Caracterização física, química e energética de biomassa e seus carvões para injeção em altos-fornos

Abstract

O objetivo geral deste trabalho foi avaliar a viabilidade de utilização de biomassas e seus carvões através da injeção pelas ventaneiras dos Altos-Fornos - técnica conhecida como Injeção de Carvões Pulverizados (ICP). Desta forma, diferentes biomassas e seus carvões tiveram as suas propriedades físicas e químicas avaliadas, sendo realizados também testes de combustão e de reatividade ao CO2. Esta utilização visa ganhos ambientais e econômicos, através da redução dos índices de emissões de carbono e comercialização de Certificados de Emissões Reduzidas. As biomassas estudadas foram dois tipos de celuligninas: celuligninas provenientes de 100% madeira e celuligninas provenientes de 50% madeira + 50% matéria orgânica do lixo, cinco tipos de resíduos de biomassas “in natura”: bagaço de cevada, cascas de macadâmia, sabugo de milho, bagaço de cana e madeira de Eucalyptus urophylla. Foram realizadas carbonizações em três temperaturas (450°C, 600°C e 900°C), visando obter dados que pudessem determinar a temperatura ou faixa de temperatura na qual as celuligninas e biomassas “in natura” devem ser carbonizadas para se obter as melhores propriedades visando a utilização como combustíveis/redutor nos Altos-Fornos. Os carbonáceos estudados foram ensaiados para a obtenção dos índices de combustão (eficiência de queima). Também foram realizados testes de misturas de carvões de biomassas com carvão mineral baixo volátil, mostrando a sinergia quando se misturam estes carvões. Foram realizados ensaios de reatividade ao CO2 em três temperaturas (950°C, 1000°C e 1050°C) com o intuito de obter dados cinéticos (energia de ativação aparente e fator de frequência) de diversos carvões. Utilizou- se o modelo de reação contínua (Equação de Mampel-1a ordem) e os valores cinéticos foram obtidos através do gráfico de Arrhenius. Correlações de diversas propriedades físicas e químicas dos carbonáceos estudados em relação ao índice de combustão-IC foram obtidas. Também foi correlacionado o índice de combustão-IC com os valores de reatividade ao CO2. Os resultados mostraram que as celuligninas CCC3(50% madeira + 50 % lixo) e CCC5 (100% madeira) possuem características semelhantes ao carvão vegetal tradicional, podendo serem injetadas nas ventaneiras, sem necessidade de carbonização. A temperatura de carbonização de biomassas deve ser entre 450°C e 600°C, possibilitando melhores rendimentos gravimétricos e boas características físico-químicas. De modo geral, os maiores índices de combustão foram obtidos pelos carvões carbonizados à 600°C e pelo Carvão vegetal tradicional (madeira de Eucalyptus). Avaliando-se as propriedades físicas e químicas dos materiais carbonáceos com o índice de combustão, pode-se dividir os materiais em quatro grupos específicos (grupo de biomassas in natura, grupo das celuligninas, grupo dos carvões vegetais e grupo dos carvões minerais). Os valores dos ensaios de reatividade ao CO2 estão em consonância com os resultados de índice de combustão, onde os carvões de celulignina, bem como os carvões de biomassa tradicional, são materiais de alta reatividade com grande potencial para utilização na injeção em alto- forno.

The aim of this study was to characterize the main physical and chemical properties, and testing of combustion and CO2 reactivity of biomass, towards its use as material injetante the tuyeres of blast furnaces. This aims to use economic and environmental gains by reducing the rates of carbon emissions and trading of Certified Emission Reductions. The biomass studied were two types of cellulignin: cellulignin from 100% wood and 50% wood + 50% organic matter of trash- MOL, five types of waste biomass in natura: marc barley, macadamia shells, cobs corn, sugar cane bagasse and wood Eucalytus urophylla. Carbonization was carried out at three temperatures (450, 600 and 900 oC) to provide data that could determine the temperature or temperature range in which the “in natura” biomass and cellulignin should be carbonized to obtain the best properties to use as fuel/reducer in blast furnaces. Simulation tests of injection of powdered materials in blast furnaces were performed with three different masses (200, 250 and 300mg) for setting the rate of injection, after setting the mass to be injected (250mg) studied the carbonaceous were tested to obtain rates of combustion (burning efficiency). Tests were also made of mixtures of biomass with coal of low volatile coal, showing the synergy when mixing these coals. The rates of combustion-IC is obtained from the analysis of gaseous combustion products by gas chromatography. Tests of reactivity to CO2 at three temperatures (950, 1000 and 1050 oC) in order to obtain kinetic data (apparent activation energy and frequency factor) of various coals. The continuous reaction model (Equation Mampel-1st order) was used and the kinetic values obtained from the Arrhenius plot. Correlations of various physical and chemical properties of carbonaceous study (total carbon, fixed carbon, volatile matter, alkali content, density-He, density-Hg, open porosity, total porosity and surface area) compared to the rate of combustion-IC were obtained. It was also correlated the rate of combustion-IC with the values of reactivity to CO2.