Avaliação de emissões atmosféricas e cinzas geradas na cocombustão de carvão mineral com resíduos florestais

Autores/as

DOI:

https://doi.org/10.5902/1980509883749

Palabras clave:

Cocombustão, Biomassa, Leito fluidizado, Emissões atmosféricas, Caracterização das cinzas

Resumen

A geração de energia a partir de combustíveis não renováveis vem motivando pesquisas que buscam alternativas para a redução de impactos ambientais que envolvem gases poluentes como CO2, CO, SO2 e NOx. Nesse contexto, o uso de resíduos orgânicos (biomassas) na cocombustão com carvão mineral, aliado à tecnologia de leito fluidizado, vem sendo mencionado como um dos principais meios de geração de energia sustentável utilizando combustíveis sólidos. Dessa forma, o objetivo do trabalho foi estudar a cocombustão do carvão mineral e materiais orgânicos residuais em uma planta piloto de 0,25 MWt, constituída por um reator de leito fluidizado borbulhante (RLFB) para avaliar as emissões dos gases de combustão. Objetivou-se, também, caracterizar os materiais utilizados e as cinzas geradas no processo de cocombustão, visando avaliar possíveis usos das mesmas. No presente trabalho, foram utilizados dois tipos de biomassas residuais da região sul do Brasil: resíduo de casca da acácia-negra (RCA) e cavaco de eucalipto (RCE). O carvão mineral, utilizado neste estudo, contém altos teores de enxofre e foi proveniente da mina de Candiota (CC), localizada no estado do Rio Grande do Sul. Utilizando a mistura de 75 % RCA e 25 % CC na alimentação do reator, obtiveram-se emissões gasosas com concentrações de SO2 abaixo do limite estabelecido pela legislação ambiental do Rio Grande do Sul (400 mg/Nm3), significando 90 % de redução em comparação às emissões geradas com a combustão de CC puro. Para todos os testes de cocombustão de biomassas com carvão mineral, as concentrações de NOx e CO obtidas foram abaixo do limite de emissão permitido pela legislação ambiental. As cinzas geradas nos processos de cocombustão apresentaram altos valores de temperatura de fusão (superiores a 1280 ºC) reduzindo o risco de ocorrência de problemas de incrustação e entupimento dos equipamentos.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Biografía del autor/a

Felipe de Aguiar de Linhares, Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil

Chemical Engineer, Master in Chemical Engineer

Engenheiro Químico, Mestre em Engenharia Química

Keila Guerra Pacheco Nunes, universidade Federal do Rio Grande do Sul

Formada em Engenharia Química pela UFRGS, possui mestrado e doutorado na área de cinética química e catálise de processos envolvendo combustão de carvão mineral. Atualmente é pesquisadora no Laboratório de Separação e Operações Unitárias - LASOP - na UFRGS. Tem como área de atuação estudos na área de tratamento de efluentes líquidos e gestão de resíduos industriais, processos de adsorção e regeneração de adsorventes, desenvolvimento de adsorventes alternativos e estudos de processos oxidativos avançados.

Pedro Juarez Melo, Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Possui graduação em Engenharia Química pela Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS (1986); Especialização em Processamento Petroquímico - CENPEQ / Petrobras/UFRGS (1987/1988); Mestrado em Engenharia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS (1994) e Doutorado em Engenharia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS (2003). Atualmente é professor do Departamento de Engenharia Química - DEQUI da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS. Tem experiência na área de Engenharia Química: em indústrias de Petróleo, Petroquímica, Processamento de polímeros e Controle de corrosão em equipamentos industriais, atuando principalmente nos seguintes temas: Projetos de engenharia básica em petroquímica e petróleo, Ensino superior (graduação e pós-graduação), Pesquisa e extensão (Projetos de cooperação empresa-escola). (Texto informado pelo autor)

Nilson Romeu Marcilio, Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Possui graduação em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (1973), mestrado em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1979) e doutorado em Cinética Química e Catálise pela Université Claude Bernard Lyon I - França (1989). Atualmente é professor titular do Departamento de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Foi Diretor Presidente da Fundação Empresa Escola de Engenharia da UFRGS (1998-2000), Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química da UFRGS (1995-1996), Vice-Diretor da Escola de Engenharia da UFRGS (2005-2009) e Chefe do Departamento de Engenharia Química da UFRGS (1993-1996 e 2017-2019). Durante 9 anos foi conselheiro do Conselho Regional de Engenharia e Agronomia do Rio Grande do Sul - CREA/RS como representante da Escola de Engenharia da UFRGS. Orientou 41 alunos de mestrado, 22 alunos de doutorado e supervisionou 7 pós-doutorado. Possui 82 artigos publicados em periódicos internacionais indexados, 180 trabalhos completos publicados em anais de congressos nacionais e internacionais e 2 depósitos de patente. Tem experiência na área de Engenharia Química, com ênfase em Gaseificação/Combustão de Carvão Mineral, Processamento de Resíduos, Cinética Química e Catálise Heterogênea, atuando principalmente nos seguintes temas: tratamento térmico de resíduos sólidos industriais, recuperação de cromo proveniente das cinzas de incineração de resíduos do setor coureiro-calçadista, desidrogenação catalítica de olefinas, oxicombustão de carvões minerais em leito fluidizado, obtenção e purificação de gás de síntese utilizando membranas poliméricas, obtenção de zeólitas a partir de cinzas de carvão mineral e cinzas de biomassas, entre outros. (Texto informado pelo autor).

Citas

ASADIERAGHI, M.; WAN DAUD, W. M. A. Characterization of lignocellulosic biomass thermal degradation and physiochemical structure: Effects of demineralization by diverse acid solutions. Energy Conversion and Management, v. 82, p. 71–82, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2014.03.007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.03.007

ÁVILA, I.; CRNKOVIC, P. M.; LUNA, C. M. R.; MILIOLI, F. E. Use of a fluidized bed combustor and thermogravimetric analyzer for the study of coal ignition temperature. Applied Thermal Engineering, v. 114, p. 984–992, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.171

ATIMTAY, A. T.; KAYNAK, B. Co-combustion of peach and apricot stone with coal in a bubbling fluidized bed. Fuel Processing Technology, v. 89, p. 183-197, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2007.09.007

CRELLING, J. C.; HIPPO, E. J.; WOERNER, B. A.; WEST, D. P. Combustion characteristics of selected whole coals and macerals. Fuel, v. 71, n. 2, p. 151–158, 1992. DOI: https://doi.org/10.1016/0016-2361(92)90003-7

CHENG, J.; ZHOU, J.; LIU, J.; ZHOU, Z.; HUANG, Z.; CAO, X.; ZHAO, X.; CEN, K. Sulfur removal at high temperature during coal combustion in furnaces: A review. Progress in Energy and Combustion Science, v. 29, n. 5, p. 381–405, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S0360-1285(03)00030-3

DUMORTIER, J, Co-firing in coal power plants and its impact on biomass feedstock availability, Energy Policy, v, 60, p, 396–405, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enpol.2013.05.070

EDREIS, E. M. A.; LUO, G.; LI, A.; CHAO, C.; HU, H.; ZHANG, S.; GUI, B.; XIAO, L.; XU, K.; ZHANG, P.; YAO, H. CO2 co-gasification of lower sulphur petroleum coke and sugar cane bagasse via TG-FTIR analysis technique. Bioresource Technology, v. 136, p. 595–603, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2013.02.112. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.02.112

EOM, I, Y.; KIM, K. H.; KIM, J.Y.; LEE, S.M.; YEO, M. H.; CHOI I.G.; CHOI, J.W. Characterization of primary thermal degradation features of lignocellulosic biomass after removal of inorganic metals by diverse solvents, Bioresource Technology, v, 102, n, 3, p, 3437–3444, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.10.056

FAÉ GOMES, G. M.; VILELA, A. C. F.; ZEN, L. D.; OSÓRIO, E. Aspects for a cleaner production approach for coal and biomass use as a decentralized energy source in southern Brazil. Journal of Cleaner Production, v. 47, p. 85–95, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.09.037. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.09.037

FEPAM. Controle de Emissoes Atmosfericas para Fontes Fixas. Fundação Estadual de Proteção Ambiental Henrique Luiz Roessler/RS (FEPAM), Diretriz, p. 33, 2020.

FLEGKAS, S.; BIRKELBACH, F.; WINTER, F.; FREIBERGER, N.; WERNER, A. Fluidized bed reactors for solid-gas thermochemical energy storage concepts - Modelling and process limitations. Energy, v. 143. p. 615–623, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.11.065

GIESBRECHT, B. M.; COLDEBELLA, R.; GENTIL, M.; NUNES, G. R. S.; FINGER, M. R.; JARDIM, J.; PEDRAZZI, C.; CARDOSO, G. V. Performance da madeira de Acacia mearnsii De Wild para polpação kraft. Ciência Florestal, v. 32, n. 1, p. 266–286, 2022. DOI: https://doi.org/10.5902/1980509850295. DOI: https://doi.org/10.5902/1980509850295

GOLDFARB, J, L.; CEYLAN, S. Second-generation sustainability: Application of the distributed activation energy model to the pyrolysis of locally sourced biomass–coal blends for use in co-firing scenarios, Fuel, v. 160. p. 297–308, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.07.071

HENNE, R. A.; BRAND, M. A.; SHEIN, V. A. S.; PEREIRA, E. R.; SCHVEITZER, B. Characterization of Ashes From Forest Biomass Combustion in Boilers: A Systemic View of Potential Applications. Floresta, Curitiba, PR, v. 50, n. 1, p. 1073 - 1082, jan/mar 2020. DOI: https://doi.org/ 10.5380/rf.v50 i1.61229. DOI: https://doi.org/10.5380/rf.v50i1.61229

HUANG, Y. F.; KUAN, W. H.; CHIUEH, P. T.; LO, S. L. Pyrolysis of biomass by thermal analysis-mass spectrometry (TA-MS). Bioresource Technology, v. 102, n. 3, p. 3527–3534, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.11.049

IBGE - INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Produção da extração vegetal e da silvicultura 2015. Produção da extração vegetal e da silvicultura, v, 30, p, 48, 2016.

INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. Coal. Available from: http://www.iea.org/topics/coal/. Accessed in: 18 ago. 2021.

JIANG, L.; HU, S.; SUN, L.S.; SU, S.; XU, K.; HE, L.M.; XIANG, J. Influence of different demineralization treatments on physicochemical structure and thermal degradation of biomass, Bioresource Technology, v, 146, p, 254–260, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.07.063

LIU, H.; CHANEY, J.; LI, J.; SUN, C. Control of NOx emissions of a domestic/small-scale biomass pellet boiler by air staging. Fuel, v. 103, p. 792-798, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.10.028

MADANAYAKE, B.; N.; GAN, S.; EASTWICK, C.; NG, H.; K. Biomass as an energy source in coal co-firing and its feasibility enhancement via pre-treatment techniques. Fuel Processing Technology, v. 159, p. 287-305, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.01.029

KHAN, A. A.; DE JONG, W.; JANSENS, P. J.; SPLIETHOFF, H. Biomass combustion in fluidized bed boilers: Potential problems and remedies. Fuel Processing Technology, v. 90, n. 1, p. 21–50, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.012

KUMAR, H.; MOHAPATRA, S, K.; SINGH, R. I. Study of a 30 MW bubbling fluidized bed combustor based on co-firing biomass and coal. Sadhana - Academy Proceedings in Engineering Sciences, v, 40, n, 4, p, 1283–1299, 2015. DOI: https://doi.org/10.1007/s12046-015-0361-y

KUPRIANOV, V. I.; JANVIJITSAKUL, K.; PERMCHART, W. Co-firing of sugar cane bagasse with rice husk in a conical fluidized-bed combustor, Fuel, v, 85, n, 4, p, 434–442, 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2005.08.013

MAGGI, B.; NOVACKI, E. R.; ARAÚJO, W. V.; ANJOS, J. M.; SALOMÃO, J. A. F. Plano Nacional de desenvolvimento de Florestas Plantadas. Brasil, Ministério da Agricultura, Pecuária e Abasteciemnto, p. 52, 2018.

NUNES, K. G. P.; OSÓRIO, E.; MARCÍLIO, N. R. Kinetics of the Oxy-fuel Combustion of High-Ash-Content Coal from the Candiota Mine, Rio Grande do sul. Energy and Fuels, v. 30, n. 3, p. 1958–1964, 2016. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5b02247

NUNES, L. J. R.; GODINA, R.; MATIAS, J. C. O.; CATALÃO, J. P. S. Evaluation of the utilization of woodchips as fuel for industrial boilers. Journal of cleaner production, v. 223, p. 270–277, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.165

NUNES, L. J. R.; MATIAS, J. C. O.; CATALÃO, J. P. S. Biomass waste co-firing with coal applied to the Sines Thermal Power Plant in Portugal, Fuel, v, 132, p, 153–157, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.04.088

PÉCORA, A. A. B. B.; ÁVILA, I.; LIRA, C. S.; CRUZ, G.; CRNKOVIC, P. M. Prediction of the combustion process in fluidized bed based on physical-chemical properties of biomass particles and their hydrodynamic behaviors. Fuel Processing Technology, v. 124, p. 188–197, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.03.003. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.03.003

RIZVI, T.; XING, P.; POURKASHANIAN, M.; DARVELL, L. I.; JONES, J. M.; NIMMO, W. Prediction of biomass ash fusion behaviour by the use of detailed characterisation methods coupled with thermodynamic analysis. Fuel, v. 141, p. 275-284, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2014.10.021

RUHUL KABIR, M.; KUMAR, A. Comparison of the energy and environmental performances of nine biomass/coal co-firing pathways, Bioresource Technology, v, 124, p, 394–405, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.07.106

SAIDUR, R.; ABDELAZIZ, E. A.; DEMIRBAS, A.; HOSSAIN, M.S.; MEKHILEF, S. A review on biomass as a fuel for boilers. Renewable and sustainable energy reviews, v. 15, n. 5, p. 2262–2289, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.02.015

SANCHEZ-SILVA, L.; LÓPEZ-GONZÁLEZ, D.; VILLASEÑOR, J.; SÁNCHEZ, P.; VALVERDE, J. L. Thermogravimetric-mass spectrometric analysis of lignocellulosic and marine biomass pyrolysis. Bioresource Technology, v. 109, p. 163–172, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2012.01.001. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.01.001

SHAO, Y.; J.; WANG, J.; PRETO, F.; ZHU XU, C. Ash deposition in biomass combustion or co-firing for power/heat generation. Energies, v. 5, n. 12, p. 5171–5189, 2012. DOI: https://doi.org/10.3390/en5125171

SILVA FILHO, C. G. da; MILIOLI, F. E. A thermogravimetric analysis of the combustion of a Brazilian mineral coal. Quimica Nova, v. 31, n. 1, p. 98–103, 2008. DOI: https://doi.org/10.1590/S0100-40422008000100021

SOUZA, C. de O.; ARANTES, M. D. C.; PINTO, J. de A.; SILVA, J. G. M. da; CARNEIRO, M. F.; LIMA, A. C. B. de; PASSOS, R. R. Qualidade dos resíduos madeireiros de mogno-africano e eucalipto para briquetagem. Ciência Florestal, v. 32, n. 2, p. 637–652, 2022. DOI: https://doi.org/10.5902/1980509843299. DOI: https://doi.org/10.5902/1980509843299

SUN, P.; HUI, S.; GAO, Z.; ZHOU, Q.; TAN, H.; ZHAO, Q.; XU, T. Experimental investigation on the combustion and heat transfer characteristics of wide size biomass co-firing in 0.2 MW circulating fluidized bed. Applied Thermal Engineering, v. 52, 284-292, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.12.009

TEIXEIRA, J. M. C.; SILVA, S. A.; PINHEIRO, H. S.; NOGUEIRA, R.E.F.Q.; ALBUQUERQUE, J. S. V.; PINHO, R.G. Estudo dos produtos da combustão do Carvão mineral visando seu aproveitamento como material cerâmico, Anais Congresso Técnico da Engenharia e da Agronomia, n, 1, 2015.

VAMVUKA, D.; KAKARAS, E.; KASTANAKI, E.; GRAMMELIS, P. Pyrolysis characteristics and kinetics of biomass residuals mixtures with lignite. Fuel, v. 82, n. 15–17, p. 1949–1960, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S0016-2361(03)00153-4

VAMVUKA, D.; SFAKIOTAKIS, S.; KOTRONAKIS, M. Fluidized bed combustion of residues from oranges ’ plantations and processing. Renewable Energy, v.44, p. 231-237, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2012.01.083

VAN DE VELDEN, M.; BAEYENS, J.; BREMS, A.; JANSSENS, B.; DEWIL, R. Fundamentals, kinetics and endothermicity of the biomass pyrolysis reaction. Renewable Energy, v. 35, n. 1, p. 232–242, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2009.04.019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2009.04.019

VAN LOO, S.; KOPPEJAAN, J. The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. Earthscan, 2008.

VAROL, M.; ATIMTAY, A. T.; OLGUN, H.; ATAKÜL, H. Emission characteristics of co-combustion of a low calorie and high sulfur-lignite coal and woodchips in a circulating fluidized bed combustor: Part 1. Effect of excess air ratio. Fuel, v. 117, n. PART A, p. 792–800, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2013.09.051. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.09.051

VAROL, M.; SYMONDS, R.; ANTHONY, E. J.; LU, D.; JIA, L.; TAN, Y. Emissions from co-firing lignite and biomass in an oxy-fired CFBC. Fuel Processing Technology, v. 173, p. 126-133, 2018. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.01.002

VASSILEV, S. V.; BAXTER, D.; VASSILEVA, C. G. An overview of the behaviour of biomass during combustion: part ii. ash fusion and ash formation mechanisms of biomass types. Fuel, v. 117, p. 152–183, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.09.024

WANDER, P. R.; BIANCHI, F. M.; CAETANO, N. R.; KLUNK, M. A.; INDRUSIAK, M. S. Cofiring low-rank coal and biomass in a bubbling fluidized bed with varying excess air ratio and fluidization velocity. Energy, v. 203, p. 117882, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117882

Descargas

Publicado

2024-10-18

Cómo citar

Linhares, F. de A. de, Nunes, K. G. P., Melo, P. J., & Marcilio, N. R. (2024). Avaliação de emissões atmosféricas e cinzas geradas na cocombustão de carvão mineral com resíduos florestais. Ciência Florestal, 34(4), e83749. https://doi.org/10.5902/1980509883749

Número

Vol. 34 Núm. 4 (2024): Publicação Contínua

Sección

Artigos

Licencia

Derechos de autor 2024 Ciência Florestal

Creative Commons License

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.

A CIÊNCIA FLORESTAL se reserva o direito de efetuar, nos originais, alterações de ordem normativa, ortográfica e gramatical, com vistas a manter o padrão culto da lingua, respeitando, porém, o estilo dos autores.
As provas finais serão enviadas as autoras e aos autores.
Os trabalhos publicados passam a ser propriedade da revista CIÊNCIA FLORESTAL, sendo permitida a reprodução parcial ou total dos trabalhos, desde que a fonte original seja citada. 
As opiniões emitidas pelos autores dos trabalhos são de sua exclusiva responsabilidade.