Otimização da produção de biocombustíveis líquidos a partir da copirólise de resíduos plásticos e de pneus

Abstract

Satisfazer a crescente procura energética mundial é um dos maiores desafios que a humanidade atravessa atualmente. O aumento da poluição constitui outro grande problema que merece atenção por parte dos governos mundiais e público em geral. O processo de copirólise pode ser muito útil na solução desta situação, uma vez que permite o aproveitamento de resíduos e a sua transformação em biocombustível. Existe bastante informação sobre o processo de pirólise uma vez que já vem sendo estudado há muitos anos, no entanto, dependendo dos produtos a pirolisar, essa informação pode tornar-se escassa. Posto isto, não foi encontrado nenhum estudo de copirólise de resíduos de plástico, borracha de pneu e óleo de lubrificante usado, que constituem o objeto de estudo desta dissertação. O objetivo principal é o de pirolisar misturas destes resíduos com diferentes composições e avaliar a sua influência no rendimento dos produtos sólidos, líquidos e gasosos bem como na composição destes. Para tal, foram realizados ensaios experimentais numa autoclave, sob uma atmosfera de reação de azoto e sendo a pressão inicial a atmosférica. A temperatura de reação foi 420 ºC, a taxa de aquecimento foi 16 ºC/min e o tempo de residência foi 30 minutos. Estes parâmetros foram definidos com base na literatura e também na realização de ensaios preliminares. A quantidade de pneu favorece a produção de sólido, em detrimento da produção gasosa e líquida. O rendimento líquido variou entre 70,5 e os 82,3 %, o sólido entre 15,3 e 27,7 % e o gasoso entre 1,9 e 3,5 %. O uso de borracha de pneu implica a libertação de enxofre durante o processo de pirólise. Por este motivo, o produto gasoso recolhido foi amostrado por um processo de retenção de enxofre. Em média, quanto mais borracha se utiliza, maior a libertação de enxofre. O gás foi analisado através de cromatografia gasosa, tendo-se observado que a sua composição apresentava essencialmente alcanos, em particular, metano mas também etano, propano e propeno. O teor em alcanos diminuiu com o aumento do número de átomos de carbono. A borracha de pneu e o óleo favoreceram a produção destes compostos. O poder calorífico superior do gás variou entre 48,80 e 54,16 MJ/kg e o índice de Wobbe variou entre 55,04 e 60,84 MJ/Nm3. Tanto um como o outro, aparentaram aumentar consoante a quantidade de pneu e de óleo e diminuir com a quantidade de polipropileno. Os líquidos recolhidos foram submetidos a uma destilação de modo a obter duas frações, T [ºC] < 150 e 150 < T [ºC] < 270, respetivamente. Todas as curvas de destilação ficaram situadas entre curvas típicas da gasolina e a do gasóleo. A temperatura a que cada líquido começou a destilar aproximou-se à da gasolina. A análise cromatográfica efetuada aos líquidos, mostrou que ambos os destilados, apresentaram uma maior concentração de ramificados e cíclicos e uma menor concentração de alcenos. Por último, calculou-se o poder calorífico superior das duas frações sendo este mais elevado para o 1º destilado (entre 25,99 e 35,64 MJ/kg) do que para o 2º (9,89 e 14,74 MJ/kg).

Meeting the world's growing energy demand is one of the greatest challenges that humanity must face today. The increasing pollution is another major problem that deserves attention from global governments and the public. The co-pyrolysis process can be very useful in solving this situation since it allows the use of waste and its transformation into biofuel. There is a lot of information available on the topic of pyrolysis as it has been studied for many years. However, depending on the residue used in the process, that information can become scarce. So far, no work was found on the co-pyrolysis of mixtures of polypropylene, used tire rubber and used engine lubricating oil, that constitutes the subject of this dissertation. The main goal is to pyrolyze mixtures of these wastes with different compositions and evaluate its influence on solid, liquid, and gaseous yields as well as on their composition. Experimental tests were carried out, using an autoclave reactor, under a nitrogen reaction atmosphere and at initial atmospheric pressure. Reaction temperature of 420 ºC, a heating rate of 16 ºC/min and a residence period of 30 minutes were used. These parameters were defined based on the literature and on the performance of preliminary tests. The amount of tires favored the production of solid, at the expense of gas and liquid production. The liquid yield varied between 70.5 and 82.3 %, the solid between 15.3 and 27.7 % and the gaseous between 1.9 and 3.5 %. The use of tire rubber implies the release of sulfur during the process of pyrolysis. For this reason, the gaseous product collected went through a sulfur retention process. On average, the more rubber is used, the greater the release of sulfur. The gas was analyzed by gas chromatography, and it was observed that its composition was essentially alkanes, in particular methane but also ethane and propane. The content of alkanes decreased with the increase of the number of carbon atoms. The high heating value of the gas varied between 48.80 and 54.16 MJ/kg and the Wobbe Index varied between 55.04 and 60.84 MJ/Nm3. Both appear to increase with the amount of tire and oil and to decrease with the amount of polypropylene. The collected liquids were subjected to distillation in order to obtain two fractions, T [ºC] < 150 and 150 < T [ºC] < 270, respectively. All the distillation curves were located between gasoline and diesel typical curves. The temperature at which each liquid began to distil was close to that of gasoline. From the chromatographic analysis performed on the liquids, a higher concentration of branched and cyclic alkanes and a lower concentration of alkenes were found for both distillates. Finally, the high heating value was calculated for both fractions, for the first one, values between 25.99 and 35.64 MJ/kg were obtained and for the second distillate these values ranged from 9.89 to 14.74 MJ/kg.