Avaliação da combustibilidade e reatividade de biomassas termicamente tratadas e carvões com vistas à injeção em altos-fornos

Abstract

O processo de injeção pelas ventaneiras dos altos-fornos (Pulverized Coal Injection - PCI) é uma das tecnologias mais promissoras para a incorporação de biomassas termicamente tratadas na siderurgia e um dos meios de alcançar uma redução consistente nas emissões de CO2 no setor. O objetivo deste trabalho foi avaliar a combustibilidade e reatividade ao CO2 de biomassas de madeira e caroço de azeitona tratadas em laboratório desde temperaturas de torrefação (250°C) até de carbonização (450°C) e comparar com carvões típicos utilizados em PCI, correlacionando com as características ocorridas devido aos tratamentos térmicos. Além da caracterização química, as transformações devido aos tratamentos térmicos das biomassas foram avaliadas via testes de combustão em termobalança, técnicas de microscopia ótica e eletrônica, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e técnicas de adsorção para análise da porosidade. Testes de combustibilidade foram conduzidos em um forno de queda livre (Drop Tube Furnace - DTF) em atmosferas convencional (O2/N2) e de oxi-combustão (O2/CO2) e os chars resultantes destes testes foram caracterizados quanto à estrutura e à reatividade ao CO2 em termobalança. Além disso, foram feitos testes de reatividade ao CO2 de misturas de eucalipto termicamente tratado e carvões em termobalança. A torrefação manteve o alto teor de voláteis das biomassas, enquanto que as biomassas carbonizadas apresentaram teores de carbono e poder calorífico semelhantes aos dos carvões de mais alto rank, com as vantagens típicas de biomassas de manterem um baixo teor de cinzas e enxofre. No entanto, o elevado teor de álcalis e fósforo nas cinzas pode ser um fator limitante na composição de misturas para PCI. O tratamento térmico das biomassas levou a gradual decomposição dos componentes da madeira com uma progressiva homogeneização da estrutura celular, associada a um aumento de aromaticidade e porosidade. De uma maneira geral, quanto menor foi a temperatura de tratamento térmico das biomassas, maior foi o burnout obtido no DTF. Comparada à atmosfera convencional (O2/N2), a atmosfera de oxicombustão (O2/CO2) levou a maiores burnouts para os chars de todas as biomassas e carvões. As biomassas carbonizadas apresentaram burnouts mais elevados que o carvão de mais baixo rank e o caroço de azeitona carbonizado apresentou baixa conversão, equivalente a um carvão de alto rank. Os chars das biomassas torrefeitas apresentaram estruturas cenosféricas isotrópicas de elevada porosidade nas paredes enquanto que os chars das carbonizadas preservaram a morfologia apresentada nas amostras originais. Os chars das biomassas foram altamente porosos, com áreas superficiais de meso e microporos em média 15 e 5 vezes maior que os chars dos carvões, respectivamente. Com relação aos testes de reatividade ao CO2 em termobalança, em geral, a reatividade dos chars das biomassas torrefeitas foi maior do que a reatividade dos chars das biomassas carbonizadas e estes foram pelo menos 10 vezes mais reativos ao CO2 do que o chars do carvão de mais baixo rank. Além das maiores áreas superficiais, principalmente o ordenamento da estrutura carbonosa e a morfologia foram fundamentais nas diferenças de reatividade ao CO2 entre os chars das biomassas e dos carvões. As misturas do carvão de mais baixo rank com a biomassa carbonizada apresentaram os melhores resultados em termos de aditividade na reatividade ao CO2.

Pulverized Coal Injection (PCI) in the blast furnace tuyeres is a promising technology for incorporation of thermally-treated biomasses and it is a way to reduce CO2 emissions in ironmaking processes. The aim of this work was to evaluate combustibility and CO2 reactivity of laboratory torrefied (250°C) and carbonized (450°) olive stone and woody biomasses, comparing with typical PCI coals. The transformations produced in biomasses due to torrefaction and carbonization were evaluated by chemical analyses, combustion tests in thermobalance, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and optical and electron microscopy and adsorption techniques. Combustion experiments were carried out in a Drop Tube Furnace (DTF) under conventional (O2/N2) and oxy-fuel (O2/CO2) atmospheres and the chars collected were characterized by its structure and CO2 reactivity in thermobalance. Reactivity tests were also conducted in thermobalance with blends of thermally-treated eucalyptus and coals. Torrefied samples maintained high contents of volatile matter, typical of raw biomasses, while carbonized biomasses showed carbon contents and high heating values similar to that of high rank coals, retaining low ash and sulfur contents. However, its high alkali and phosphorus contents could be a limiting factor to the use in blends for PCI. The thermal treatments of biomasses lead to a gradual decomposition of wood components and to a progressive homogenization of cell structure, associated to an increase in aromaticity and porosity. In general, the lower the thermal treatment temperature, the higher was the burnout in the DTF. Compared to conventional atmosphere, oxy-fuel combustion led to the highest burnouts for all biomass chars. The carbonized biomasses showed higher burnouts than the high-volatile coal and olive stone showed burnouts similar to a low-volatile coal. The chars from the torrefied biomasses showed isotropic cenospheric structures with high porosity within the walls and the chars from the carbonized biomasses preserved the morphology seen in original carbonized samples. The biomass chars presented highly porosity, with micro and mesoporosity in average, 5 and 15 times greater than the coal chars, respectively. In relation to the CO2 reactivity tests, in general, the torrefied biomass chars were more reactive than the carbonized biomass chars. However, due to its higher surface areas, structure arrangement and morphology, the carbonized biomass chars were at least 10 times more reactive than the high-volatile coal chars. The blends of high-volatile coal and carbonized eucalyptus showed good additivity in the CO2 reactivity tests in thermobalance.