Biocarvão - Nova ferramenta para transição energética

Existe um futuro além dos Combustíveis Fósseis, GLP, Coque, Gás Natural e Carvão? No mundo em rápido desenvolvimento, os combustíveis fósseis como os derivados de petróleo, GLP, Coque e o Gás Natural e o Carvão são os maiores contribuintes para o aumento de CO2 na atmosfera. Seu impacto ambiental se espalha por muitas áreas, desde a poluição do ar, água e gestão de resíduos.

Diante do aumento das emissões de gases de efeito estufa causado pelos combustíveis fósseis e o aumento nos valores do petróleo e os seus derivados com a crise militar e o aumento contínuo (variação cambial) as indústrias brasileiras estão buscando uma nova maneira de administrar os custos energéticos (optando pela mudança da matriz energética por um combustível renovável) gerenciar o impacto ambiental (descarbonização e sustentabilidade) e reduzir a pegada de carbono da produção.

Neste artigo, estamos nos concentrando em um novo biocombustível com tendência emergente para substituir os combustíveis fósseis e seus derivados, coque e o carvão fóssil no setor industrial visando a descarbonização (zero carbono).

A Brasil Biomassa Engenharia e Tecnologia está desenvolvendo uma série de estudos e projetos que visam a descarbonização industrial com um novo combustível energético utilizado os resíduos florestais e do desperdício do processo industrial da madeira, resíduos da agricultura e do beneficiamento agroindustrial (palha e casca da cultura do Arroz, Milho, Soja, Trigo, Café, Algodão, Amendoim, Feijão, Açaí, Dendê, Coco Verde e Babaçu, Sorgo e Capim Elefante e da Cana-de-açúcar) e de resíduos sólidos urbanos.

O biocarvão é um combustível neutro em carbono que pode substituir os combustíveis fósseis e seus derivados, coque e o carvão fóssil em processos industriais. É produzido dentro do processo de pirólise e carbonização da biomassa bruta realizada em condições de temperatura e tempo de residência controlados.

A conversão térmica da biomassa, que é feita sob o processo de condições livres de oxigênio, permite remover compostos orgânicos voláteis e componentes da celulose da matéria-prima e criar um biocombustível sólido e uniforme com elevado poder energético.

Esse combustível está ganhando cada vez mais atenção nas indústrias intensivas em carbono nos países europeus, Estados Unidos, China e Japão. Entretanto com os estudos e projetos desenvolvidos pela Brasil Biomassa, o Brasil pode aproveitar os resíduos (passivo ambiental) da agricultura e agroindústria para a produção sustentável do Biocarvão energético zero carbono.

O Biocarvão que desenvolvemos possui maior densidade de energia, alto teor de carbono, propriedades hidrofóbicas e resistência significativa à degradação biológica. Graças a isso, o biocarvão energético pode oferecer uma alternativa sustentável e livre de fósseis para indústrias como a metalurgia, aço e ferro, cimenteiras e cerâmicas, onde usar biomassa bruta como agente redutor em alto-forno normalmente não seria possível devido ao alto teor de umidade da biomassa, baixo carbono fixo e alto teor de matéria volátil e oxigênio.

Biocarvão como ferramenta de transição energética: estudos que estamos desenvolvendo para as indústrias metalúrgica/siderúrgicas. De acordo com a IEA, as emissões relacionadas à energia da indústria siderúrgica atualmente somam cerca de 2,3 Gt CO2, representando 7% do total das emissões globais do sistema energético. Ao mesmo tempo, a produção global de aço deve crescer 30% até 2050 e buscar intensamente medidas para minimizar sua pegada de carbono.

Hoje, cerca de 95% do aço à base de minério é produzido em altos-fornos, que usam carvão de coque tanto como agente redutor quanto como fonte de energia térmica. No alto-forno, o óxido de ferro é reduzido a ferro metálico por recursos de carbono fóssil (coque, carvão etc.). As condições de redução no forno são criadas por agentes redutores carregados no topo (coque) e injetados (carvão pulverizado). Esses fornos produzem emissões de cerca de 2,3 toneladas de CO2 por tonelada de aço produzido. Considerando essa intensidade de carbono, uma redução significativa da pegada de CO2 da produção de aço é necessária para atender aos objetivos climáticos mundiais.

Projetando o biocombustível. Diferentes tipos de biocombustíveis são necessários para diferentes processos de produção de metal. O ponto de partida para o projeto é, portanto, saber exatamente o que a indústria precisa para o seu processo. No alto-forno, a carga de compósitos autorredutores feitos de minério de ferro e biocarvão pode substituir o carbono fóssil.

De acordo com a pesquisa técnica da Brasil Biomassa, essa abordagem tem o potencial de diminuir a temperatura da zona de reserva térmica do alto-forno graças à redução direta do óxido de ferro nos aglomerados. A redução indireta de FeO com CO em temperaturas mais baixas muda para a formação de mais ferro metálico a uma pressão parcial específica de CO. Isso também resulta em maior eficiência gasosa do alto-forno e redução da emissão de CO2. Porém, para atingir o efeito positivo máximo, a matéria volátil presente no biocombustível deve contribuir para a redução e não ser liberada e perdida com o gás de topo do alto-forno. Por causa desses e de outros fatores, uma abordagem feita sob medida para os parâmetros do biocarvão é importante para apresentar ao mercado um produto estável e de qualidade que alcance o desempenho desejado no alto-forno.

Introdução - características da matéria-prima. O processo de produção do biocarvão começa com a escolha da matéria-prima certa para o processo. Durante esta fase, uma característica chave da matéria-prima para a produção de biocarvão deve ser avaliada (este trabalho é desenvolvido pela equipe técnica da Brasil Biomassa no mapeamento de fornecimento e de potencialidade de uso da biomassa para o processo de biocarvão) , tais como:

Conteúdo de carbono. A matéria-prima (biomassa), que detém na sua composição físico-química uma maior quantidade de carbono fixo poderá produzir um biocarvão de maior qualidade ou liberada no gás de síntese.

Matéria volátil, que representa a parte da biomassa que será liberada durante o processo de pirólise e carbonização.

Carbono fixo, demonstrando o carbono que estará diretamente representado no biocombustível produzido.

Conteúdo de cinzas, que descreve o resíduo mineral que se espera encontrar no produto sólido. Teores mais altos de cinzas na matéria-prima resultarão no aumento do teor de cinzas do biocarvão (controle do processo de queima).

Poder calórico, que determinará a quantidade de energia liberada durante a produção do biocarvão e determinará a configuração completa da planta industrial e o modelo de negócios alvo, muitas vezes permitindo obter benefícios graças à produção adicional de calor e energia.

Teor de umidade. Uma maior umidade pode aumentar o custo de produção devido à maior demanda de energia para evaporar o teor de água no processo de conversão de biomassa. Regular o teor de umidade é, portanto, a chave para a produção ideal. A energia liberada durante a operação de produção do biocarvão na forma de gás de síntese pode ser uma excelente fonte de calor para secagem e normalização da umidade antes do processo de produção do biocarvão.

Densidade aparente, onde maiores densidades aparentes promoverão aumento da vazão do sistema de produção do Biocarvão e podem resultar em melhor durabilidade dos produtos, bem como diminuir o custo relacionado ao transporte posterior.

Tamanho de partícula, onde as partículas menores provavelmente irão melhorar a homogeneidade do produto. Uma vez que o tamanho de partícula da matéria-prima afetará a qualidade do produto e sua homogeneidade, é recomendado manter o tamanho de partícula da biomassa.

Dominar a produção de biocarvão. A produção de biocarvão de boa qualidade está relacionada às características adequadas da matéria-prima e ao controle preciso da temperatura de operação.

Pirólise da Biomassa Agrícola e Agroindustrial. Uma nova forma de agregar valor aos resíduos que são um passivo ambiental.   A pirólise é um tratamento termoquímico que pode ser aplicado a qualquer produto orgânico (à base de carbono). Pode ser feito tanto em produtos puros quanto em misturas. Nesse tratamento, o material é exposto a altas temperaturas e, na ausência de oxigênio, passa por separação química e física em diferentes moléculas. A decomposição ocorre graças à limitada estabilidade térmica das ligações químicas dos materiais, o que permite que sejam desintegrados com o uso do calor.

A decomposição térmica leva à formação de novas moléculas. Isso permite receber produtos com um caráter diferente, muitas vezes mais superior do que o resíduo original. Graças a esse recurso, a pirólise se torna um processo cada vez mais importante para a indústria de hoje - pois permite agregar muito mais valor aos materiais comuns e aos resíduos.

A pirólise está frequentemente associada ao tratamento térmico. Mas, ao contrário dos processos de combustão e gaseificação, que envolvem a oxidação total ou parcial do material, a pirólise baseia-se no aquecimento na ausência de ar. Isso o torna principalmente um processo endotérmico que garante alto conteúdo de energia nos produtos recebidos. Os produtos da pirólise sempre produzem gases sólidos (biocarvão), líquidos e não condensáveis. Como a fase líquida é extraída do gás de pirólise apenas durante seu resfriamento, em algumas aplicações, esses dois fluxos podem ser usados juntos para fornecer gás de síntese quente diretamente ao queimador ou à câmara de oxidação.

Durante a pirólise, uma partícula de material é aquecida da temperatura ambiente até a temperatura definida (temperatura de instalação do equipamento). O material permanece dentro da unidade de pirólise e é transportado por rosca transportadora em velocidade definida, até a finalização do processo. A temperatura escolhida para a pirólise define a composição e o rendimento dos produtos (óleo de pirólise, gás de síntese e biocarvão).

Valorização da biomassa. No Brasil grandes quantidades de biomassa residual são produzidas e aguardam os métodos sustentáveis de seu manejo posterior. Frequentemente, são descartados ou comercializados por um preço relativamente baixo. No entanto, a biomassa residual pode ser um recurso atraente para o processo de pirólise para a produção de biocarvão energético, agregando valor a uma biomassa descartada gerando em bioprodutos com grande demanda de mercado.

1 - Biocarvão e produção de calor / vapor com uso de resíduos da colheita florestal, processo da madeira, agricultura, agroindustrial e sucroenergético. A pirólise permite converter biomassa da colheita florestal e do processo industrial da madeira e de resíduos agrícolas e do beneficiamento agroindustrial e sucroenergético em biocarvão para geração de energia.  Além disso, a energia produzida no processo pode ser transformada em calor útil (para secagem), vapor (para fins industriais) ou outras formas de energia.

2 - Produção de biocombustíveis. O processo de carbonização da biomassa em baixa temperatura permite a obtenção de combustível calorífico de alta qualidade em LHV 21 até 29 MJ/kg, adequado para os mercados de geração de energia.

3 - Aplicações do Biocarvão. Condições padronizadas e controláveis de pirólise permitem a obtenção de biocarvão de alta qualidade a partir de biomassa da colheita florestal, do processo industrial da madeira e de resíduos agrícola e agroindustriais e do sucroenergético. Como benefício adicional, obtém-se biocarvão e calor de qualidade, o que pode ser um valor agregado ao projeto.

4 - Produção de pirolenhoso. É um produto único que pode ser obtido no processo de pirólise da biomassa ao recuperar o condensado dos vapores produzidos. Seus principais componentes são o ácido acético e o metanol. Como um material de origem biológica, atende a uma demanda cada vez maior no mercado mundial.

5 - Gases sintéticos renováveis (H2, CH4). O Syngas obtido nos processos de pirólise de biomassa é uma mistura de moléculas interessantes, contendo não apenas CO, CO2 e nitrogênio, mas também quantidades significativas de H2, CH4 e hidrocarbonetos superiores. Além disso, a quantidade dessas moléculas pode ser aumentada pelo pós-tratamento do gás de síntese, tornando o processo uma fonte útil de biomoléculas.

6 - Valorização de lodo de esgoto. A gestão do lodo de esgoto torna-se um problema crescente para o meio ambiente. Após a secagem, o tratamento de pirólise de lodo de esgoto abre um novo caminho para a valorização deste material em combustíveis sólidos ou calor, sem transporte desnecessário e logística ligada à movimentação do lodo em grandes centros. A pirólise de lodo de esgoto seco em baixa ou média temperatura permite a obtenção de produto esterilizado, inodoro e fácil de armazenar, podendo ser fornecido ainda como fonte renovável de energia.

7 - Lodo para aquecer. A pirólise de alta temperatura é um processo que se opera a temperaturas de 800oC, visando à decomposição máxima do lodo e gerando o máximo possível de gás de síntese calorífico, que pode ser uma fonte de energia para a secagem.

8 - Plásticos e valorização RDF / SRF. Plástico é um problema global para o meio ambiente, que muitas vezes precisa ser tratado localmente e em pequena escala. Pela pirólise temos uma solução contínua e para este problema no local em que é necessário, permitindo obter produtos de valor agregado na forma de energia, gás de síntese e óleo.

Resíduos de plástico é um material com alto teor de energia que pode ser convertido em gás de síntese e óleo de alta qualidade. Syngas é uma mistura calorífica de moléculas (CH4, C2H6, H2 e outras) que após a limpeza podem ser eficientemente convertidas em energia (vapor, calor, eletricidade). O óleo de pirólise é uma mistura de hidrocarbonetos de alta energia que pode ser usada em muitas indústrias.

9 - Plásticos para aquecer - substituição de combustível convencional em caldeiras. Os operadores de caldeiras industriais a gás movidas a gás natural muitas vezes buscam a possibilidade de redução dos custos com combustíveis convencionais. A pirólise pode ser um processo útil para esse objetivo. O processo de alta temperatura permite a obtenção de gás sintético em valores de energia comparáveis ao gás natural. Com um queimador especialmente projetado, pode substituir o gás natural na caldeira existente e continuar operando sem investir em novos equipamentos, gerenciando os próprios resíduos no local e aproveitando seu valor energético.

10 - RDF para alimentar e aquecer. Frações caloríficas de resíduos municipais podem ser uma matéria-prima perfeita para o processo.  A pirólise contínua de alta temperatura permite a geração de gás de síntese de alta qualidade, que pode ser fornecido ao grupo gerador ou CHP, produzindo eletricidade, calor ou vapor. O óleo e o biocarvão desse processo podem ser um benefício potencial ou um produto secundário e precisam ser verificados de acordo com a composição do próprio resíduo.

11 - Plásticos/RSU para hidrogênio. Este processo exclusivo continua em desenvolvimento como uma das mais promissoras direções de valorização de resíduos. Tanto os plásticos quanto os resíduos de RDF podem ser convertidos em gás de síntese de qualidade, que podem ser tratados posteriormente para aumentar seu conteúdo de hidrogênio. Esta particularidade permite a obtenção de grandes quantidades de moléculas renováveis a partir dos resíduos de baixo valor.

12 - Plásticos /RSU para metano. Como um dos empreendimentos com maior potencial de mercado trabalhamos no estabelecimento do processo de obtenção de metano renovável a partir de frações de resíduos caloríficos. A configuração combina as tecnologias de ponta para pirólise de alta temperatura, purificação de gás e processos de produção de metano adequado para injetar na rede de transmissão.

13 - Borracha de pneus. Em muitos lugares, pneus usados são vistos como resíduos problemáticos, difíceis de se livrar. A tecnologia está respondendo a este problema, fornecendo a possibilidade de processamento local de borracha de pneus usados e criando produtos valiosos a partir da conversão da pirólise.

O fumo recuperado é um material obtido a partir do produto sólido do processo de pirólise do pneu. O tratamento adicional permite desenvolver muitas propriedades úteis que tornam um produto de alto valor agregado. Além disso, a pirólise permite a obtenção de uma mistura calorífica de gases que podem ser uma fonte de calor para seus processos industriais.

14 - Valorização da madeira tratada com cola. Os resíduos de madeira tratada (fenol) para produção de painéis, movelaria, mdf e compensados é um resíduo perigoso. Como a combustão deste material leva à liberação de gases tóxicos e métodos de tratamento alternativos são muito procurados. A pirólise da madeira pode ser uma boa resposta para o crescente problema de destinação final permitindo recuperar energia e aprisionar os poluentes nos resíduos sólidos.

15 - Tratamento químico de lodo. A pirólise de lamas químicas (lodo do processo de celulose ou das usinas) contendo poluentes que normalmente seriam oxidados e problemáticos nos processos de combustão é uma resposta promissora aos crescentes desafios de descarte desse material. O processo de pirólise pode permitir a recuperação térmica da energia transportada no lodo, ao mesmo tempo em que mantém as substâncias perigosas presas no resíduo sólido. Combinar o sistema com grupos geradores e unidades pode permitir não apenas recuperar o calor, mas também produzir vapor útil e eletricidade.

Quer saber mais das soluções energéticas e sustentáveis desenvolvidas pela Brasil Biomassa, consulte-nos 41 996473481 (diretoriabrasilbiomassa@gmail.com)

Celso Oliveira

Diretor da Brasil Biomassa e Energia Renovável.

Presidente da Associação Brasileira das Indústrias de Biomassa e Energia Renovável.

Diretor Executivo do Instituto Brasileiro Pellets Biomassa Briquete

Fone (41) 33352284 (41) 996473481