Torrefied biomass as an alternative fuel in ore reduction processes for mitigating CO2 emissions

Abstract

Visando a redução das emissões de CO2 e proporcionando a valorização dos resíduos de madeira, esse trabalho teve como objetivo produzir combustível sólido a partir da torrefação dessas biomassas para serem aplicados como uma alternativa ao coque metalúrgico no processo de redução da mineração de ferro. Nesse contexto, inicialmente foram selecionadas quatro biomassas para o estudo: serragem de eucalipto (SE), pellet de Pine (PP), cavaco de Pine (CV) e casca de Pine (CC). Todos os materiais utilizados tratam-se de resíduos, exceto o pellet, que são resíduos já compactados e melhorados. Para a proposta de aplicação, o conhecimento das características químicas e físicas das biomassas é essencial para avaliar sua eficiência no processo. Para isso, foram determinadas as características geométricas, a moagem e a análise imediata. Os resultados dessas análises mostraram que a serragem não seria um material adequado para a proposta de aplicação por apresentar menor teor de carbono fixo em comparação com outras biomassas. Posteriormente, foram pesquisadas a composição elementar, o poder calorífico, a composição das frações lignocelulósicas, a análise de grupos funcionais (FTIR) e a caracterização por ressonância magnética nuclear (ss-NMR). O efeito das intervenções operacionais sobre o processo de torrefação foi investigado utilizando ensaios termogravimétricos não-isotérmicos a partir da temperatura ambiente até 300 ºC, utilizando biomassas com diferentes tamanhos de partículas (<106 µm e 106-300 µm), sob atmosfera inerte ou oxidante . Após avaliação dessas parâmetros, os ensaios de torrefações foram realizados em reator de leito fixo, com temperaturas de 250 e 290 ºC, tempos de residência de 30 e 60 min e atmosfera inerte. Com as biomassas torrefadas, foram realizados ensaios não-isotérmicos em análise termogravimétrica, avaliando a reatividade dessas biomassas com CO2. A partir dos resultados das biomassas torradas que apresentaram maior reatividade com CO2, foram determinados os parâmetros ótimos de temperatura e tempo de residência para a torrefação. Posteriormente, as mesmas características citadas anteriormente foram realizadas para as biomassas torrefadas que apresentavam maior reatividade. Ainda assim, foi proposta a utilização dos resultados de ss-NMR para a obtenção de métodos cinéticos de torrefação. Análise das frações líquidas e gasosas geradas durante a torrefação também foram realizadas. Por fim, foram feitos ensaios para avaliar a redução do óxido hematita (Fe2O3) a partir das biomassas torradas. Os resultados de caracterização das biomassas demonstraram que as amostras selecionadas possuem um baixo teor de umidade e de cinzas, o que é favorável para a sua utilização como combustível e alto teor de matéria volátil o que indica que os combustíveis desse material possuem facilidade de ignição mesmo em temperaturas relativamente baixas. Além disso, pudemos-se avaliar que a composição química de PP e CV são muito semelhantes enquanto CC apresentou maior teor de lignina em sua composição. Os resultados de reatividade com CO2 apontaram que as melhores condições operacionais de torrefação de CC foram de 250 ºC e 60 min enquanto PP e CV foram de 290 ºC e 30 min, sendo que a biomassa torrefada CC apresentou menor reatividade provavelmente devido ao alto teor de lignina. Aqui nota-se a importância de se conhecer a composição química do material estudado. A torrefação gerou uma baixa quantidade de gases, mesmo no maior tempo de residência e a presença de lignina em alta concentração produziu gases não condensáveis ??ricos em hidrogênio e cetonas alifáticas em alta concentração de gases condensáveis. Os resultados de cinética de primeira ordem a partir de ss-NMR mostraram baixas energias de ativação, na faixa de 11,71-25,37 kJ mol-1. Por fim, os resultados de redução com hematita mostraram que as biomassas torradas têm maior potencial de redução quando comparadas às biomassas recebidas. Os resultados de XPS demonstraram a presença de Fe e dos óxidos Fe2O3, Fe3O4 e FeO e os resultados de conversão apontaram que a biomassa PP tem maior potencial de redução, seguida de CV e CC. Os valores foram de 54,52, 51,28 e 50,34%, respectivamente.

Abstract: Aiming to reduce CO2 emissions and propose the valorization of wood waste, this work aimed to produce solid fuel from the torrefaction of these biomasses to be applied as an alternative to metallurgical coke in the iron ore reduction process. In this context, four biomasses were initially selected for the study: Eucalyptus sawdust (SE), Pine pellet (PP), Pine chips (CV) and Pine bark (CC). All materials used are waste, except for pellet, which is already compacted and improved waste. For the proposed application, knowledge of the chemical and physical characteristics of the material is essential to evaluate its efficiency in the process. For this, were determined geometric characteristics, grindability and proximate analysis. The results of these analyzes showed that sawdust would not be a suitable material for the proposed application because it has a lower fixed carbon content compared to other biomasses. Subsequently, the elemental composition, calorific value, composition of lignocellulosic fractions, analysis of functional groups (FTIR) and characterization by nuclear magnetic resonance (ss-NMR) were determined. The effect of operational parameters on the torrefaction process was investigated using non-isothermal thermogravimetric tests from room temperature to 300 ºC, using biomasses with different particle sizes (<106 µm and 106-300 µm), under inert or oxidizing atmosphere. After evaluating these parameters, the torrefaction tests were carried out in a fixed bed reactor, with temperatures of 250 and 290 ºC, residence times of 30 and 60 min and inert atmosphere (N2). With the torrefied biomasses, non-isothermal tests were carried out in a thermogravimetric analyzer in order to evaluate the reactivity of these biomasses with CO2. Based on the results of the torrefied biomasses that showed the greatest reactivity with CO2, the optimal parameters of temperature and residence time for torrefaction were determined. Subsequently, the same characterizations mentioned above were carried out for the torrefied biomasses that showed greater reactivity. Furthermore, a methodology was proposed using the ss-NMR results to obtain kinetic torrefaction parameters. Analysis of the liquid and gaseous fractions generated during torrefaction were also carried out. Finally, tests were carried out to evaluate the reduction of hematite oxide (Fe2O3) from the torrefied biomass. The biomass characterization results showed that the selected samples have a low moisture and ash content, which is favorable for their use as fuel, and a high volatile matter content, which indicates that fuels made from this material are easily ignited even in relatively low temperatures. Furthermore, it was possible to assess that the chemical composition of PP and CV are very similar while CC had a higher lignin content in its composition. The results of reactivity with CO2 showed that the best operational conditions for CC torrefaction were 250 ºC and 60 min while PP and CV were 290 ºC and 30 min, and the CC torrefaction biomass showed lower reactivity probably due to the high content of lignin. Here it is noted the importance of knowing the chemical composition of the material studied. The torrefaction generated a low amount of gases, even in the longest residence time and the presence of lignin in high concentration produced non-condensable gases rich in hydrogen and aliphatic ketones in high concentration in the condensable gases. First order kinetics results from ss-NMR showed low activation energies, in the range of 11.71-25.37 kJ mol-1. Finally, the reduction results with hematite showed that the torrefied biomasses have a greater reduction potential when compared to the as-received biomasses. The XPS results showed the presence of Fe and the oxides Fe2O3, Fe3O4 and FeO and the conversion results indicated that the PP biomass has the greatest potential for reduction, followed by CV and CC. The values were 54.52, 51.28 and 50.34%, respectively.