Avaliação da co-combustão de carvão run-of-mine e rejeito com biomassa em fornalha de leito fluidizado borbulhante em escala piloto

Abstract

O carvão mineral, fonte de energia não renovável, é amplamente utilizado na geração de energia elétrica e térmica. Entretanto, é um importante contribuinte para as emissões dos gases de efeito estufa. Caracteriza-se pelo elevado teor de matéria mineral na matriz orgânica, gerando grande quantidade de rejeito nos processos de beneficiamento e combustão. O aproveitamento industrial desses subprodutos é de fundamental importância para regiões carboníferas, tanto do ponto de vista ambiental, como econômico e social. O uso da biomassa em sistemas de co-combustão de carvão em leito fluidizado é mencionado na literatura como uma das alternativas viáveis para redução das emissões de gases poluentes. Neste contexto, um estudo experimental foi realizado para verificar a viabilidade técnica da utilização de carvão mineral do tipo run-of-mine (ROM) e seu rejeito de beneficiamento na presença de biomassa utilizando um combustor de leito fluidizado borbulhante em escala piloto instalado na SATC. O carvão ROM e o rejeito pertencem à camada Barro Branco e foram coletados após o processo de mineração subterrânea na região carbonífera do sul de Santa Catarina. Os materiais apresentaram tamanho de partícula de 0,5-4,0 mm após sua preparação. A biomassa testada foi a de Pinus em forma de pellets. A caracterização pura dos combustíveis foi realizada em termos de análise imediata, elementar e poder calorífico. Já a análise das emissões atmosféricas foi realizada com auxílio de analisador de gases de combustão. As análises termogravimétricas e diferenciais foram realizadas com o auxílio de um analisador termogravimétrico e de calorimetria diferencial (TGA/DSC) utilizando ar sintético e taxa de aquecimento de 10 °C/min. Nos testes de co-combustão, as misturas de carvão com biomassa (10%, 20% e 30% em massa) necessitaram de menores vazões de combustível de alimentação no combustor em comparação à queima dos outros combustíveis para que se atingisse a temperatura de operação do leito. A partir da análise química, verificou-se percentuais de material incombusto menores que 1% para cinza pesada e abaixo de 7,3% para cinza leve. A presença da biomassa na co-combustão ofereceu melhores resultados em termos de emissões de SO2 e controle da estabilidade da temperatura no leito. Para todos os testes propostos a concentração de SO2 foi significativa, mesmo com a dessulfurização in situ proposta na relação molar Ca/S igual a 4, apresentando 75,8% de eficiência na retenção de SO2. Isso significa que alguma metodologia de abatimento auxiliar ou mesmo o uso do gás para produção de outros produtos à base de enxofre deve ser considerada. Eficiências de combustão entre 91,8% e 96,6% corroboram com os baixos percentuais de incombusto presente nas cinzas e indicam a aplicabilidade do processo de co-combustão de rejeitos de carvão e biomassa como uma alternativa de geração de energia térmica.

Abstract: Coal, a non-renewable energy source, is widely used in the generation of electrical and thermal energy. However, it is an important contributor to greenhouse gas emissions. It is characterized by the high content of mineral matter in the organic matrix, generating a large amount of waste in the processing and combustion processes. The industrial use of these by-products is of fundamental importance for coal regions, both from an environmental, economic and social point of view. The use of biomass in fluidized bed coal co-combustion systems is mentioned in the literature as one of the viable alternatives for reducing pollutant gas emissions. In this context, an experimental study was carried out to verify the technical feasibility of using run-of-mine (ROM) coal and its processing waste in the presence of biomass using a pilot-scale bubbling fluidized bed combustor installed at SATC. The ROM coal and tailings belong to the Barro Branco layer and were collected after the underground mining process in the coal region of southern Santa Catarina. The materials showed a particle size of 0.5-4.0 mm after their preparation. The biomass tested was pine in the form of pellets. The pure characterization of fuels was carried out in terms of immediate, elemental and calorific value analysis. The analysis of atmospheric emissions was carried out with the aid of a flue gas analyzer. Thermogravimetric and differential analyzes were performed with the aid of a thermogravimetric and differential calorimetry analyzer (TGA/DSC) using synthetic air and a heating rate of 10 °C/min. In the co-combustion tests, the mixtures of coal with biomass (10%, 20% and 30% by mass) required lower flow rates of feed fuel in the combustor compared to the burning of other fuels in order to reach the operating temperature of the bed. From the chemical analysis, percentages of unburned material lower than 1% for heavy ash and below 7.3% for light ash were verified. The presence of biomass in the co-combustion offered better results in terms of SO2 emissions and control of temperature stability in the bed. For all the proposed tests, the concentration of SO2 was significant, even with the in situ desulfurization proposed in the molar ratio Ca/S equal to 4, presenting 75.8% of efficiency in the retention of SO2. This means that some auxiliary abatement methodology or even the use of gas to produce other sulfur-based products must be considered. Combustion efficiencies between 91.8% and 96.6% corroborate the low percentages of unburned materials present in the ash and indicate the applicability of the co-combustion process of coal and biomass tailings as an alternative for generating thermal energy.