Biocombustíveis de 2ª Geração

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15/05/2024

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

EEN 603 - BIOCOMBUSTÍVEIS

Biocombustíveis de 2ª geração pela Rota
Termoquímica
(Parte 1)

Autor: Prof. Dr. Christian Jeremi Coronado Rodriguez

Itajubá - MG, novembro 2023

1. Introdução.
 BTL (Biomassa to Liquid):
 Substancia liquidas com propriedades semelhantes a dos combustíveis fósseis
2. Combustíveis obtidos a partir do syngas.

3. Etapas da produção de metanol via gaseificação de
Biomassa.
1. Pré-tratamento da matéria prima
2. Gaseificação da Biomassa
3. Tratamento de gás de síntese
4. Reforma dos hidrocarbonetos
CH4 + H2O  CO + 3 H2
C2H4 + 2 H2O  2 CO + 4 H2
C2H6 + 2 H2O  2 CO + 5 H2

5. Ajuste H2/CO
CO + H2O  CO2 + H2
6. Síntese do metanol: Reator Lurgi (conversão catalítica do syngas em baixas pressões
na fase gasosa)
 Vantagens:
 Baixos investimentos e custos de produção
 Melhor confiabilidade operacional e maior flexibilidade na escolha do tamanho
da planta
 Não gera subprodutos, logo não há impacto ambiental
 Alta eficiência energética
 Desvantagens:
 A conversão de metanol é limitada pelas condições de equilíbrio
CO + 2 H2  CH3OH
CO2 + 3 H2  CH3OH + H2O
 A estequiometria de ambas as reações é satisfeita quando o coeficiente R apresenta um
mínimo de 2,03:
R = H2 – CO2 / CO + CO2
7. Destilação: Depois do resfriamento e da separação das impurezas, o metanol cru é
processado em uma unidade de destilação para atingir a qualidade requerida

3.1. Resumo do processo

4. História.
A produção de metanol sintético começou em 1923 na planta alemã BASf´s Leuna, em
um processo que requeria alta pressão (250 – 350 atm) e possui baixa atividade catalítica.
Entre 1960 e 1970 catalisadores mais ativos foram desenvolvidos (Cu, Zn, Al),
permitindo uma eficiência energética elevada e melhor resolução custo benefício.
5. Propriedades de produção de metanol via gaseificação
de biomassa.

6. Combustíveis líquidos via FT (Fisher-Tropsh).
A síntese Fisher-Tropsh foi descoberta em 1923 pelos cientistas alemães F. Fisher e H.
Tropsch. Produção de hidrocarbonetos “ultralimpos”. Produtos livres de enxofre e compostos
aromáticos.

6.1. Conversão do syngas em HC.
 O syngas obtido da gaseificação de biomassa, é convertido em hidrocarbonetos atraves
do processo FT, cujo processo pode ser realizado em altas ou baixas temperaturas.
 Química básica:

A segunda reação da figura seguinte é a reação de construção da cadeia de HC. A
formação de HC pesados ocorre através da dissociação do CO.

6.2. Principais produtos obtidos na síntese Fischer-
Tropsch

A composição de cada produto obtido no processo FT depende da pressão, temperatura,
catalisador e tipo de reator. Para produzir produtos de cadeias grandes de carbono (ceras), 200
– 250°C e 25 – 60 bar. Em altas temperaturas são produzidos HC mais leves, que podem ser
refinados a óleo, diesel e solventes.

6.3. Vantagens
Entre as principais vantagens da síntese FT, pode-se citar:
 Alta taxa de transferência de calor durante a síntese FT
 Alta taxa de conversão de gás de síntese a HC FT (aproximadamente 70%)
 O processo FT apresenta uma alta eficiência energética, quando se apresenta num ciclo
combinado
6.4. Desvantagens
 Na fase do hidrocraqueamento, os catalisadores de cobalto têm seu desempenho
prejudicado
 Se o catalisador for exposto a altas temperaturas, pode-se formar carbono na sua
superfície, prejudicando assim a integridade estrutural do catalisador
6.5. Processo FT
https://www.youtube.com/watch?v=9SG97aKVrMo
6.6. Reatores Fisher – Tropsch
Duas classes de reatores são utilizadas para a síntese FT:
 Leito fixo multitubular
 Reatores de leito fluidizado (incluindo o reator em lama)

https://www.youtube.com/watch?v=9SG97aKVrMo

6.6.1. Leito fixo multitubular

6.6.2. Reatores de leito fluidizado
Os reatores de leito fluidizado contêm serpentinas de resfriamento imersas no leito e são
excelentes sistemas de troca de calor. Estes reatores podem ser subdivididos em três principais
tipos:
 Reator de duas fases de leito fluidizado circulante
 Reator de duas fases de leito borbulhante
 Reator de três fases em lama

6.6.2.1. Tipos de reatores

6.6.3. A saber
 Para baixas temperaturas (200 – 240°C) é mais comum o uso de reatores em lama e de
leito fixo multitubular. Em altas temperaturas (300 – 370°C) os reatores de leito
fluidizado são mai9s indicados
 Para a escolha do reator é importante considerar as suas dimensões, os custos de capital,
eficiência térmica, forma de remoção de calor, flexibilidade das condições de operação
e qualidade do produto
6.6.4. Vídeo – Tipos de reatores
https://www.youtube.com/watch?v=lVLeQKLT8TU
https://www.youtube.com/watch?v=lVLeQKLT8TU

6.7. Propriedades do Diesel obtido no processo FT

7. Dimetil eter (DME).
 Combustível sintético desenvolvido a meados dos anos 1990
 Utilização em estágio experimental
 Semelhante ao GLP
 Gasoso em condições ambientais
 Liquefeito a pressões moderadas (5 – 8 bar)
 O DME pode ser misturado ao GLP em concentrações de 10 a 20%
7.1. DME via gaseificação de biomassa.
Originalmente o DME era produzido a traves da desidratação do metanol.

Recentemente foram desenvolvidos processos de produção de DME a partir do syngas.

7.2. Rotas para a obtenção do DME.

7.3. Vantagens (DME via gaseificação de biomassa)
 Alta conversão de gás de síntese ao DME, maior que 50%
 DME apresenta um alto poder calorifico (59 MJ/Nm3)
 Conversão direta do syngas ao DME permite a produção em grande escala, com um
baixo custo
7.4. Desvantagens (DME via gaseificação de biomassa)
 Necessidade de controle sobre a temperatura durante a síntese do DME, já que as
reações são altamente exotérmicas
 DME a partir do syngas precisa de desenvolvimento tecnológico, no que tange
principalmente a limpeza dos gases
7.5. Propriedades do DME a partir da Biomassa

8. Novos desenvolvimentos – BTL.
 Estudos recentes propõem produção de etanol a partir de material lignocelulosico pela
rota de gaseificação utilizando o processo PSA
 Fermentação do syngas para produzir etanol a traves da bactéria Z. Mobilis.

9. Custos de Desempenho dos BTL via gaseificação de
Biomassa.
 Uma planta de metanol, com capacidade térmica de 400 MW de biomassa, tem seu custo
específico estimado em 1092 US$/kW, a eficiência nessa planta está em torno de 50-
55%
 Para plantas maiores, por exemplo, 1000 MW, a eficiência fica em torno de 60-65%
 O total de biomassa consumida é igual a 177-187 ton/h
9.1. Energia consumida e produzida na obtenção do
metanol

9.2. Resumo dos balanços de massa e energia, e
rendimento do metanol

9.3. Diagrama de Sankey para a eficiência da produção do
metanol

9.4. Principais custos envolvidos na produção do metanol

10. Custos aproximados – Combustíveis FT.
-

10.1. Distribuição por itens dos custos investidos numa
planta FT de 150 MWt

10.2. Energia na biomassa e no combustível líquido FT
Relação entre o valor energético da biomassa que entra como combustível (no caso, a
madeira) e o valor energético do produto obtido pelo processo Fischer-Tropsch.

10.3. Eficiências energéticas para diferentes tecnologias FT

A eficiência varia em função da tecnologia empregada. A fração em massa do
combustível FT para as diferentes tecnologias fica em torno de 0,20 – 0,25 kg de combustível
por kg de biomassa.

10.4. Sasol FT

10.5. Choren FT

11. Bioliq.
 Obter um combustível FT apartir da gaseificação da biomassa lignocelulosica
previamente pirolisada
 A etapa de gaseificação foi realizada na Siemens Fuel Gasification Technology,
num gaseificador piloto de fluxo arrastado de 3-5 MW de potência térmica, com
uma pressão de operação de 26 bar. A produção de gás de síntese neste
gaseificador está em torno de 870 Nm3/h
11.1. Processo Bioliq
I Etapa (pirolise rápida): Se produz gases, líquidos, CF e cinzas. Uma pirolise rápida
em temp. moderadas (500°C) e tempo de residência curto (1 s) ~soa ótimos para produzir uma
grande quantidade de produtos líquidos.
II Etapa: O CF, tars, cinzas e condensados são misturados para formar uma pasta
suspensa, assim o armazenamento e o transporte, até o processo de gaseificação, são realizados
a um menor custo.

11.2. Fluxo energético da produção do combustível líquido
FT – Bioliq Process

11.3. Custos – Bioliq
Os custos de produção são considerados elevados devido à alta demanda energética
(biomassa) e muitas reações químicas exotérmicas sucessivas que geram uma baixa eficiência
de conversão térmica.

12. Custos aprximados – DME.
O custo de produção do DME para uma planta de escala comercial com uma capacidade
de 200 000 toneladas por ano está em torno de 415 US$/ton DME.

13. Tendências e desafios para processo BTL.
13.1. Processo FT
 Atualmente, as instalações de grande porte para a conversão Fischer-Tropsch utilizam
somente combustíveis fósseis
 As tecnologias para a gaseificação da biomassa ou do bio-óleo (produzido pela pirólise
da biomassa) para a obtenção do gás de síntese estão ainda em fase de estudo.

13.1.1. Foco das pesquisas
 Limpeza e o condicionamento do gás de síntese
 Desenvolvimento de diferentes tipos de catalisadores
 Redução da quantidade de componentes inertes no gás de alimentação
 Utilização de subprodutos, tais como eletricidade, calor e vapor
13.1.2. Número de plantas BTL estimadas na Europa para
os anos de 2015 e 2020, para produção do diesel FT

Em Rotterdam pretende-se instalar uma planta de demonstração com capacidade de 600
MW, utilizando-se como matéria-prima o carvão e a biomassa.

Há também uma planta-piloto de tecnologia FT (BIG-FT), da Choren Industries, em
Freiberg, na Alemanha.

13.2. Metanol
 Otimização do processo, minimizando o consumo de oxigênio e obtendo-se maior
rendimento do gás de síntese, através da conversão máxima do carbono e da obtenção
de baixa concentração residual de hidrocarbonetos no gás de síntese
 No Brasil, no Estado do Paraná, está em desenvolvimento o Projeto RAUDI-
METANOL, unidade pré-comercial para aproveitamento do excedente da biomassa
(bagaço e palhas) via gaseificação e posterior síntese do metanol
13.2.1. Esquema do processo de produção de metanol
integrado à usina de açúcar e álcool

Não há mais dados atualizados em disponibilidade devido ao idealizador da
pesquisa, Ricardo Audi ter encerrado suas atividades por motivos financeiros.
Essa informação veio diretamente do próprio Ricardo através do e-mail
raudi@raudi.com.br que também atende pelo telefone (44) 3438-8300.
13.3. DME
 No mundo, há várias instalações de pequena capacidade que produzem o DME a partir
do metanol puro. A produção de DME diretamente do gás de síntese encontra-se em
processo de desenvolvimento
 Entretanto, o DME é produzido principalmente a partir do gás de síntese, derivados do
gás natural, nafta, óleo pesado e carvão
 Planta de demonstração instalada em Kushiro, Japão, com capacidade de 100 ton/dia de
produção de DME, a qual é projetada para utilizar o gás de síntese obtido a partir da
biomassa

Sobre a Associação internacional de DME:
 DME a partir do gás natural
 DME a partir da biomassa

13.3.1. Bio-DME
 No Projeto Bio-DME da Swedish National Energy Administration, os custos de
investimentos, para uma planta em escala comercial, com uma produção anual de
200.000 ton de DME, são estimados em 608 milhões de dólares
 A SNEA estima que os custos de produção do DME a partir da biomassa estão em torno
de 0,42 $/litro
 Entre os anos de 1996 e 1998, a Volvo Truck Corporation e Volvo Bus Corporation
desenvolveram o primeiro veículo pesado abastecido com DME. O propósito deste
projeto foi demonstrar as baixas emissões e a alta eficiência do DME em motores a
diesel

13.3.2. Exemplos de veículos – DME

13.4. Vantagens do DME
 O DME pode ser usado em MCI Diesel com elevada eficiência
 As taxas de emissões são menores em relação ao combustível fóssil
 A eficiência do DME é maior em relação aos demais biocombustíveis