Avaliação termodinâmica de rotas termoquímicas de conversão de biomassa lignocelulósica visando a produção de hidrogênio

Abstract

RESUMO: Este trabalho visa realizar um estudo comparativo entre rotas termoquímicas de pirólise, gaseificação em água supercrítica, reforma a vapor, oxidativa e autotérmica para produção de hidrogênio a partir de biomassa. O trabalho tem caráter téorico-computacional em uma abordagem termodinâmica, que utiliza metodologias de minimização da energia de Gibbs e maximização de entropia para simular reatores isotérmicos e adiabáticos, respectivamente e prever o comportamento das reações que levam a degradação da biomassa e seu comportamento térmico. Para a realização das simulações foi utilizado o software GAMS e nele foram inseridos diferentes valores de temperatura, entre 500 e 1200 K; e de pressão, entre 1 e 40 bar para as demais rotas e para SCWG, entre 230 à 280 bar. Os resultados obtidos mostraram que as regiões de maiores quantidades de mols de hidrogênio produzidas foram em temperaturas mais altas (≥ 900 K) e nas pressões mais baixas testadas (5 bar para pirólise; 230 bar para SCWG e 1 bar para as demais rotas). Além disso, foi verificado qual tipo de operação (adiabática ou isotérmica) é mais favorável para produção de hidrogênio para cada rota termoquímica abordada, bem como o comportamento térmico das reações envolvidas na formação de hidrogênio em cada um dos casos avaliados, sendo: adiabático para SWCG e isotérmico para as demais rotas. Foi verificado também que reatores adiabáticos resultaram em maiores produtividades de gás de síntese para os processos de reforma a vapor e de pirólise; e reatores isotérmicos resultaram em melhor qualidade do gás de síntese produzido (avaliada em razão molar H2/CO 2:1) para os processos de reforma oxidativa, reforma autotérmica e SCWG. A reforma a vapor apresentou o melhor resultado para qualidade da produção de gás de síntese, com uma razão molar H2/CO de 1,7.__ABSTRACT: This work aims to carry out a comparative study between thermochemical routes of pyrolysis, gasification in supercritical water, steam reforming, oxidative and autothermal to produce hydrogen from biomass. The work has a theoretical-computational character in a thermodynamic approach, which uses methodologies of minimization of Gibbs energy and maximization of entropy to simulate isothermal and adiabatic reactors, respectively, and to predict the behavior of the reactions that lead to the degradation of biomass and its thermal behavior. To carry out the simulations, the GAMS software was used and different temperature values were inserted, between 500 and 1200 K; and pressure, between 1 and 40 bar for the other routes and for SCWG, between 230 and 280 bar. The results obtained showed that the regions with the highest amounts of moles of hydrogen produced were at higher temperatures (≥ 900 K) and at the lowest pressures tested (5 bar for pyrolysis; 230 bar for SCWG and 1 bar for the other routes). In addition, it was verified which type of operation (adiabatic or isothermal) is more favorable for the production of hydrogen for each thermochemical route addressed, as well as the thermal behavior of the reactions involved in the formation of hydrogen in each of the evaluated cases, being: adiabatic for SWCG and isothermal for the other routes. It was also verified that adiabatic reactors resulted in higher yields of synthesis gas for the steam reforming and pyrolysis processes; and isothermal reactors resulted in better quality of the synthesis gas produced (assessed in molar ratio H2/CO 2:1) for the processes of oxidative reform, autothermal reform and SCWG. Steam reforming showed the best result for the quality of synthesis gas production, with a molar ratio H2/CO of 1.7.