Experimental study of co-combustion of biomass with coal in a drop tube furnace

Abstract

The global energy matrix is mainly dominated by fossil fuels, in which coal is the secondlargest primary energy source. However, concerns about the adverse effect of the emissions arising from coal conversion have been increasing in the last decades, enhancing the need to meet future energy demands sustainably. Co-firing of coal and biomass in existing coal-fired units is being widely adopted as one of the major technologies for reducing greenhouse gas emissions. This work aimed to investigate the impact of co-combustion of coal and biomass in industrial applications regarding combustion efficiency (burnout) and gaseous emissions. Sawdust, pine chips, eucalyptus chips, rice husk, and sugarcane bagasse had their physical and chemical properties evaluated, and two biomass fuels were selected for combustion analysis with Brazilian coal. Coal-biomass blends were prepared with sawdust and sugarcane bagasse. The experimental investigation was carried out in a Drop Tube Furnace (DTF). Partially burned particles (char) were collected at three axial distances along the furnace axis. The burnout of samples was calculated according to the ash-tracer method. Gas analyzers monitored and recorded gaseous emissions generated during combustion in DTF. Firstly, pulverized coal was mixed with 10% biomass (energy base) with biomass particle sizes of d < 250 µm, d < 500 µm, and d < 1000 µm. For the samples with smaller particles, mixtures with 10% sawdust reached burnout values statistically equal to pure coal burnout and converged to maximum burnout at the same point as coal, but a decreasing trend was observed for combustion of the sample with larger particles (d < 1000 µm). On the other hand, mixtures with 10% sugarcane bagasse showed a tendency to decrease combustion efficiency increasing biomass particle size to < 500 µm. The decrease observed in burnout was associated with the large aspect ratio of biomass, which appeared to cause more impact in sugarcane bagasse samples. After that, sawdust and sugarcane bagasse were blended with coal to generate progressive shares of 10%, 20%, 30%, and 40% of the biomass in the mixture with biomass particles d < 500 µm. Generally, mixtures of sawdust with coal until 40% of biomass share achieved better results during combustion than mixtures of sugarcane bagasse with coal in any proportion. Concerning gaseous emissions, CO and NO emissions from coal-sugarcane bagasse blends were higher than emissions from coalsawdust blends. Emissions of SO2 showed a tendency to decrease with the increase of biomass for both coal-sawdust and coal-sugarcane bagasse blends.

A matriz energética mundial é constituída principalmente por combustíveis fósseis, sendo o carvão a segunda maior fonte primária de energia. No entanto, os efeitos adversos causados pelas emissões que são geradas durante a conversão de carvão têm causado preocupação nas últimas décadas, enfatizando a necessidade de suprir as demandas energéticas futuras de maneira mais sustentável. A co-combustão de carvão e biomassa tem sido bastante adotada em plantas a carvão como uma maneira de reduzir a emissão de gases do efeito estufa. Sendo assim, o presente trabalho tem como objetivo investigar o impacto da co-combustão com relação à eficiência de combustão (burnout) e emissões gasosas. Propriedades físicas e químicas de serragem, cavaco de pinus, cavaco de eucalipto, casca de arroz e bagaço de cana foram avaliadas e duas biomassas foram selecionadas para análise de combustão com carvão brasileiro. As misturas de carvão e biomassa foram preparadas com serragem e bagaço de cana. O estudo experimental foi realizado em um forno de queda livre, amplamente conhecido Drop Tube Furnace (DTF). Amostras de char foram coletadas em três distâncias axiais ao longo do eixo do forno. O burnout das amostras foi calculado pelo método traçador de cinzas. Analisadores de gases foram utilizados para monitorar e gravar as emissões durante os testes de combustão. Inicialmente, foram preparadas misturas com carvão pulverizado e 10% de biomassa (base energética) com partículas de biomassa em tamanhos d < 250 µm, d < 500 µm e d < 1000 µm. As amostras com partículas de serragem de menores tamanhos atingiram burnouts estatisticamente iguais ao do carvão puro e convergiram para o burnout total no mesmo ponto que o carvão. Contudo, foi observada uma tendência de diminuição no burnout para a amostra com partículas de serragem maiores (d < 1000 µm). Em contrapartida, para as misturas com bagaço de cana, foi observada uma tendência de redução do burnout também para as amostras com partículas < 500 µm. Essa tendência de diminuição da eficiência de queima foi associada com a grande razão de aspecto das biomassas, que pareceu ter mais impacto no caso do bagaço de cana. Em seguida, foram geradas misturas de carvão com proporções de biomassa de 10%, 20%, 30% e 40% com partículas de biomassa d < 500 µm. Em geral, misturas de serragem com carvão até 40% de biomassa atingiram resultados de queima melhores do que as misturas com bagaço de cana em qualquer proporção. Em geral, emissões de CO e de NO geradas pela combustão de misturas de carvão e bagaço de cana foram maiores que as emissões das misturas de carvão e serragem. As emissões de SO2 tenderam a reduzir com o aumento da proporção de biomassa nas misturas com os dois tipos de biomassa.