Co-liquefação de resíduos e carvão para produção de biocombustíveis líquidos

Abstract

O desenvolvimento de novos métodos para produção de combustíveis e produtos alternativos, cada vez mais eficientes, focados na preocupação crescente relacionada com a poluição originada pelos resíduos plásticos, é e deverá continuar a ser uma área na qual investir. A possibilidade de juntar numa mesma técnica o tratamento desses resíduos e o aproveitamento de uma matéria-prima não renovável, de forma menos poluente e mais eficiente, é visto como uma mais valia. A co-liquefação de carvão com resíduos plásticos apresenta-se, desta forma, como uma opção possivelmente viável. A liquefação de carvão é uma técnica que foi alvo de bastantes estudos ao longo das décadas. Apresenta-se como uma alternativa à combustão do carvão para a produção de eletricidade (por exemplo), proporcionando o seu aproveitamento com emissões poluentes, para além do CO2, mais reduzidas. A liquefação de resíduos plásticos, por sua vez, surge como uma forma de reciclar o plástico cuja produção e consumo continuam a ser muito elevados e cuja permanência no ambiente é muito longa, podendo, ao mesmo tempo, oferecer uma alternativa temporária aos combustíveis fósseis, enquanto a infraestrutura que rodeia o transporte elétrico se prepara para se tornar o principal método de deslocamento. A co-liquefação de ambas as matérias-primas permitiu, segundo vários autores, aumentar a eficiência do processo, diminuir as emissões poluentes por parte do carvão e diminuir o consumo de hidrogénio, composto fundamental para o decorrer das reações. Considerando-se as mais valias mencionadas, o objetivo desta dissertação é, portanto, estudar a influência da junção de diferentes resíduos plásticos, nomeadamente, polietileno (PE), polistireno (PS) e polipropileno (PP), a carvão (Brown coal) proveniente da República Checae impregnado com 1% de Mo, de forma a obter os melhores resultados através da co-liquefação direta (direct co-liquefaction, DCL). É estudada a influência da pressão inicial de hidrogénio (H2) no processo e para além disso, é analisado o efeito do tipo de solvente no processo, testando dois solventes: tetralina (dador de hidrogénio) e metilnaftaleno (não dador de hidrogénio). Tendo em conta a importância do H2 durante a co-liquefação, a diminuição do seu consumo é uma meta a atingir e as condições experimentais que a permitam alcançar, são consideradas como as mais vantajosas. Para além do consumo de H2, é analisada a produção de líquidos e gases, não só no que diz respeito às quantidades obtidas, mas também à composição dos produtos, bem como, a percentagem de conversão. Ao longo deste estudo, é feita uma comparação entre dois tamanhos de autoclave (reator de tipo descontínuo, liga Hasteloy C276, Parr Instruments), 5,5L e 0,16L, de modo a verificar se as dimensões do reator no qual as reações ocorrem tem influências significativas nos resultados obtidos. A temperatura imposta foi de 420ºC (de acordo com resultados anteriores), sendo que a pressão inicial de hidrogénio de 3,45MPa demonstrou ser a mais indicada para a co-liquefação do carvão com PE, com e sem solvente, obtendo-se quantidades de produto líquido mais elevadas (e consequentemente, quantidades de produto gasoso mais reduzidas), tal como maiores percentagens de conversão, como tal esta foi a pressão adotada para os restantes testes. A utilização de tetralina como solvente numa razão 5:1 relativamente ao carvão foi, por sua vez, o solvente mais vantajoso, sendo que a sua característica como dador de H2 foi evidente, levando ao consumo mais baixo de H2. O tipo de resíduo plástico e o tamanho da autoclave não introduziram variações significativas na quantidade de produto obtido, mas sim, na composição gasosa do mesmo. A análise da composição dos líquidos através de GC-MS (Gas Chromatography Mass Spectrometry) permitiu observar que os compostos mais dominantes seriam nalcanos, sendo que o efeito da junção da tetralina favoreceu a produção de alcanos mais leves.

The development of new methods to obtain alternative fuels and products, with higher efficiencies, focused on the decrease of pollution originated by plastic residues, is and should continue to be an area in which research and investments should be made. The co-liquefaction of coal with plastic residues is possibly a viable option to attain plastic wastes valorization in a less pollutant and more efficient way. The coal liquefaction is a technique that has been studied quite a lot during the last decades. It is an alternative to the coal combustion for electricity production (for example), enabling its use with less polluting emissions, besides CO2. Plastic residues liquefaction, is a way of recycling plastic, which is a material whose production and consumption continues to be very high and its lifespan in the environment is very long, providing, at the same time, a temporary alternative to fossil fuels, while the infrastructure that surrounds the electric transportation prepares itself to become the main way of traveling. The co-liquefaction of both raw materials led, according to several authors, to enhancements in the efficiency of the process, reducing the pollutant emissions and the hydrogen consumption, which is a fundamental compound for the reactions. Considering the advantages mentioned above, the purpose of this dissertation is to study the influence of joining different types of plastic residues, such as, polyethylene (PE), polystyrene (PS) and polypropylene (PP), with brown coal (Czech Republic) impregnated with 1% of Mo, so that the best possible results can be attained through direct co-liquefaction (DCL). Testing the influence of the initial pressure of hydrogen (H2) in the process is one of the objectives of this study, being another checking which type of solvent is more suitable. Tetralin (H2 donor) and methylnaphthalene (not a H2 donor) were the solvents tested. Acknowledging the importance of H2 during co-liquefaction, a decrease in its consumption is a goal to be achieved. The experimental conditions that allow that decrement to happen are considered to be the most useful. Besides the H2 consumption, the liquid and gaseous yields are also analyzed, not only from the point of view of the amount of product obtained, but also concerning their composition and the global process conversion. Through this study there is a comparison being made between two sizes of autoclaves (batch type reactors made of Hasteloy C276 by Parr Instruments), 5.5L and 0.16L, to figure out if the dimensions of the reactor have any significative impacts on the results obtained. The initial temperature was set at 420ºC (due to previous results), being 3,45MPa the initial hydrogen pressure that demonstrated to be the most appropriate for the co-liquefaction of coal with PE, with or without solvent. This pressure allowed the highest liquid yields (and therefore, lowest gaseous yields) and the highest conversions, thus this pressure was selected for the following tests. Using tetralin in a 5:1 proportion to coal was the better solvent and it was clear that its H2 donor characteristic was an advantage, leading to a lower consumption of hydrogen. The type of plastic residue and the size of the autoclave were not relevant to the amount of product obtained, but it did impact the gaseous composition. The analysis of the composition of the liquid products through GC-MS (Gas Chromatography Mass Spectrometry) showed that n-alkanes were the predominant species and that adding tetralin as the solvent led to a higher production of lighter alkanes.