Physico-chemical characterization of sugar cane straw ashes by means of simultaneous thermal analysis (STA)

A cadeia produtiva da cana-de-açúcar tem focado grande interesse no aproveitamento integral dos seus principais subprodutos: a palha e o bagaço (sendo a palha constituída das porções foliares e ponteiras da cana-de-açúcar). Isto tem sido feito através da mudança das rotas produtivas, onde o bagaço será utilizado para a produção de etanol de segunda geração e a palha como substituta do bagaço nas caldeiras de geração de vapor. Atualmente a palha não está consolidada como combustível e, portanto, seu comportamento nos geradores de vapor permanece desconhecido. Sabendo que as incrustações devido à fusão das cinzas durante a combustão de combustíveis sólidos representa um dos maiores problemas na operação dos equipamentos de geração de vapor, neste trabalho, foi caracterizada a palha de cana como combustível a fim de prever seu possível comportamento em caldeiras industriais. Amostras de palha de cana-de-açúcar foram recolhidas em duas condições: diretamente da planta e recolhida no solo após a colheita mecanizada. Foram estudados e analisados os comportamentos das cinzas da palha integral e seus componentes (pontas, folhas verdes e folhas secas), por meio das técnicas de análise térmica simultânea (STA) e da espectrometria de energia dispersiva (EDS). Desta forma, foram identificadas temperaturas de evaporação e a composição dos principais constituintes voláteis das cinzas, representados por uma reação endotérmica com perda de massa. Igualmente, a temperatura de fusão foi detectada como reação endotérmica sem envolver perdas de massa. As análises apresentaram composição e comportamentos diferentes para cada um dos componentes da palha baseados principalmente no teor de metais álcali, cloro e das temperaturas de preparação das cinzas prévias às análises. Neste sentido, as porções correspondentes às pontas e folha verdes da cana-de-açúcar, apresentaram impactos relacionados com incrustações (fouling/slagging) superiores às de folhas secas e palha integral. Baseados nos resultados obtidos a palha de cana-de-açúcar perfila-se como uma possível biomassa substituta ao bagaço nas caldeiras de geração industriais.The sugarcane supply chain has lately placed great interest on the comprehensive use of its main by-products: straw and bagasse (the straw constituted by leaves and tops). By changing the production routes, sugarcane bagasse will be used as an energy source for the production of second generation ethanol and straw will substitute bagasse in steam generators. However, sugarcane straw is not currently used as fuel; therefore, its behavior in industrial boilers remains unknown. Slagging and fouling depositions due to fly ash melting within the boiler during combustion of solid fuel represents one of the most significant issues in the operation and maintenance of steam generation equipment. The main objective of this work was to characterize sugarcane straw as a fuel in order to predict its performance in industrial boilers. Samples of straw were collected in two different conditions: directly from the plant and off the field after mechanized harvest. The behavior of the ashes produced at different temperatures (575°C, 785°C and 985/950/850°C) from the integral sugarcane straw and its individual components (tops, dry leaves and green leaves) were analyzed by simultaneous thermal analysis (STA) and energy dispersive spectroscopy (EDS). Evaporation temperature and composition of the main volatile constituents of ashes formed, represented by an endothermic reaction involving changes in mass were identified. Also, fusion temperature was determined to be an endothermic reaction without mass loss. Results showed different elemental compositions and behaviors of ashes for each constituent of sugarcane straw, mainly based on alkali and chlorine percentage, and ashing temperature. In this regard, the fractions corresponding to sugarcane tops and green leaves showed major impacts on slagging and fouling depositions compared to dry leaves and raw straw fraction possibly due to its high levels of potassium and chlorine. Based on the results obtained from this research, sugarcane straw is profiled as an excellent substitute biomass for bagasse in industrial steam generation boilers, instead of being burned as a pre-harvest technique