Desenvolvimento de combustível sólido de alto desempenho a partir de biocarvão

Abstract

Este estudo tem como objetivo desenvolver um biocombustível sólido de alto desempenho a partir de biocarvão obtido da pirólise de biomassa residual de tocos e raízes de eucalipto, contribuindo para a transição energética, a descarbonização industrial e o aproveitamento sustentável de resíduos lignocelulósicos. Inicialmente, realizou-se a caracterização físico-química da biomassa, incluindo análise química dos macroconstituintes, análise imediata, análise elementar (CHNS-O), poder calorífico e análises térmicas (TGA/dTG). O processo de pirólise foi conduzido com base em delineamento composto central rotacional (DCCR), que originou nove amostras, variando-se temperatura e tempo de residência para maximizar a produção de biocarvão e bio-óleo pesado. A melhor amostra de pirólise, a 400 °C e 90 min, produziu um biocarvão com carbono fixo de 72,54 ± 0,20 % e PCS de 7.595,60 ± 45,41 kcal/kg. Após a seleção das melhores condições de pirólise em escala laboratorial, a produção foi ampliada para escala piloto em forno rotativo. O biocarvão obtido foi utilizado na produção de briquetes, empregando bio-óleo pesado e amido de fécula de mandioca como ligantes. A briquetagem também foi otimizada por planejamento experimental, avaliando-se teor de amido, teor de bio-óleo pesado e pressão de prensagem. Os briquetes foram caracterizados quanto às propriedades mecânicas, energéticas e físicas. A análise estatística dos resultados foi realizada por meio de ANOVA, permitindo a construção de modelos matemáticos e superfícies de resposta para definição das condições ótimas de produção. As formulações otimizadas foram validadas experimentalmente, onde a amostra C foi a melhor, apresentando carbono fixo de 47,01 ± 0,40 % e PCS de 6.108,84 ± 71,31 kcal/kg, demonstrando desempenho satisfatório como biocombustível sólido. Este estudo evidencia a viabilidade técnica do uso de tocos e raízes de eucalipto na produção de biocombustível sólido de elevado desempenho energético, contribuindo para a descarbonização industrial e a consolidação da bioeconomia e da economia circular.

This study aims to develop a high-performance solid biofuel from biochar obtained through the pyrolysis of residual eucalyptus stump and root biomass, contributing to energy transition, industrial decarbonization, and the sustainable use of lignocellulosic residues. Initially, the physicochemical characterization of the biomass was carried out, including chemical analysis of macro-constituents, proximate analysis, ultimate analysis (CHNS-O), higher heating value (HHV), and thermal analyses (TGA/dTG). The pyrolysis process was conducted based on a central composite rotational design (CCRD), resulting in nine samples, in which temperature and residence time were varied to maximize biochar and heavy biooil production. The best sample of pyrolysis, at 400 °C and 90 min, produced a biochar with fixed carbon content of 72.54 ± 0.20% and HHV of 7,595.60 ± 45.41 kcal/kg. After selecting the optimal laboratory-scale pyrolysis conditions, production was scaled up to pilot scale using a rotary kiln. The obtained biochar was used to produce briquettes, employing heavy bio-oil and cassava starch as binders. The briquetting process was also optimized through experimental design, evaluating starch content, heavy bio-oil content, and pressing pressure. The briquettes were characterized in terms of mechanical, energetic, and physical properties. Statistical analysis of the results was performed using ANOVA, enabling the development of mathematical models and response surfaces to define optimal production conditions. The optimized formulations were experimentally validated, and sample C showed the best performance, presenting fixed carbon of 47.01 ± 0.40% and HHV of 6,108.84 ± 71.31 kcal/kg, demonstrating satisfactory performance as a solid biofuel. This study demonstrates the technical feasibility of using eucalyptus stumps and roots in the production of high-performance solid biofuel, contributing to industrial decarbonization and the consolidation of the bioeconomy and the circular economy.