Desenvolvimento de um modelo cinético para gaseificação do bagaço de cana-de-açúcar em água supercrítica

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo cinético para a gaseificação do bagaço de cana-de-açúcar em água supercrítica, com o objetivo de descrever a conversão térmica dos principais constituintes da biomassa e prever o comportamento de formação dos gases leves gerados no processo. O estudo fundamenta-se no mecanismo proposto por Li et al. (2022), o qual descreve a decomposição de celulose, hemicelulose e lignina por meio de reações elementares de hidrólise, reforma a vapor, deslocamento gás-água e oxidação parcial, organizadas em um conjunto de equações diferenciais ordinárias dependentes da temperatura. A biomassa foi representada como uma mistura ideal composta por celulose, hemicelulose e lignina, modelados individualmente e combinados conforme suas frações mássicas. As equações diferenciais foram resolvidas numericamente pelo método BDF, implementado em Python. As constantes cinéticas de Arrhenius foram ajustadas utilizando um algoritmo de evolução diferencial, minimizando o erro quadrático médio entre os valores simulados e os dados experimentais de Cao et al. (2018). As simulações realizadas para as temperaturas de 600, 650 e 700 °C demonstraram um bom ajuste entre as variáveis preditas pelo modelo e os valores de referência da literatura (R² superior a 0,9 para todas as espécies modeladas), reproduzindo tendências consolidadas: aumento da produção de hidrogênio com a temperatura, comportamento transitório do monóxido de carbono e baixa formação de metano. A partir dos parâmetros ajustados, obteve-se um modelo semiempírico capaz de descrever a evolução temporal dos principais produtos gasosos, constituindo uma ferramenta robusta para análise cinética e otimização de reatores supercríticos. O estudo reforça o potencial da gaseificação em água supercrítica como alternativa tecnológica para a conversão de resíduos lignocelulósicos em hidrogênio e gás de síntese, contribuindo para o desenvolvimento de processos sustentáveis alinhados à transição para uma economia de baixo carbono.

This paper presents the development of a kinetic model for the gasification of sugarcane bagasse in supercritical water, with the aim of describing the thermal conversion of the main constituents of biomass and predicting the behavior of light gas formation generated in the process. The study is based on the mechanism proposed by Li et al. (2022), which describes the decomposition of cellulose, hemicellulose, and lignin through elementary reactions of hydrolysis, steam reforming, gas-water displacement, and partial oxidation, organized into a set of temperature-dependent ordinary differential equations. The biomass was represented as an ideal mixture composed of cellulose, hemicellulose, and lignin, modeled individually and combined according to their mass fractions. The differential equations were solved numerically using the BDF method, implemented in Python. The Arrhenius kinetic constants were adjusted using a differential evolution algorithm, minimizing the mean square error between the simulated values and the experimental data from Cao et al. (2018). The simulations performed for temperatures of 600, 650, and 700 °C showed a good fit between the variables predicted by the model and the reference values from the literature (R² greater than 0.9 for all modeled species), reproducing consolidated trends: an increase in the rate of decomposition with increasing temperature. °C showed a good fit between the variables predicted by the model and the reference values in the literature (R² greater than 0.9 for all modeled species), reproducing consolidated trends: increased hydrogen production with temperature, transient behavior of carbon monoxide, and low methane formation. Based on the adjusted parameters, a semi-empirical model was obtained that is capable of describing the temporal evolution of the main gaseous products, constituting a robust tool for kinetic analysis and optimization of supercritical reactors. The study reinforces the potential of supercritical water gasification as a technological alternative for the conversion of lignocellulosic waste into hydrogen and synthesis gas, contributing to the development of sustainable processes aligned with the transition to a low-carbon economy.