Uma experiência industrial : co-queima de biomassa e carvão mineral para geração de energia em escala industrial em caldeira multicombustível (carvão, óleo e gás)

Abstract

A emissão de dióxido de carbono (CO2), oriunda majoritariamente da queima de combustíveis fósseis para geração de energia, é um dos maiores desafios climáticos globais. Diante disso, o uso da biomassa destaca-se como uma das alternativas industriais mais viáveis para a transição para uma matriz energética mais limpa. A substituição parcial de combustíveis fósseis por biomassa em ativos industriais existentes apresenta grande potencial técnico e viabilidade econômica. O presente trabalho avalia a viabilidade da co-queima de biomassa e carvão mineral em uma caldeira multicombustível (carvão, óleo e gás) de escala industrial, concebida originalmente para carvão pulverizado. O foco é implementar essa transição energética com o menor número possível de adequações físicas no sistema, garantindo a eficiência operacional e a redução nas emissões de CO2. A pesquisa foi dividida em etapas progressivas, iniciando com a caracterização físico-química de cinco insumos: serragem de eucalipto, cavaco de eucalipto, cavaco de pinus, pellets de bagaço de cana e casca de arroz. Aplicou-se o método Analytic Hierarchy Process (AHP) para elencar os materiais mais promissores considerando o grau de moabilidade, teor de cinzas, nitrogênio e SiO2. As biomassas selecionadas (serragem de eucalipto e bagaço de cana) foram submetidas a ensaios piloto de combustão em forno Drop Tube Furnace (DTF) para avaliar misturas e granulometrias. Por fim, realizou-se um teste em escala industrial de 72 horas contínuas, utilizando serragem de eucalipto em proporções mássicas de 1%, 5% e 7% em substituição ao carvão. A aplicação do método AHP e os testes em DTF demonstraram que a serragem de eucalipto em granulometria inferior a 500 µm apresenta o perfil de queima mais compatível com o carvão puro. Durante os testes em escala industrial, as misturas fluíram adequadamente pelo sistema logístico e de moagem pré-existente. A combustão mostrou-se estável, mantendo todas as variáveis de processo e de qualidade do vapor dentro dos limites de controle. Ambientalmente, a co-queima com 7% de biomassa reduziu parâmetros como opacidade e emissões de óxidos de enxofre comparativamente à queima de carvão puro. A co-queima de serragem de eucalipto com carvão mineral provou ser uma solução tecnicamente viável e ambientalmente favorável para o sistema estudado, demandando mínimas alterações na infraestrutura. Estima-se que a adoção contínua da mistura com 7% de biomassa possibilite uma redução anual de 35 mil toneladas de emissões de CO2 na unidade industrial.

Carbon dioxide (CO2) emissions, stemming predominantly from the combustion of fossil fuels for power generation, constitute one of the greatest global climate challenges. In light of this, the use of biomass emerges as one of the most viable industrial alternatives for transitioning toward a cleaner energy matrix. The partial substitution of fossil fuels with biomass in existing industrial assets presents significant technical potential and economic viability. The present study evaluates the feasibility of co-firing biomass and mineral coal in an industrial-scale multi-fuel boiler (coal, oil, and gas), originally designed for pulverized coal. The focus is to implement this energy transition with the fewest possible physical modifications to the system, thereby ensuring operational efficiency and the reduction of CO2 emissions. The research was divided into progressive stages, beginning with the physicochemical characterization of five feedstocks: eucalyptus sawdust, eucalyptus chips, pine chips, sugarcane bagasse pellets, and rice husk. The Analytic Hierarchy Process (AHP) was applied to rank the most promising materials based on their grindability, ash content, nitrogen, and SiO2 levels. The selected biomasses (eucalyptus sawdust and sugarcane bagasse) were subjected to pilot combustion tests in a Drop Tube Furnace (DTF) to evaluate mixtures and particle sizes. Finally, a continuous 72-hour industrial-scale test was conducted using eucalyptus sawdust in mass fractions of 1%, 5%, and 7% as a substitute for coal. The application of the AHP method and the DTF tests demonstrated that eucalyptus sawdust with a particle size below 500 µm exhibits a combustion profile most compatible with that of pure coal. During the industrial-scale tests, the mixtures flowed adequately through the pre-existing logistics and milling systems. Combustion remained stable, maintaining all process and steam quality variables within control limits. Environmentally, co-firing with 7% biomass reduced parameters such as opacity and sulfur oxide emissions compared to the combustion of pure coal. The co-firing of eucalyptus sawdust with mineral coal proved to be a technically viable and environmentally favorable solution for the studied system, requiring minimal infrastructural modifications. It is estimated that the continuous adoption of the 7% biomass mixture could enable an annual reduction of 35,000 tons of CO2 emissions at the industrial facility.