característica importante dos briquetes de biomassa devido à sua influência na manipulação e no transporte de materiais. Como mostrado na Tabela 2B, a densidade aparente diminuiu com a adição de material HTM e com o aumento do teor de umidade. Isto foi devido ao peso leve do HTM quando comparado ao LTM. Como a alta umidade combinada com alta temperatura e pressão aumenta a aglutinação da biomassa, a densidade também deve aumentar com o aumento da umidade. No entanto, os valores reduzidos de densidade aparente nos briquetes de HTM-LTM misturados são devidos às rachaduras resultantes e ao teor inicial de umidade nos materiais brutos ou misturados. Os valores mais baixos de densidade aparente com umidade mais alta são explicados em detalhes (mostrados) na FIG. 2, em que a densidade aparente diminuiu com o aumento do teor de umidade nas amostras de disco testadas retiradas dos briquetes produzidos para os dois conjuntos de matrizes. Os briquetes de umidade de 7,5% produzidos com a matriz de 34 mm apresentaram a maior densidade aparente; isso foi evidenciado por mais compactação, maior aglutinação e menos rachaduras. Além disso, a densidade aparente dos briquetes de matriz de 34 mm foi maior que a dos briquetes de 36 mm para o mesmo material LTM devido à maior compactação resultante do menor diâmetro da matriz. Ver a tabela 2A. EXEMPLO 4
[0080] A exposição do briquete a ambientes úmidos ou chuvosos durante o transporte e o armazenamento pode afetar adversamente a durabilidade dos produtos densificados; portanto, a hidrofobicidade dos briquetes é altamente desejada. Para os resultados de imersão em água, a umidade da alimentação acima de 14% levou ao aumento da absorção de água. Como esse teste usou contato direto com a água, dependeu mais de quão densa era a amostra e de quantas rachaduras estavam nela. Após 30 segundos, o briquete misturado com 10,75% de umidade produziu a menor absorção de água, seguido pelo briquete de LTM. Aumentar o tempo de imersão para 30 minutos ainda mostrou que a amostra de 10,75% tem a menor absorção, enquanto a amostra de LTM absorveu mais água do que todos os briquetes misturados e eventualmente se desintegrou. Além disso, 10,75% e 14% das amostras permaneceram intactas no final desse teste. Os resultados do teste de imersão em água de 24 horas para o conjunto de matrizes de 36 mm revelaram que o teor de umidade de 10,75% levou ao aumento da resistência à água e a amostra permaneceu sólida e intacta após removê-la da água. De fato, a amostra de 10,75% permaneceu intacta após 10 dias de imersão. Aquele com 16% de umidade pode quebrar facilmente quando tocado. Embora um alto teor de umidade possa dar a esses briquetes alguma aglutinação com um tratamento hidrotérmico intensificado, isso não ajudou na aglutinação de todos os briquetes ao longo da matriz.
[0081] Isso pode dever-se principalmente ao aumento de rachaduras nos briquetes durante a liberação do excesso de umidade como vapor e a fazer pequenos discos nos briquetes. A temperatura da matriz necessária para o tratamento hidrotérmico também foi reduzida de 250 °C para 175 °C devido à presença de umidade excessiva. Os mesmos resultados foram encontrados para os briquetes de matriz de 34 mm, exceto que as rachaduras começam com um teor de umidade maior que 10%. EXEMPLO 5
[0082] A durabilidade mecânica é um dos parâmetros significativos do ponto de vista de manipulação e transporte usando a infraestrutura de carvão existente. Os resultados do índice de durabilidade de cada amostra são mostrados nas Tabelas 2A e 2B. Nas Tabelas 2A e 2B, o maior índice de durabilidade foi para a amostra de mistura de 10,75%. Esses baixos níveis de umidade reduziram as rachaduras e aumentaram a aglutinação geral (isto é, a aglutinação mecânica) em comparação com outras amostras. A FIG. 3 mostra um gráfico dos valores de durabilidade mecânica medidos versus os valores calculados da densidade aparente e ilustra uma correlação interessante entre o índice de durabilidade e a densidade aparente dos briquetes. Os valores de R-quadrado obtidos próximos a 1 indicam que existe uma boa correlação linear entre a densidade aparente e a durabilidade mecânica dos briquetes. Os resultados das matrizes de 34 mm estabelecidas na Tabela 2A seguiram um comportamento semelhante e essas tendências indicaram que uma boa compactação com melhor densidade fornecia briquetes duráveis fortes. No entanto, o menor índice de durabilidade no LTM de 36 mm em comparação com o LTM de 34 mm pode se referir a uma aglutinação in-situ mais baixa, embora tenha uma densidade maior que a amostra do LTM de 34 mm. Isso pode ser devido às pressões mais altas associadas à matriz de aos 34 mm no processo de briquetagem. Ficou claro que a adição de material HTM reduzia a capacidade de aglutinação e isso poderia ser superado com a adoção de materiais e parâmetros de processo otimizados, tais como umidade, pressões e temperaturas. Nesse estudo, foram fornecidas boas condições pela matriz de 34 mm, 7,5% de umidade na alimentação e temperatura da matriz de 250 °C. EXEMPLO 6
[0083] De acordo com as Tabelas 2A e 2B, maior valor calórico sempre relacionado ao uso de materiais altamente torrefados (HTM). A aglutinação eficaz com equilíbrio otimizado do teor de umidade, parâmetros do processo e mistura de LTM/HTM proporcionou aos briquetes um maior valor de aquecimento. Por outro lado, um maior teor de umidade ajudou a aumentar o valor do aquecimento, promovendo o cozimento hidrotérmico; embora a durabilidade sofra de rachaduras criadas pelo vapor. EXEMPLO 7
[0084] De acordo com a FIG. 4, o aumento do teor de umidade na alimentação reduziu os grupos funcionais portadores de oxigênio, tais como O-H (3350 cm-1), C-O (1050 cm-1) e C=O (1700 cm-1). Essa observação é consistente com a maior hidrofobicidade observada para ciclos de alta umidade no teste da câmara de hidrofobicidade. Isso indicou que o vapor gerado durante a densificação devido à umidade disponível poderia atuar como um agente redutor, levando à desidratação associada. Ciclos de 34 mm demonstram menor funcionalidade de oxigênio em comparação com 36 mm. Isso implicava que, possivelmente, ciclos de 34 mm geravam temperaturas de vapor mais altas devido a pressões mais altas que os ciclos correspondentes de 36 mm e isso ajudava a desidratar/desoxigenar a biomassa em maior extensão. As ligações alifáticas de CH (2950 cm-1) também foram reduzidas nos maiores ciclos de umidade devido à redução do carbono alifático mais fraco, tal como a hemicelulose na biomassa. SUMÁRIO DOS EXEMPLOS 1-7
[0085] Os resultados mostraram que uma mistura de biomassa de HTM e LTM pode ser densificada sem o uso de aglutinates adicionados. A umidade adicionada à mistura de alimentação deu aos briquetes um revestimento tipo parafínico e uma aparência brilhante devido à migração de lignina (arrastada pelo vapor da umidade) do interior dos briquetes. Além disso, pode intensificar a aglutinação in- situ e, assim, aumentar a hidrofobicidade e o valor calorífico. Ao mesmo tempo, pode iniciar rachaduras no produto final que reduzem a densidade e a durabilidade gerais. Maior densidade e durabilidade estavam relacionadas à aglutinação, maior pressão de briquetagem (isto é, usando a matriz de 34 mm) e menor teor de umidade no produto final. O material levemente torrefado pode ser usado como fonte de aglutinates natural (lignina), pois eles fornecem a química e a quantidade de lignina necessária para a aglutinação. Briquetes de níveis misturados torrefados de biomassa com boa aglutinação in-situ podem fornecer bom valor de aquecimento, hidrofobicidade, densidade e durabilidade, e podem ser produzidos em uma produção em larga escala.
INTRODUÇÃO AOS EXEMPLOS 8-9
[0086] Nos exemplos a seguir, foram empreendidos esforços para hidrolisar a biomassa antes da torrefação como uma estratégia de coproduto para melhorar a economia do processo de biocarvão. O valor agregado da xilose recuperada do hidrolisado poderia compensar o preço da produção de biocarvão e ser competitivo com as tecnologias atuais de carvão. Não há estudo anterior que relate a integração da pré-hidrólise para extrair e recuperar açúcares à base de hemicelulose (por exemplo, xilose) e subsequente torrefação da madeira hidrolisada. MATERIAIS E MÉTODOS PARA OS EXEMPLOS 8-9
[0087] As aparas de madeira usadas nos exemplos a seguir foram obtidas da Coleraine Labs Minnesota, Coleraine, Minnesota, Estados Unidos da América. As aparas de madeira foram secas a menos de 10% em peso de umidade. As leituras de equilíbrio de umidade para cada biomassa foram realizadas em amostras de 1 g usando um Modelo de Tecnologia de Pesagem Inteligente IL-50.001 (Intelligent Weighing Technologies, Camarillo, Califórnia, Estados Unidos da América). O ácido sulfúrico usado como catalisador para a reação de hidrólise foi adquirido da VWR (≥ 99% de pureza) (VWR, Radnor, Pensilvânia, Estados Unidos da América) e foi usado como recebido.
[0088] No estudo, a hidrólise ácida diluída foi realizada conforme descrito anteriormente para a extração de açúcar C5. A concentração de ácidos de 4% em peso, com base na biomassa, foi mantida na reação. A reação de hidrólise foi realizada em um reator digestor de 6 L M/K com um tempo de aceleração de 50 min e um tempo de reação de 1 hora em temperatura de 140 °C e pressão de 50 psi (344,74 KPa). Foram usados 300 g de aparas de madeira (peso seco) com 3 L de água. No final da reação, o reator foi resfriado abaixo de 40 °C por um circuito externo de água conectado através de um trocador de calor.
[0089] O hidrolisado produzido a partir da reação foi analisado por HPLC (Water 600E e Agilent 1260 Infinity, Agilent, Santa Clara, Califórnia, Estados Unidos da América) para açúcares e produtos de degradação de açúcar. As aparas de madeira residuais resultantes foram secas durante a noite em um forno a 60 °C para reduzir o teor de umidade para menos que 5% em peso. As aparas de madeira não hidrolisadas e as aparas de madeira hidrolisadas foram submetidas ao tratamento de torrefação em um forno de tubo (MTI, GSL1500X, MTI, Richmond, Califórnia, Estados Unidos da América) operando sob fluxo de nitrogênio de 100 ml/minuto. A temperatura do forno foi mantida a 300 °C por 30 minutos, com um tempo de aumento da temperatura de 10 °C/min. Os pesos das amostras após a torrefação foram registrados para ambas as amostras e foram submetidos a testes de umidade, como detalhado acima. O valor calorífico das amostras de madeira foi medido usando um medidor de calorias IKA C2000. O medidor de calorias foi calibrado usando 1 g de comprimidos benzoicos antes do teste. Para a análise, foi extraído cerca de 1 g de peças sólidas das amostras de madeira. A absorção de umidade das amostras de madeira foi analisada em uma câmara de umidade (Fisher Scientific Humidity Chamber, 905) mantida a 90% de umidade a 30 °C. As amostras de madeira foram secas em forno a vácuo a 60 °C por 24 horas e os pesos secos foram registrados. As amostras secas foram colocadas na câmara de umidade por 24 horas e pesadas posteriormente. A mudança de peso indicou a capacidade de absorver a umidade, que pode ser usada como um indicador da hidrofobicidade da madeira.
[0090] As alterações químicas no nível molecular que ocorreram na madeira durante a hidrólise e a torrefação foram analisadas usando um espectrômetro FTIR ativado por ATR (Spectrum 100, Perkin Elmer, Sheldon, Connecticut, Estados Unidos da América) para pedaços do briquete. Cerca de 20 mg de amostra em pó foram colocadas (peneira <40) sobre o cristal ATR cobrindo todo o cristal. As curvas de FTIR obtidas foram normalizadas para o pico C=C a 1506 cm-1, assumindo uma contagem de anéis aromáticos relativamente inalterada durante o tratamento de MW.
[0091] Também foram realizadas análises térmicas nessas amostras no SDT Q600 para quantificar o teor de cinzas das amostras. Cerca de 10 mg da amostra foram colocadas no forno operando sob ar (gás de arraste) e a temperatura foi elevada até 700 °C usando uma taxa de aquecimento de 500 °C/min. As curvas de perda de peso foram registradas para quantificar a cinza como o peso residual. Imagens de SEM de amostras de madeira não hidrolisada e hidrolisada foram obtidas usando FEI TESCAN SEM 600 para entender as mudanças estruturais que ocorreram durante a hidrólise. EXEMPLO 8
[0092] Como visto na Tabela 3, o hidrolisado de madeira continha uma quantidade significativa de xilose (12 g/L) do açúcar total de 14,4 g/L. Essa seletividade muito alta (82,3%) para xilose foi vantajosa na redução do custo de recuperação como produto químico de plataforma. A Tabela 4 indicou que a hidrólise da madeira aumentou um pouco o conteúdo de energia da madeira e essa intensificação pode ser devido à remoção da hemicelulose rica em oxigênio na madeira hidrolisada em comparação com a celulose e lignina. Curiosamente, as amostras pós-hidrolisadas torrefadas apresentaram um teor energético aumentado de 5,5% em comparação com a madeira não tratada torrefada. TABELA 3 Produtos de Açúcar em Hidrolisado de Madeira Ácido Xilose Glicose Arabinose Açúcares totais Concentração de açúcar 11,8 1,0 1,5 14,4 (g/L) Seletividade de Açúcar 82,3 7 10,7 (%)
[0093] Para entender essa dramática intensificação de energia, análises adicionais foram realizadas como detalhado abaixo. Como mencionado na seção do método, os espectros de FTIR foram normalizados para o pico aromático a 1505 cm-1, assumindo anéis aromáticos intactos de anel único que se originam da lignina (FIG. 5). Como esperado, as funcionalidades de oxigênio que incluem OH (3000 cm-1), CO (1100 cm-1) e CH alifático (2800 cm-1, 1300-1400 cm-1) caem drasticamente na madeira pós-hidrolisada com a remoção de hemicelulose alifático rico em oxigênio. Ambas as amostras torrefadas (não hidrolisadas e hidrolisadas) apresentaram tendência similar de redução de funcionalidades de oxigênio e diminuição de alifáticos. As ligações C=O (1700 cm-1) aumentaram significativamente para amostras torrefadas que poderiam ser provenientes da desidrogenação de ligações COH alifáticas. Interessantemente, o C=C aromático a 1600 cm-1, que representa predominantemente poliaromáticos, aumentou dramaticamente para amostras torrefadas. Provavelmente, esses fatores podem vir da desidratação e desidrogenação da fração de carboidrato da biomassa, pois as reações de abertura do anel de lignina necessárias para formar poliaromáticos não são plausíveis nas temperaturas de reação empregadas na torrefação (300 °C). Para amostras torrefadas, as funcionalidades de alceno alifático (1650 cm-1) também foram aumentadas drasticamente com possíveis reações de desidrogenação na fração de carboidrato da biomassa.
Interessantemente, a amostra hidrolisada teve uma quantidade significativamente menor desses poliaromáticos e alcenos, apoiando a noção de que estes se originaram de carboidratos.
Esses resultados indicaram claramente que a madeira hidrolisada gerou menos fuligem e finos com estrutura poliaromática durante a torrefação.
Acreditava-se que esse achado poderia ser muito útil na redução de finos na biomassa torrefada, o que constitui um grande obstáculo para a comercialização de biomassa torrefada e densificada como uma alternativa ao carvão.
TABELA 4 Características físicas de Madeira Hidrolisada e Torrefada Tipo Valor de Teor de Absorção de Rendimento Aquecimento Umidade umidade (% a partir (Btu/lb) (% a partir (% a partir da (1 lb = de peso seco) de peso seco) alimentação) 0,45 Kg) Madeira não Tratada 6,3 8570 16,6 -
Madeira Hidrolisada 5,3 8656 12,8 -
Madeira não Tratada 4,7 9168 - 70,9 Torrefada
Madeira Hidrolisada 4,3 9671 - 71,0 Torrefada
[0094] A combustão de ar por TGA realizada (FIG. 6) para madeira não tratada e hidrolisada demonstrou que a madeira não tratada tinha cinzas sobrando significativamente mais altas (~ 5% em peso) após a combustão em comparação com a madeira hidrolisada (~ 2,5% em peso). Esta gota de cinza pode ser atribuída à lixiviação de cinzas durante a hidrólise ácida, que funcionou como uma etapa de purificação da madeira, além de outras vantagens mencionadas acima. Essa redução de cinzas pode ser extremamente benéfica para o processo de combustão de biomassa torrefada, considerando etapas operacionais adicionais que devem ser incorporadas para remover as cinzas. Além disso, como mostrado na FIG. 6, os resultados indicaram que a madeira hidrolisada completou a combustão antes da madeira não tratada (550 °C vs 600 °C), indicando características superiores de combustão em comparação com a madeira não tratada, potencialmente levando a um tempo de redução reduzido (aumento da taxa de produção) no reator de torrefação. Nas imagens de microscopia eletrônica por varredura (SEM), as amostras de madeira hidrolisada apresentaram um número considerável de poros, ausentes nas amostras de madeira não hidrolisada. Essa porosidade intensificada pode ser atribuída ao aumento dramático do valor calorífico durante a torrefação, possivelmente devido à intensificação da transferência de calor e massa que prevaleceu na madeira hidrolisada em comparação com a madeira não hidrolisada. EXEMPLO 9
[0095] Uma análise tecnoeconômica foi realizada para comparar os dois cenários de produção de briquetes de biomassa torrefada com extração com xilose e sem extração com xilose. As bases para esta análise estão detalhadas na Tabela 5 mostrada abaixo. TABELA 5 Base para cálculos de custos Fator Valor Comentário 1 MT de aparas de madeira (verde) $80 50% de Umidade 1 MT de grânulos/briquetes de madeira $220 torrefados 1 ton de xilose $2.000 ($1/lb) Ton curta (1 ton (1 lb = 0,45 curta = 907,18 Kg) kg) Rendimento de madeira Torrefada 70% (80% max) Rendimento de Xilose 20% (25% max) Custos Operacionais 40% De receita total Capacidade da Usina 100.000 MT/ano Grânulos/briquetes de madeira torrefados
[0096] Assumindo um preço de US$ 80/MT para as aparas de madeira verde com um teor de umidade de 50%, a torrefação aumentou o valor das aparas de madeira para um preço de US$220/MT. O preço da xilose foi adotado a partir de todo o preço de mercado de venda. O rendimento de madeira torrefada e o rendimento de xilose foram assumidos em 70% em peso e 20% em peso da alimentação. O custo operacional foi estimado em 40% da receita total. Para o cenário de extração de xilose, assumiu-se que a madeira hidrolisada apresentava um teor de umidade de aproximadamente 50%, o mesmo que as aparas de madeira de alimentação.
[0097] A Tabela 6 mostra os resultados do cálculo de custo realizado para esses dois cenários.
O custo estimado da usina aumentou em US$ 5.000.000 para o cenário extraído com xilose devido ao equipamento adicional necessário, que inclui o hidrolisador e a unidade de separação de xilose.
O custo das aparas de madeira seria de quase US$22,9 milhões para os dois casos.
Quando as receitas foram comparadas, o cenário de xilose gera US$50 milhões a mais por ano, principalmente devido à receita de xilose por produto, que totaliza US$57 milhões.
A receita da madeira torrefada aumentou em US$2 milhões.
O rendimento foi de 70% devido ao maior BTU associado à madeira extraída com xilose torrefada.
Os custos operacionais calculados em 40% da receita foram comparativamente mais altos no cenário com xilose.
A recuperação do caso base calculado para o cenário com xilose forneceu um valor de 0,8 anos, em comparação com o valor negativo obtido para o cenário não hidrolisado, onde é impossível recuperar como receita após a carga de alimentação e os custos operacionais foram negativos.
Quando a sensibilidade da recuperação é analisada para diferentes custos de carga de alimentação de biomassa, é evidente que só é possível ter um valor de recuperação positivo se o valor da carga de alimentação for menor que US$40/tonelada, o que é muito improvável.
TABELA 6 Resultados da Análise de Custos Sem Xilose Com Xilose Custo da usina $15.000.000 $20.000.000 (estimado) Custo de aparas de $22.857.143 madeira (verde) Receita: $22.000.000 $79.771.429 Grânulos/briquetes de $22.000.000 $22.628.571 madeira torrefados
9170 BTU/lb 9670 BTU/lb BTU de Xilose torrefado (1 lb = 0,45 kg) (1 lb = 0,45 kg) $57.142.857 Custos Operacionais $8.800.000 $31.908.571 Recuperação (anos) (1,55) 0,80 Recuperação Custo de aparas de Sem Xilose Com Xilose madeira ($/ton) $20 2,00 0,47 $40 8,47 0,55 $60 (3,80) 0,65 $80 (1,55) 0,8 RESUMO DOS EXEMPLOS 8-9
[0098] No estudo anterior, foi realizada hidrólise da madeira para extrair açúcares C5 antes da torrefação da madeira residual para produzir biocarvão. O hidrolisado de madeira continha xilose a uma concentração de 11,8 g/L com uma seletividade muito alta de 82%. A madeira hidrolisada mostrou um ligeiro aumento no valor calorífico em comparação com a madeira não hidrolisada, mas o mais interessante é que o aumento do valor calórico foi significativo para a madeira hidrolisada torrefada em comparação com a madeira não hidrolisada torrefada. De acordo com a análise FTIR, tanto a hidrólise quanto a torrefação reduziram a funcionalidade do oxigênio, indicando aumento da hidrofobicidade. Essa observação foi apoiada pela menor absorção de umidade na madeira hidrolisada em comparação com a madeira não hidrolisada. As imagens de SEM mostraram intensificação significativa da porosidade para amostras de madeira hidrolisada. Esses resultados demonstraram coletivamente que a hidrólise aumentou a porosidade e a hidrofobicidade e que isso facilitou a torrefação na melhoria do valor calorífico. O teor de cinzas também foi reduzido devido à lixiviação por hidrólise e isso fornece uma vantagem considerável na manipulação durante a combustão. Além disso, as análises tecnoeconômicas preliminares realizadas indicam que nosso cenário pode gerar NPV significativamente maior que a madeira não tratada. Em resumo, o estudo demonstrou que a extração de madeira com base em hidrólise C5 pode ser empregada como uma etapa de pré-tratamento que fornece uma adição significativa de valor como açúcares da plataforma C5, além de fornecer baixo teor de cinzas e produtos de biocombustível com maior energia.
EXEMPLOS ADICIONAIS Ensaio de briquetadeira
[0099] Máquina: C.F. Nielsen BPU3200
[00100] Configuração da matriz (diâmetro em mm): (42‐ 36)(36‐36)(36‐36)(36‐40)
[00101] Temperatura: 250 °C
[00102] Material: Mistura de 20% de HTM e 80% de LTM
[00103] MC = 14%, o material foi processado como recebido sem pré-aquecimento Resultados:
[00104] 1. O Ensaio foi bem sucedido.
[00105] 2. A expansão dos briquetes produzidos também foi menor em comparação com os produzidos apenas de LTM.
[00106] 3. Embora os briquetes tenham pequenas rachaduras, eles não se dividiram em pequenos discos.
[00107] 4. A aglutinação nesses briquetes foi melhor por causa do aumento do teor de umidade.
[00108] 5. O teste de imersão em água revelou que esses briquetes eram melhores em hidrofobicidade.
[00109] 6. 14% de MC com 20% de HTM eram brilhantes. Ensaio de Briquete Sumário:
[00110] 1. Foram realizados dois testes usando mistura de LTM e HTM.
[00111] 2. Configuração da matriz (diâmetro em mm):(42- 36)(36-36)(36-36)(36-40)
[00112] 3. Temperatura: 250 °C
[00113] 4A. Material: Mistura de (10 e 20%) HTM com (90 e 80%) LTM MC = 9,55%, o material foi processado como recebido sem pré-aquecimento
[00114] 4B. Material: Mistura de 20% de HTM e 80% de LTM MC = 14%, o material foi processado como recebido sem pré- aquecimento
[00115] 5. Esses ensaios mostraram que um aumento na umidade melhorou significativamente a dureza e a hidrofobicidade para a mistura de 80:20 de LTM e HTM.
[00116] 6. A expansão dos briquetes produzidos também foi menor em comparação aos produzidos apenas com LTM.
[00117] 7. Embora os briquetes tenham pequenas rachaduras, eles não se dividiram em pequenos discos.
[00118] 8. Parece que a aglutinação nesses briquetes foi melhor por causa do aumento do teor de umidade e de algum pré-aquecimento
[00119] 9. O teste de imersão em água revelou que os briquetes do teste permaneceram intactos após 48 horas de imersão. Isso parece mostrar que esses briquetes têm um nível aceitável de hidrofobicidade. Ensaio de Briquete
[00120] 1. Máquina: C.F. Nielsen BPU 3200
[00121] 2. Configuração de matriz (diâmetro em mm):(42- 36)(36-36)(36-36)(36-40)
[00122] 3. Temperatura de pré-aquecimento da matriz: 250
°C; Temperatura de operação da matriz: 220 °C
[00123] 4. Material: Mistura de 20% de HTM e 80% de LTM MC = 10,28%, o material foi pré-aquecido a cerca de 50 °C. Resultados:
[00124] 1. Os briquetes produzidos apresentaram boa densidade de recheio, formação suave, menos rachaduras e mostraram melhor aglutinação (os briquetes não se dividiram em pequenos discos) em comparação com outros ciclos.
[00125] 2. A expansão radial (diâmetro em torno de 37 mm) do briquete acabado foi menor em comparação com os produzidos apenas com LTM.
[00126] 3. Semelhante a outros ensaios, os briquetes apresentaram boa hidrofobicidade, pois não foram observadas alterações na integridade do briquete, mesmo após 72 horas de imersão em água.
[00127] 4. O briquete ganhou peso após 24 horas de imersão em água. O peso aumentou de 48 g para 66 g. Além disso, o diâmetro da amostra aumentou de 37 mm a 40 mm. O fato de o briquete permanecer intacto após 72 horas e ser possível retirá-lo da água confirma que a ligação hidrofóbica está sendo promovida no briquete.
[00128] Todas as publicações, as patentes e os pedidos de patente mencionados nesse relatório descritivo são incorporados nesse documento por referência na mesma extensão que se cada publicação, patente ou pedido de patente individual fosse específico e individualmente indicado para ser incorporado por referência, incluindo as referências estabelecidas na seguinte lista:
1. Tag A.T., Dumana G., Ucarb S., Yanika J.;
ʺEffects of feedstock type and pyrolysis temperature on potential applications of biocharʺ, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 120 (2016) 200–206.
2. Wang C., Peng J., Li H., Bi X.T., Legros R., Lim C.J., Sokhansanj S.; ʺOxidative torrefaction of biomass residues and densification of torrefied sawdust to pelletsʺ, Bioresource Technology, 127 (2013) 318–325.
3. Bridgeman T.G., Jones J.M, Shield I., Williams P.T.; ʺTorrefaction of reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion propertiesʺ, Fuel 87 (2008) 844–856.
4. Yang Z., Sarkar M., Kumar A., Tumuluru J.S., Huhnke R.L.; ʺEffects of torrefaction and densification on switchgrass pyrolysis Productsʺ, Bioresource Technology, 174 (2014) 266–273.
5. Anukam A., Mamphweli S., Reddy P., Okoh O., Meyer E.; ʺAn Investigation into the Impact of Reaction Temperature on Various Parameters during Torrefaction of Sugarcane Bagasse Relevant to Gasificationʺ, Hindawi Publishing Corporation, Journal of Chemistry, Volume 2015, Artigo ID 235163, 12 páginas.
6. Asadullah M., Adi A.M., Suhada N., Malek N.H., Saringat M.I., Azdarpour A.; ʺOptimization of palm kernel shell torrefaction to produce energy densified bio-coalʺ, Energy Conversion and Management 88 (2014) 1086–1093.
7. Chen W.H., Peng J., Bi X.T.; ʺA state-of-the-art review of biomass torrefaction, densification and applicationsʺ, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 44 (2015) 847–866.
8. Ghiasi B., Kumar L., Furubayashi T., Lim C.J.,
Bi X., Kim C.S., Sokhansanj S; ʺDensified biocoal from woodchips: Is it better to do torrefaction before or after densification? ʺ, Applied Energy 134 (2014) 133–142.
9. Guo L., Wang D., Tabil L.G., Wang G.; ʺCompression and relaxation properties of selected biomass for briquettingʺ, Biosystems engineering, 148 (2016) 101-
110.
10. Nanou P., Huijgen W.J.J., Carbo M.C., Kiel J.H.A.; ʺThe role of lignin in the densification of torrefied wood in relation to the final product propertiesʺ, Biomass and Bioenergy xxx (2017) 1-15.
11. Peng J., Wang J., Bi X.T., Lim C.J., Sokhansanj S., Peng H., Jia D.; ʺEffects of thermal treatment on energy density and hardness of torrefied wood pelletsʺ, Fuel Processing Technology 129 (2015) 168–173.
12. Peng J.H., Bi X.T., Sokhansanj S., Lim C.J.; ʺTorrefaction and densification of different species of softwood residuesʺ, Fuel, 111 (2013) 411–421.
13. Li H., Liu X., Legros R., Bi X.T., Lim C.J., Sokhansanj S.; ʺPelletization of torrefied sawdust and properties of torrefied pelletsʺ, Applied Energy 93 (2012) 680–685.
14. Larsson S.H., Rudolfsson M., Nordwaeger M., Olofsson I., Samuelsson R.;ʺEffects of moisture content, torrefaction temperature, and die temperature in pilot scale pelletizing of torrefied Norway spruceʺ, Applied Energy 102 (2013) 827–832.
15. Peng J., Bi X.T., Lim C.J., Peng H., Kim C.S., Jia D., Zuo H.; ʺSawdust as an effective binder for making torrefied pelletsʺ, Applied Energy 157 (2015) 491–498.
16. Araújo S. et.al.; ʺEffect of a mild torrefaction for production of eucalypt wood briquettes under different compression pressuresʺ, Biomass and Bioenergy, 90 (2016) 181-186.
17. Järvinen T., Agar D.; ʺExperimentally determined storage and handling properties of fuel pellets made from torrefied whole-tree pine chips, logging residues and beech stem woodʺ, Fuel, 129 (2014) 330–339.
18. Hu Q., Shao J., Yang H., Yao D., Wang X., Chen H.; ʺEffects of binders on the properties of bio-char pelletsʺ, Applied Energy 157 (2015) 508–516.
19. Kong L., Tian S., Li Z., Luo R., Chen D., Tu Y., Xiong Y.; ʺConversion of recycled sawdust into high HHV and low NOx emission bio-char pellets using lignin and calcium hydroxide blended bindersʺ, Renewable Energy 60 (2013) 559e565.
20. Zhong Q., Yang Y., Li Q., Xu B., Jiang T.; ʺCoal tar pitch andmolasses blended binder for production of formed coal briquettes from high volatile coalʺ, Fuel Processing Technology 157 (2017) 12–19.
21. Teixeira S.R., Pena A.F.V., Miguel A.G.; ʺBriquetting of charcoal from sugar-cane bagasse fly ash (scbfa) as an alternative fuelʺ, Waste Management 30 (2010) 804–807.
22. Bhagwanrao S.V., Singaravelu M.; ʺBulk density of biomass and particle density of their briquettesʺ, Int. J. Agricultural Eng., Issue1, 7 (2014) 221-224.
23. Kaliyan N., Vance Morey R.; ʺ Factors affecting strength and durability of densified biomass productsʺ, Biomass and Bioenergy 33 (2009) 337–359
24. Bazargan A., Rough S.L., McKay G.; ʺCompaction of palm kernel shell biochars for application as solid fuelʺ, Biomass and Bioenergy, 70 (2014) 489-497.
25. Temmerman M. et al; ʺComparative study of durability test methods for pellets and briquettesʺ, Biomass and Bioenergy 30 (2006) 964–972.
26. ISO 12510: Solid biofuels — Determination of mechanical durability of pellets and briquettes.
27. Kaliyan N., Vance Morey R.; ʺNatural binders and solid bridge type binding mechanisms in briquettes and pellets made from corn stover and switchgrassʺ, Bioresource Technology 101 (2010) 1082–1090.
28. J. S. Tumuluru & L. G. Tabil & Y. Song & K. L. Iroba; ʺImpact of process conditions on the density and durability of wheat, oat, canola, and barley straw briquettesʺ, Bioenergy Research 8 (2015) 388–401.
29. Speight, J. G., Coal-fired power generation handbook. John Wiley & Sons: 2013.
30. Brown, T. R.; Thilakaratne, R.; Hu, G.; Brown, R. C., Techno-economic analysis of biomass to transportation fuels and electricity via fast pyrolysis and hydroprocessing. Fuel 2013, 106, 463-469.
31. Detels, R.; Tashkin, D. P.; Sayre, J. W.; Rokaw, S. N.; Massey Jr, F. J.; Coulson, A. H.; Wegman, D. H., The UCLA population studies of CORD: X. A cohort study of changes in respiratory function associated with chronic exposure to SOx, NOx, and hydrocarbons. American Journal of Public Health 1991, 81 (3), 350-359.
32. Costello, J.; Ortmeyer, C.; Morgan, W., Mortality from lung cancer in US coal miners. American journal of public health 1974, 64 (3), 222-224.
33. Ortmeyer, C. E.; Costello, J.; Morgan, W. K. C.; Sweeker, S.; Peterson, M., The mortality of Appalachian coal miners, 1963 to 1971. Archives of Environmental Health: An International Journal 1974, 29 (2), 67-72.
34. Palmer, M. A.; Bernhardt, E. S.; Schlesinger, W. H.; Eshleman, K. N.; Foufoula-Georgiou, E.; Hendryx, M. S.; Lemly, A. D.; Likens, G. E.; Loucks, O. L.; Power, M. E., Mountaintop mining consequences. Science 2010, 327 (5962), 148-149.
35. Falkowski, P.; Scholes, R.; Boyle, E.; Canadell, J.; Canfield, D.; Elser, J.; Gruber, N.; Hibbard, K.; Högberg, P.; Linder, S., The global carbon cycle: a test of our knowledge of earth as a system. science 2000, 290 (5490), 291-296.
36. Brown, R. C.; Brown, T. R., Why are We Producing Biofuels? Brownia LLC: 2012.
37. Brown, R. C.; Brown, T. R., Biorenewable Resources: Engineering New Products form Agriculture. 2 ed.; John Wiley & Sons Inc.: 2014.
38. Raveendran, K.; Ganesh, A., Heating value of biomass and biomass pyrolysis products. Fuel 1996, 75 (15), 1715-1720.
39. Cardona, C. A.; Sánchez, Ó. J., Fuel ethanol production: process design trends and integration opportunities. Bioresource technology 2007, 98 (12), 2415-
2457.
40. Solomon, S., Climate change 2007-the physical science basis: Working group I contribution to the fourth assessment report of the IPCC. Cambridge University Press:
2007; Vol. 4.
41. Demirbaş, A., Biomass resource facilities and biomass conversion processing for fuels and chemicals. Energy conversion and Management 2001, 42 (11), 1357-1378.
42. Yaman, S., Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Conversion and Management 2004, 45 (5), 651-671.
43. Outlook, A. E., Energy information administration. Department of Energy 2010, 92010 (9), 1-15.
44. Searcy, E. M.; Hess, J. R. Uniform-Format Feedstock Supply System: A Commodity-Scale Design to Produce an Infrastructure-Compatible Biocrude from Lignocellulosic Biomass; INL/EXT-10-20372; Idaho National Laboratory, USA:
2010.
45. Esau, K., Plant anatomy. Plant Anatomy. 1965, (2nd Edition).
46. Gori, S. S.; Raju, M. V. R.; Fonseca, D. A.; Satyavolu, J.; Burns, C. T.; Nantz, M. H., Isolation of C5- Sugars from the Hemicellulose-Rich Hydrolyzate of Distillers Dried Grains. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2015, 3 (10), 2452-2457.
47. Riera, F. A.; Alvarez, R.; Coca, J., Production of furfural by acid hydrolysis of corncobs. Journal of chemical technology and biotechnology 1991, 50 (2), 149-155.
48. Fonseca, D. A.; Lupitskyy, R.; Timmons, D.; Gupta, M.; Satyavolu, J., Towards integrated biorefinery from dried distillers grains: Selective extraction of pentoses using dilute acid hydrolysis. Biomass and Bioenergy 2014, 71, 178-186.
[00129] Será entendido que vários detalhes do assunto divulgado atualmente podem ser alterados sem se afastar do escopo do assunto divulgado nesse documento.
Além disso, a descrição anterior é apenas para fins ilustrativos e não para fins de limitação.
Claims (24)
1. Briquete de biomassa torrefada, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) cerca de 10% a cerca de 95% de um material altamente torrefado (HTM) e cerca de 5% a cerca de 90% de um material levemente torrefado (LTM); (b) uma biomassa torrefada hidrolisada com ácido tendo um perfil de FTIR que compreende uma ou mais de funcionalidades de oxigênio reduzida(s) em comparação com a biomassa não submetida à hidrólise ácida; ou (c) uma combinação de (a) e (b).
2. Briquete, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, antes da densificação, o HTM e o LTM têm um teor de umidade combinado de cerca de 7% a cerca de 15%.
3. Briquete, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que, após a densificação, o briquete tem um teor de umidade de cerca de 3% a cerca de 10%.
4. Briquete, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o briquete exibe ligação in situ à base de lignina e está livre de um aglutinante adicionado.
5. Briquete, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o briquete tem uma densidade na faixa de cerca de 1 a cerca de 1,5 g/cm3.
6. Briquete, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o briquete tem um valor de índice de durabilidade de cerca de
5% a mais de cerca de 90%.
7. Briquete, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a hidrofobicidade do briquete é aumentada em relação a um briquete que inclui apenas LTM.
8. Briquete, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o briquete tem um valor calorífico de cerca de 8.000 BTU/lb (18608 kJ/kg) a cerca de 10.000 BTU/lb (23260 kJ/kg).
9. Método para produzir um briquete de biomassa torrefada, caracterizado pelo fato de que compreende: produzir uma mistura que compreende cerca de 10% a cerca de 95% de um material altamente torrefado (HTM) e cerca de 5% a cerca de 90% de um material levemente torrefado (LTM); pré-aquecer a mistura a uma temperatura predeterminada; comprimir e aquecer simultaneamente a mistura.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que, antes da compressão e do aquecimento, o HTM e o LTM têm um teor de umidade combinado de cerca de 7% a cerca de 15%.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9 ou reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que, após a compressão e o aquecimento, o briquete tem um teor de umidade de cerca de 3% a cerca de 10%.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que a mistura é pré- aquecida a uma temperatura de cerca de 40ºC a cerca de 80ºC.
13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de ajustar o teor de umidade da mistura antes da compressão.
14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que o aquecimento da mistura compreende aquecer a mistura em um molde a uma temperatura de cerca de 200ºC a cerca de 250ºC.
15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14, caracterizado pelo fato de que a mistura não inclui um aglutinante.
16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 15, caracterizado pelo fato de que o LTM e/ou o HTM da mistura são formados fornecendo uma biomassa; e submetendo essa biomassa a uma hidrólise ácida.
17. Briquete de biomassa torrefada, caracterizado pelo fato de que é produzido pelo método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 9 a 16.
18. Método para produzir uma biomassa torrefada, caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer uma quantidade de biomassa; submeter a biomassa a uma hidrólise ácida para produzir uma biomassa hidrolisada; e torrefação da biomassa hidrolisada.
19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a biomassa compreende madeira.
20. Método, de acordo com a reivindicação 18 ou 19, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de secagem da biomassa antes da torrefação da biomassa hidrolisada.
21. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 20, caracterizado pelo fato de que uma porção da biomassa hidrolisada é submetida à torrefação a uma temperatura que varia de cerca de 160ºC a cerca de 220ºC e/ou uma porção do material hidrolisado é torrefada a temperaturas acima de cerca de 240ºC.
22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a compressão da biomassa hidrolisada; e simultaneamente aquecimento da biomassa hidrolisada a uma temperatura predeterminada para formar um briquete de biomassa torrefada.
23. Biomassa torrefada, caracterizada pelo fato de ser produzida pelo método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 18 a 21.
24. Briquete de biomassa torrefada, caracterizado pelo fato de que é produzido pelo método, conforme definido na reivindicação 22.
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| EP (1) | EP3724300A4 (pt) |
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| WO (1) | WO2019118565A1 (pt) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11174443B2 (en) * | 2017-12-12 | 2021-11-16 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Torrefied biomass briquettes and related methods |
| CN113046106A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-06-29 | 杜玉婷 | 一种提高入炉煤堆密度的处理装置及方法 |
| US11952548B2 (en) * | 2021-07-26 | 2024-04-09 | Michigan Technological University | Systems, methods and techniques for torrefaction |
Family Cites Families (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FI810523L (fi) * | 1980-02-23 | 1981-08-24 | Franz Johann Reitter | Foerfarande och anlaeggning foer kontinuerlig hydrolys av cellulosahaltig vaext-biosubstans foer utvinning av socker |
| US20030221363A1 (en) * | 2002-05-21 | 2003-12-04 | Reed Thomas B. | Process and apparatus for making a densified torrefied fuel |
| US7942942B2 (en) * | 2006-05-21 | 2011-05-17 | Paoluccio John A | Method and apparatus for biomass torrefaction, manufacturing a storable fuel from biomass and producing offsets for the combustion products of fossil fuels and a combustible article of manufacture |
| US20090151253A1 (en) * | 2007-12-17 | 2009-06-18 | Range Fuels, Inc. | Methods and apparatus for producing syngas and alcohols |
| EP2318487B1 (en) * | 2008-07-04 | 2019-05-01 | University of York | Microwave torrefaction of biomass |
| CN102245748A (zh) * | 2008-12-15 | 2011-11-16 | 齐尔可生物质燃料公司 | 产生颗粒或压块的方法 |
| US8063258B2 (en) * | 2009-05-22 | 2011-11-22 | Kior Inc. | Catalytic hydropyrolysis of organophillic biomass |
| US9057037B2 (en) * | 2010-04-20 | 2015-06-16 | River Basin Energy, Inc. | Post torrefaction biomass pelletization |
| US10377954B2 (en) * | 2010-11-09 | 2019-08-13 | Board Of Regents Of The Nevada System Of Higher Education, On Behalf Of The University Of Nevada, Reno | Method for wet torrefaction of a biomass |
| NL2007106C2 (en) * | 2010-12-01 | 2013-01-15 | Biolake B V | Apparatus and process for the thermal treatment of biomass. |
| EP2686404A4 (en) * | 2011-03-17 | 2014-08-13 | Solazyme Inc | PYROLYTIC OIL AND OTHER COMBUSTIBLE COMPOSITIONS FROM MICROBIAL BIOMASS |
| US9127227B2 (en) * | 2011-09-16 | 2015-09-08 | Astec, Inc. | Method and apparatus for processing biomass material |
| EP3176244A1 (en) * | 2011-11-04 | 2017-06-07 | River Basin Energy, Inc. | Method to pelletize torrefied biomass |
| US8906657B2 (en) | 2012-03-19 | 2014-12-09 | Api Intellectual Property Holdings, Llc | Processes for producing fermentable sugars and energy-dense biomass for combustion |
| US20130295628A1 (en) * | 2012-05-02 | 2013-11-07 | Api Intellectual Property Holdings, Llc | Processes for producing energy-dense biomass and sugars or sugar derivatives, by integrated hydrolysis and torrefaction |
| CA2879247A1 (en) * | 2012-07-19 | 2014-01-23 | Michael A. Lake | Energy pellet |
| US9562204B2 (en) * | 2012-09-14 | 2017-02-07 | Astec, Inc. | Method and apparatus for pelletizing blends of biomass materials for use as fuel |
| DE102012020166A1 (de) * | 2012-10-13 | 2014-04-30 | Green Sugar Gmbh Produktinnovationen Aus Biomasse | Verfahren zur Hydrolyse von pelletierfähigen Biomassen mittels Halogenwasserstoffsäuren |
| US10590359B2 (en) * | 2013-03-15 | 2020-03-17 | Gas Technology Institute | Hydrothermally carbonized biomass formed via reactive twin-screw extrusion |
| US10442995B2 (en) * | 2013-03-15 | 2019-10-15 | Gas Technology Institute | Rapid production of hydrothermally carbonized biomass via reactive twin-screw extrusion |
| WO2014165995A1 (en) * | 2013-04-09 | 2014-10-16 | Diacarbon Technologies Inc. | Torrefaction process |
| US9315750B2 (en) * | 2013-06-27 | 2016-04-19 | Api Intellectual Property Holdings, Llc | Processes for producing biomass pellets and sugars |
| WO2015088983A1 (en) | 2013-12-09 | 2015-06-18 | Cavitation Technologies, Inc. | Processes for extracting carbohydrates from biomass and converting the carbohydrates into biofuels |
| US11414613B2 (en) * | 2014-07-07 | 2022-08-16 | Battelle Energy Alliance, Llc | Methods of forming densified biomass |
| US9938466B2 (en) * | 2014-09-05 | 2018-04-10 | Gas Technology Institute | Use of carbon dioxide generated by hydropyrolysis for process inertization |
| US10407453B2 (en) | 2015-04-07 | 2019-09-10 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Process for isolating C5 sugars from biomass hydrolyzate |
| WO2017025511A1 (en) * | 2015-08-10 | 2017-02-16 | Biogasol Aps | Mixed composition biomass pellets |
| US10221359B2 (en) * | 2016-09-20 | 2019-03-05 | Anthony Phan | Biomass treatment process and apparatus |
| US11174443B2 (en) * | 2017-12-12 | 2021-11-16 | University Of Louisville Research Foundation, Inc. | Torrefied biomass briquettes and related methods |
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