Avaliação em planta piloto das emissões atmosféricas e das cinzas geradas na cocombustão de carvão mineral com biomassas

Abstract

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. Muitos desses trabalhos objetivam viabilizar cada vez mais o uso sustentável do carvão mineral. O carvão, entre os combustíveis não renováveis, ocupa a primeira colocação em abundância e perspectiva de vida útil, sendo, a longo prazo, uma das mais importantes reservas energéticas mundiais. Neste contexto, o uso de resíduos orgânicos (biomassas) na combustão com carvão, aliado à tecnologia de leito fluidizado, vem sendo mencionado como um dos principais meios de geração de energia sustentável utilizando combustíveis sólidos. Outra maneira de conter emissões nocivas geradas durante a combustão é o uso de calcário durante a queima do carvão, realizando a dessulfuração dos gases. Dessa forma, o objetivo do trabalho foi estudar a cocombustão do carvão e materiais orgânicos residuais em uma planta piloto de 0,25 MWt de capacidade térmica, constituída com reator de leito fluidizado borbulhante para avaliar as emissões dos gases de combustão e os parâmetros de operação do sistema. O presente trabalho utilizou dois tipos de biomassas residuais da região sul do Brasil, resíduo de casca da acácia negra (RCA) e cavaco de eucalipto (RCE) provenientes das indústrias de extração de tanino e de celulose, respectivamente. O carvão mineral foi obtido da mina de Candiota (CC), localizada no estado do Rio Grande do Sul. Para testes de dessulfuração de combustão de CC foram utilizados dois tipos de calcário extraídos da região sul do País utilizados como adsorventes de gases de enxofre, um calcítico (CAL) e um dolomítico (DOL). Em comparação com as emissões resultantes da combustão de carvão mineral, foi possível alcançar reduções superiores a 90% nas emissões de SO2 ao utilizar uma proporção de 75% de RCA e 25% de CC na alimentação. Em consonância com a cocombustão das biomassas, a adição dos calcários do tipo calcítico e dolomítico, com razão molar de alimentação Cacalcário/Scarvão (cálcio/enxofre) igual a 3, resultou em reduções de até 96% nas emissões de SO2. Assim, ambas as abordagens possibilitaram manter as concentrações de SO2 abaixo do limite estabelecido pela legislação ambiental do Rio Grande do Sul (400 mg/Nm3). A cocombustão do RCE e RCA não alterou expressivamente as concentrações dos compostos NOx e CO nas emissões. Por fim, a caracterização das cinzas da cocombustão mostrou uma temperatura de fusão alta, acima de 1280 ºC. Isso diminui o risco de problemas como incrustação e entupimento dos equipamentos quando se utilizou as biomassas RCA e RCE na cocombustão, devido ao fato de que os testes em leito fluidizado ocorrem em temperaturas em torno de 850 °C.

The generation of energy from non-renewable fuels has been motivating research that seeks alternatives to reduce environmental impacts involving polluting gases such as CO2, CO, SO2 and NOx. This research aims to increasingly enable the sustainable use of these sources of energy. Many of these works aim to make the sustainable use of coal more and more viable. Coal, among the non-renewable, rank first in term of abundance and useful life prospects, being, in the long term, one of the most important energy reserves in the world. In this context, the use of organic waste (biomass) in combustion with coal in a fluidized bed has been mentioned as one of the main means of generating energy in a sustainable manner using solid fuels. Another way to contain harmful emissions generated during combustion is using limestone during coal burning, performing gas desulphurization. Thus, the objective of the work was to study the co-firing of coal with residual organic materials in a pilot plant of 0.25 MWt, which has a bubbling fluidized bed reactor (BFBR) to evaluate the emissions of the gases generated and analyze the operating parameters of the system. The present work used two types of biomasses abundant in the southern region of Brazil, the residue of black wattle bark (RCA) and that of eucalyptus chip (RCE) from the tannin and cellulose extraction industry, respectively. Coal (CC) was obtained from the Candiota mine, located in the state of Rio Grande do Sul. For coal desulfurization tests, two types of limestone extracted from the southern region of the country were used as sulfur gas adsorbents, one calcitic (CAL) and one dolomitic (DOL). In comparison to the emissions generated by the burning of coal, the most significant reduction reached 90% in SO2 emissions when used 75% RCA in food and also with the addition of calcitic and dolomitic limestones in the molar ratio Ca/S 3. Thus, keeping SO2 concentrations below the most restricted limit allowed by environmental legislation (400 mg/Nm3). Co-firing of RCE and RCA did not significantly change the NOx concentrations compounds in emissions. Biomass and coal tests showed NOx and CO concentrations with values below the emission limit allowed by environmental legislation. Thus, a significant reduction in SO2 emissions was achieved without high NOx and CO emissions. Finally, the characterization of co-combustion ashes revealed a high fusion temperature, exceeding 1280 °C. This reduces the risk of issues such as fouling and equipment blockage when using RCA and RCE biomass in co-combustion, as fluidized bed tests occur at temperatures around 850 °C.