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TECNOLOGIA INDUSTRIAL BIOCARBONO BIOMASSA AGRICULTURA AGROINDUSTRIAL GRAMÍNEAS CANA-DE-AÇÚCAR MADEIRA  

Em nome da Associação Brasileira das Indústrias de Biomassa e Energia Renovável  e dos numerosos colaboradores no desenvolvimento do Livro Tecnologia Industrial Biocarbono tenho o prazer de apresentar o primeiro Livro desenvolvido no Brasil sobre o potencial de produção de biocarbono para um futuro de baixo carbono nos setores industriais mais intensivos em calor no Brasil.
As alterações climáticas apresentam-se como um dos maiores desafios para a humanidade neste século. Vivemos numa época onde somos sobrecarregados com informações sobre o impacto dos combustíveis fósseis no nosso planeta, que podem ter consequências negativas sobre a atividade humana, ao nível social, econômico e ambiental. O aumento populacional aumentou a demanda energética e, segundo a Agência Internacional de Energia (AIE), até 2030, a demanda energética poderá aumentar em 50% globalmente. 
As fontes de energia mais exploradas no mundo são os combustíveis fósseis e seus derivados . O uso excessivo desses combustíveis aumenta os gases de efeito estufa (GEE), como o CO 2 , que, por sua vez, têm um efeito notável no aquecimento global e nas mudanças climáticas.  
Para lidar com esta questão, a substituição de fontes de energia convencionais por fontes de energia amigas do ambiente é crucial. A substituição a longo prazo de combustíveis fósseis pode ser conseguida através do uso melhorado de opções de energia sustentável no mix energético. 
Esse foco renovado significa que as emissões de todos os usos finais de energia precisam ser mitigadas. Embora a eficiência energética, a eletrificação e as energias renováveis possam atingir 70% da mitigação necessária , o Biogás e Biometano será necessário para descarbonizar os usos finais onde outras opções são menos maduras ou mais caras, como indústria pesada , transporte de longa distância e armazenamento sazonal de energia. Considerando essas aplicações, o biocarbono pode contribuir com 10% da mitigação necessária para atingir o Cenário de 1,5 °C e 12% da demanda final de energia .
Para resolver os problemas relacionados à energia, uma fonte de energia alternativa, mas sustentável, é inevitável. Quase 70% do CO 2 é emitido para a atmosfera por meio do processamento de combustíveis fósseis nas indústrias de calor, energia e manufatura e no setor de transporte. Atualmente, o setor de eletricidade e energia é a fonte mais significativa de emissões de CO 2 , seguido pelo transporte, manufatura industrial e edifícios (81 Mt CO 2 ). 
Cerca de 37% da demanda global total de energia é contribuída pelo carvão apenas por causa de seu uso principal nas indústrias alumínio, cimentos e siderúrgicas como coque ou carvão de coque de primeira qualidade. 
A produção de aço, alumínio, cimento e ferro em todo o mundo aumentou acentuadamente nos últimos anos devido ao aumento da demanda industrial e do consumidor. Para atender à demanda da população em crescimento, prevê-se que o consumo de aço e cimento aumente 1,3 vezes até 2050.
A produção de ferro e aço, considerada a precursora de todos os fabricantes, é uma das indústrias mais importantes para cada nação e contribui para o crescimento nacional e econômico. As indústrias metalúrgicas, especialmente a siderurgia e a produção de ferro, são processos altamente intensivos em carbono porque requerem carbono para liberar oxigênio do óxido metálico. Uma quantidade significativa de energia é necessária para remover o oxigênio ligado, que geralmente é fornecido pelo carvão, onde o carvão atua não apenas como uma fonte de energia, mas também como um redutor. 
O consumo global de carvão estabeleceu um aumento recorde para 8,3 bilhões de toneladas, com a China sendo o maior consumidor de carvão (4,4 bilhões de toneladas), seguida pela Índia (976 milhões de toneladas). As indústrias de ferro e aço usaram quase 9305 terawatts-hora de energia do carvão. Cerca de 770 kg de carvão são usados para fabricar uma tonelada de aço . 
O uso extensivo do carvão emite quantidades significativas de CO2 durante a fabricação do aço e ferro, o que contribui para o aquecimento global e outros problemas climáticos. Para cada tonelada de aço produzida, são liberadas quase 1,9 toneladas de CO2, o equivalente a 8% das emissões totais de CO2 . A maior parte dessas emissões advém dos processos industriais em que o carvão é usado como fonte de energia e carbono para remover o oxigênio do minério de ferro, o que ocorre em um alto-forno.
Diferentes técnicas disponíveis para a produção de alumínio, cimentos e ferro e aço são o processo básico de alto-forno sem oxigênio, o forno elétrico de redução direta a arco, a fusão da escarpa em forno elétrico a arco e a redução de fundição em forno básico de oxigênio. 
O processo de alto-forno sem oxigênio básico (BF-BOF), um processo preferido para produzir componentes de ferro metálico para a produção de aço, requer coque metalúrgico de alta qualidade. 
Nos altos-fornos, o minério de ferro é normalmente abreviado por coques ou carvões e transformado em ferro-gusa rico em carbono, após o qual é descarbonetado em um forno básico de oxigênio e, finalmente, passa por um processo de refino adicional para fabricar aço. Cerca de 72% da produção global de aço bruto é produzida pela técnica BF-BOF. Usando a técnica BF-BOF, 1 tonelada de aço bruto pode ser produzida usando cerca de 1400 kg de minério de ferro, 800 kg de carvão, 120 kg de aço reciclado e 300 kg de calcário.
Além do BF-BOF, existem algumas outras técnicas para produção de aço ou ferro, como fornos elétricos a arco de ferro de redução direta (DRI-EAF), fusão de sucata em fornos elétricos a arco e fornos básicos de oxigênio de redução de fundição (SR-BOF). 
Outro método principal para produção de ferro é a fusão de sucata de aço em fornos elétricos a arco, que representa aproximadamente um quarto da produção global de aço. O DRI-EAF representa 5% da produção total de aço em todo o mundo, que geralmente usa gás natural como fonte de energia e redutor. Recentemente, os fornos elétricos a arco ganharam interesse devido às suas várias vantagens, como sua pequena escala, grande eficiência, baixos custos de capital e operação e produtividade. Nessa técnica, uma tonelada de aço bruto precisa de várias matérias-primas, incluindo sucata, oxigênio, calcário, carbono, gás natural e eletrodos nas seguintes quantidades 1036, 56, 28, 21, 4 e 3 kg, respectivamente. 
Embora seja necessária uma menor quantidade de carvão como matéria-prima em fornos elétricos a arco, a maior parte da eletricidade utilizada é gerada principalmente por usinas de energia movidas a combustíveis fósseis. Além disso, o método SR-BOF de produção de aço ainda está em desenvolvimento e contribui com apenas 0,4% da demanda mundial por aço. No entanto, o SR-BOF também utiliza carvão para a redução de minérios de ferro.
O processo de fabricação de aço envolveu processamento de metal integrado e elétrico. 
O processo de fabricação de aço integrado envolve um alto-forno e um forno básico de oxigênio, onde o minério de ferro é a principal fonte de unidades de ferro. Por outro lado, o processo de fabricação de aço elétrico envolve um forno elétrico a arco, onde a sucata de aço ou o ferro reduzido diretamente são a principal fonte de ferro. Atualmente, o processo de fabricação de aço integrado domina a produção global de aço, contribuindo com 72% da produção total de aço
Devido às emissões significativas de gases de efeito estufa, os processos de fabricação de ferro e aço precisam priorizar a redução do uso de combustíveis fósseis para mitigar os problemas ambientais. 
A formação do ferro e do aço passou por mudanças consideráveis na última década para reduzir o consumo de energia e as emissões de gases, mas mesmo essas melhorias não garantem a viabilidade futura dessa indústria crucial. 
Portanto, é hora de introduzir alternativas e fontes de energia sustentáveis para reduzir a dependência de combustíveis fósseis para atender às demandas de energia e aos mandatos de descarbonização. 
É extremamente necessário encontrar um substituto eficiente, sustentável e ambientalmente correto para o coque e o carvão. As emissões de gases de efeito estufa dos processos comerciais de fabricação de aço podem ser reduzidas pela mudança para combustíveis alternativos e renováveis ou pelo uso de abordagens de sequestro de carbono.  O uso do carvão pode ser reduzido ou eliminado pela adoção de diferentes métodos, como a produção de ferro reduzido diretamente, também conhecido como ferro-esponja. Em vez de usar coque para fundir minério de ferro em um alto-forno para produzir ferro-gusa, agentes redutores alternativos como CO (de carvão ou gás natural) ou H2 ( de carvão, gás natural, água ou biomassa) podem ser empregados para remover o oxigênio do minério de ferro.
As principais abordagens para reduzir as emissões do processo de siderurgia são a alteração do processo de produção por meio da utilização de métodos de baixa emissão com matérias-primas sustentáveis e fontes alternativas de energia e/ou a implementação de métodos de captura de carbono. Outra forma de reduzir as emissões é a modernização das siderúrgicas existentes com as melhores tecnologias disponíveis, como sistemas de recuperação de calor residual, sistemas de têmpera a seco de coque e turbinas de recuperação de alta pressão . Além disso, a captura de carbono é uma abordagem emergente para sequestrar as emissões de carbono antes que sejam liberadas na atmosfera.
Biocombustíveis produzidos a partir de biomassa residual, como biocarbono (biocarvão), bio-óleo ou gás de síntese, podem ser uma substituição propícia para combustíveis fósseis. A utilização direta de biomassa nas indústrias de ferro e aço é limitada devido às suas características, como baixa moabilidade, alta umidade, natureza heterogênea e baixo conteúdo energético.
O biocarbono pode ser produzido a partir de torrefação, carbonização, pirólise e gaseificação de biomassa. Várias reações estão envolvidas nesses processos termoquímicos, como desidratação, desidroxilação, descarboxilação, despolimerização, desaminação, reforma e aromatização, levando ao craqueamento térmico da biomassa para produzir biocarbono e outros produtos de biocombustíveis, como bio-óleo e gás. 
O biocarbono tem recebido muito interesse como um substituto potencial devido à sua alta combustibilidade, alto conteúdo energético, melhor moabilidade e capacidade reduzida. Além disso, a principal vantagem do uso de biomassa ou biocarbono como combustível é a sua neutralidade de carbono, ou seja, a quantidade de CO 2 emitida para a atmosfera através da queima da biomassa ou biocarbono consumidos pela planta durante a fotossíntese. Portanto, as emissões líquidas de carbono para a atmosfera são zero se a biomassa for usada em processos industriais.
Avaliando as propriedades físico-químicas do biocarbono em comparação com o carvão e o coque para uso nas indústrias de alumínio, cimentos e siderurgia. As propriedades únicas da biomassa bruta, como alto valor de umidade, alto teor de cinzas e baixo valor calorífico, dificultam sua utilização direta nas indústrias como um substituto para combustíveis fósseis. 
No entanto, as características do biocarbono derivado de várias tecnologias de conversão são muito melhores do que a biomassa bruta, que tem o potencial de substituir o carvão devido a ter propriedades semelhantes ao carvão ou coque de baixa volatilidade . O biocarbono pode ter menor teor de cinzas e valor calorífico e teor de carbono comparativamente maiores do que o carvão. 
O teor de carbono fixo do biocarbono é comparável ao do carvão . O alto teor de carbono do biocarbono também leva à sua maior densidade energética. O valor calorífico do biocarbono depende muito de seus métodos de produção e condições operacionais. A expansão semelhante é válida para a temperatura. 
O biocarbono ou carvão ativado pode demonstrar maior porosidade e alta área de superfície, levando a maior reatividade e adsorção de poluentes do que o carvão. Essa propriedade do biocarbono também tem um impacto considerável no processo de sinterização e na qualidade do produto. A maior porosidade faz com que o minério de ferro e o coque se aglomerem em temperaturas mais baixas, resultando em menor consumo de energia e emissões de gases de efeito estufa durante a sinterização.
O uso de biomassa carbonizada na produção de alumínio, cimento e ferro e aço ainda é relativamente novo e enfrenta forte concorrência de sistemas de energia a carvão. O uso de biocarbono em processos comerciais também enfrenta desafios técnicos e econômicos. 
A torrefação é mais popular como um pré-tratamento de biomassa; no entanto, também pode ser usada para conversão de biomassa. É um processo de conversão termoquímica de biomassa que ocorre em faixas de temperatura entre 200 e 300 °C por 10–60 min na ausência de oxigênio [. No entanto, também pode ser conduzido na presença de oxigênio e CO 2 . Pode ser ainda classificada como torrefação seca e torrefação úmida. A torrefação é um processo de conversão de baixa temperatura, em comparação com outros processos de conversão termoquímica. No entanto, ela avança notavelmente as propriedades físico-químicas da biomassa bruta e produz um biocombustível homogêneo, estável e de alto grau com maior densidade energética e valor de aquecimento e melhor moabilidade, resultando em vantagens substanciais de logística, manuseio e armazenamento, juntamente com uma variedade de usos. Assim, a torrefação recentemente atraiu o interesse da indústria e de instituições de pesquisa.
A torrefação reduz os conteúdos de oxigênio e hidrogênio da biomassa, resultando em menos vapor d'água e fumaça sendo liberados durante a combustão. O principal produto da torrefação é o biocarbono torrefeito, que é caracterizado por maior teor de carbono, alto teor de energia, hidrofóbico, mais quebradiço, melhor ignição e resistência à degradação microbiana. A torrefação ocorre por meio de aquecimento, secagem, desidratação, desoxigenação, despolimerização, desvolatilização e carbonização da biomassa . 
A torrefação pode ser operada em um leito fixo, leito fluidizado ou reator de micro-ondas. O rendimento do biocarbono torrefeito depende de vários parâmetros do processo, por exemplo, temperatura, tempo de residência, taxa de aquecimento, carga de alimentação e até mesmo tipo de reator, enquanto a potência de micro-ondas desempenha um papel vital no caso da torrefação de micro-ondas.

A pirólise é a principal rota e é amplamente utilizada para produzir biocarbono e bio-óleo a partir de inúmeras matérias-primas de baixo custo. É a degradação térmica da matéria orgânica pelo tratamento de calor a temperaturas entre 300 e 700 °C em um ambiente desprovido ou limitado de oxigênio. 
Durante a decomposição, a celulose, a hemicelulose e a lignina na matéria-prima passam por uma série de reações, nomeadamente, reticulação, fragmentação e despolimerização para criar biocarbono, bio-óleo e gás de síntese. A pirólise pode ser categorizada em três grupos com base na temperatura, como pirólise lenta, rápida e instantânea. O principal produto da pirólise rápida e instantânea é o bio-óleo, enquanto o biocarbono é para pirólise lenta.
Quando a pirólise é realizada em temperaturas que variam de 300 a 500 °C por um tempo de residência mais longo de cerca de 10–100 min com baixas taxas de aquecimento (0,1–1 °C s −1 ), é conhecida como pirólise lenta. No entanto, além da pirólise lenta, algumas outras pirólises, especialmente a pirólise a vácuo e a pirólise por micro-ondas, estão ganhando atenção nos últimos anos. 
O nome da técnica indica que a pirólise a vácuo ocorre em pressão muito baixa ou em vácuo sob pressão de 0,05–0,2 MPa, enquanto a temperatura operacional varia entre 450 e 600 °C. A pirólise por micro-ondas é um dos últimos desenvolvimentos na produção de biocarbono. 
Acredita-se que as condições ideais para a produção de biocarbono sejam 400 W de potência de micro-ondas, 450 °C e 4–6 °C min −1 . Biocarbono de alta qualidade pode ser obtido em temperaturas mais baixas para pirólise por micro-ondas, o que requer temperaturas muito altas para que a pirólise convencional atinja propriedades semelhantes.
O rendimento e as propriedades do biocarbono são significativamente afetados pelos parâmetros operacionais da pirólise, incluindo temperatura, tempo de reação, taxa de aquecimento, composição e tipo de matéria-prima e tipo de reator. 
A temperatura é o principal parâmetro que afeta o processo de pirólise. À medida que a temperatura da pirólise aumenta, o rendimento do biocarbono diminui e a produção de gás aumenta. O biocarbono é produzido quando materiais orgânicos degradados passam por polimerização secundária e aromatização durante longos períodos de residência de vapor. A criação de biocarbono, que possui uma quantidade considerável de carbono fixo, resulta de vários processos, incluindo desidratação, descarboxilação, desaminação, desidrogenação e aromatização.
As características físico-químicas do biocarbono, incluindo teor de carbono, teor de hidrogênio, teor de enxofre, composição elementar, porosidade, área de superfície, cristalinidade, pH, aromaticidade, salinidade e condutividade elétrica, são momentaneamente influenciadas pelos parâmetros do processo de pirólise e qualidades da matéria-prima . 
Esses fatores também influenciam seu pós-tratamento e aplicações. Existem várias aplicações de biocarbono obtido por pirólise, incluindo como combustível sólido para substituir o carvão nas indústrias siderúrgicas
A gaseificação é outra rota de transformação termoquímica de material orgânico em gás de síntese (CO e H 2 ) junto com biocarbono em altas temperaturas (> 500 ° C). O rendimento e a qualidade dos produtos de gaseificação dependem da temperatura do processo, pressão, tempo de reação, razão de equivalência, concentração de matéria-prima, tipo de gaseificador e catalisadores. A gaseificação é geralmente conduzida na presença de vários agentes de gaseificação, como vapor, oxigênio, ar, água ou gás inerte. 
A gaseificação convencional, que geralmente é realizada usando ar ou vapor, envolve oxidação parcial, pirólise e reforma a vapor. Vapor, água subcrítica e água supercrítica são usados na gaseificação hidrotérmica de biomassa por meio de deslocamento de água-gás, hidrogenação, reforma, Boudouard e reações de metanação.
O biocarbono produzido a partir da gaseificação é rico em carbono e possui alto poder calorífico. Além disso, a microestrutura do biocarbono obtido a partir da gaseificação é porosa, o que auxilia no processo de combustão. A reação de gaseificação entre carbono e vapor é o principal componente da conversão do carvão. Após ser exposto ao vapor a uma alta temperatura de 800–1000 °C por um período considerável (30–60 min), o biocarbono pode ser ativado com alta área superficial, alto teor de carbono e porosidade.
A forma mais eficaz e eficiente de produção de hidrochar é a carbonização hidrotérmica, que geralmente é realizada em temperaturas comparativamente mais baixas, variando de 180 a 300 °C, sob alta pressão de 0,1 a 25 MPa. Nesse processo, a conversão da biomassa ocorre com água como meio de reação, solvente e catalisador, levando à hidrólise e à clivagem de componentes orgânicos. Em altas temperaturas, a água apresenta uma constante de ionização elevada, o que potencializa o processo de hidrólise de materiais orgânicos.
Quando a reação ocorre a uma temperatura abaixo de 250 °C, o produto alvo é o hidrochar através da carbonização hidrotérmica. Quando temperaturas entre 250 e 400 °C são usadas, o bio-óleo bruto é obtido através da liquefação hidrotérmica envolvendo água subcrítica. A gaseificação hidrotérmica leva à produção de gás de síntese (CO, CO 2 , H 2 e CH 4 ) em temperaturas acima de 400 °C envolvendo água supercrítica. O produto hidrolisado sofre desidratação, fragmentação e isomerização para gerar o produto intermediário, especialmente 5-hidroximetilfurfural, fenóis, ácidos e compostos aromáticos . Esses produtos de degradação intermediários sofrem ainda condensação, polimerização e desidratação intramolecular para gerar hidrochar.
Altos-fornos. Um alto-forno é um tipo de forno metalúrgico usado na fundição para produzir metais industriais, principalmente ferro e aço. Seu nome deriva do "sopro" de ar quente ou ar enriquecido com oxigênio que é insuflado no forno para facilitar a combustão de coque ou carvão e a redução do minério de ferro em ferro fundido. Os altos-fornos são um componente essencial da indústria siderúrgica e têm sido utilizados há séculos na produção de ferro e aço. São estruturas enormes e são utilizados em siderúrgicas integradas, onde minério de ferro, coque e outras matérias-primas são processados em diversas formas de aço.
Avaliando o esquema de um alto-forno onde minério de ferro, coque e calcário são geralmente alimentados nos altos-fornos pela parte superior, que pode ser substituída por biocoque para reduzir a pegada de carbono. Na parte superior do forno, a umidade é removida das matérias-primas enquanto os hidratos e carbonatos são decompostos. A redução indireta de óxidos de ferro por CO e H2 ocorre na parte inferior do alto-forno a temperaturas de 700–1000 °C. A redução direta de óxidos de ferro e a carbonização pelo coque ocorrem a 1000–1600 °C, e as matérias-primas começam a amolecer e derreter. O ferro fundido e a escória começam a escorrer para o fundo do forno, conhecido como soleira.
Os aditivos e fundentes são usados para transformar os resíduos ou materiais de ganga presentes na carga, principalmente sílica e alumina, em uma escória de baixo ponto de fusão. Essa escória também dissolve as cinzas de coque e ajuda a eliminar o enxofre.
Os  autos-fornos podem ser agrupados em duas categorias, como mini altos-fornos, que têm uma capacidade de 50–350 m 3 , e altos-fornos grandes tradicionais com capacidades superiores a 4000 m 3 . 
O biocarbono é normalmente adicionado aos altos-fornos por meio de carregamento superior ou injeção em tuyeres ou injetado pela parte inferior como injeção de carvão pulverizado. 
Se o biocarbono for empregado na produção de ferro, cerca de 203 kg O 2 t −1 de metal quente podem ser emitidos, enquanto 890 kg CO 2 t −1 de metal quente podem ser capturados . 
Substituir 100% do coque por biocarbono é tecnicamente viável, pois a altura operacional e a pressão de pico em altos-fornos de pequena escala são comparativamente menores. No entanto, no caso de altos-fornos grandes, no máximo 20% de coque pode ser substituído por biocarbono porque requer características da mistura de coque para gerar resistência de carga suficiente e manter a permeabilidade do leito. 
A maior taxa de injeção de biocarbono está tipicamente na faixa de 200–220 kg t −1 de metal quente, indicando a possibilidade de uma redução de 40% nas emissões líquidas de CO₂ . A adição de biocarbono em 50–100% à mistura de coque reduz as emissões de CO₂ em 3–7% na indústria siderúrgica, que é medida em 0,08–0,2 toneladas de CO₂ t − 1 de aço bruto. Usar biocarbono em vez de injeção de carvão pulverizado resulta em menos formação de escória devido ao seu menor teor de impurezas e cinzas do que o carvão. Um dos principais desafios na produção de aço virgem é uma pegada de carbono significativamente grande. Além disso, em contraste com altos-fornos, fornos elétricos a arco podem encontrar limitações técnicas na fabricação de aço virgem.
A Rio Tinto estabeleceu um processo de fabricação de ferro com baixo teor de carbono na Unidade de Pesquisa e Desenvolvimento da BioIron, na Austrália Ocidental . A BioIron realizou testes bem-sucedidos do inovador processo de fabricação de ferro em uma planta piloto de pequena escala na Alemanha, utilizando biomassa bruta e energia de micro-ondas como substitutos do carvão para converter o minério de ferro de Pilbara em ferro metálico durante a produção de aço. Ao integrar energia renovável e ciclagem de carbono por meio de biomassa de rápido crescimento, a BioIron reduziu potencialmente as emissões de carbono em até 95%, em comparação com o método tradicional de alto-forno.
Temos os combustíveis de biocarbono sólido em vez de injeção de carvão pulverizado para reduzir drasticamente as emissões de gases de efeito estufa do alto-forno durante a fabricação de ferro. Eles avaliaram sistematicamente o desempenho do biocarbono e desenvolveram um modelo técnico-econômico para avaliar o uso em valor do biocarbono produzido por várias técnicas de pirólise. 
Sendo que 10–20% do carbono fóssil (carvão e coque) pode ser substituído com sucesso por materiais alternativos de base biológica para injeção em altos-fornos por meio de injeção de carvão pulverizado. O hidrochar com maior teor de lignina demonstrou maior reatividade, tornando-o mais adequado para aplicações de gaseificação. 
No entanto, o hidrochar não é totalmente adequado para substituir totalmente os injetores de base fóssil em altos-fornos. Ele pode ser misturado com antracito em proporções que variam de 30 a 60% em peso, dependendo do material de origem.
Misturar carvão ou coque com biomassa ou biocarbono pode ser uma alternativa promissora para produzir biocoque com propriedades ideais para utilização em altos-fornos. 
As características do biocoque para aplicação em um alto-forno enquanto produziam biocoque misturando carvão de coque com biocarbono derivado da pirólise de casca de coco e casca de arroz a 400–600 °C. As proporções de mistura de carvão com biocarbono foram 95:5, 85:15 e 75:25% em peso. A mistura de coque e biocarbono de casca de coco (85:15% em peso) atende aos requisitos do alto-forno para maior eficiência. Um aumento na temperatura de pirólise aumenta a resistência à compressão do biocoque e um aumento nas porções de biocarbono reduz o índice de reatividade do carvão.
As características de combustão de biomassa, hidrochar derivado de biomassa, antracito e uma combinação de hidrochar e antracito por análise termogravimétrica. 
Os resultados revelaram que a adição de hidrochar ao antracito melhorou o comportamento de combustão do antracito. As melhores características de combustão foram encontradas quando a proporção de hidrochar foi de 60% em peso na mistura, fornecendo uma energia de ativação de 38,5 kJ mol −1 .
No modelo de otimização com foco em reutilização para avaliar a viabilidade do uso de biocarbono para injeção via injeção de carvão pulverizado em altos-fornos. O modelo demonstrou que a substituição de 30% do injetável por biocarbono derivado de biomassa lenhosa levou ao aumento das concentrações de arsênio e chumbo na poeira de combustão do alto-forno, embora seus níveis permanecessem dentro dos limites aceitáveis.
As características físico-químicas do carvão antracito e do biocarbono obtidos de cascas de palmiste. A reatividade do biocarbono era superior à do carvão antracito por ter maior teor de óxido de metal alcalino e estruturas porosas mais desenvolvidas. A viabilidade da aplicação de biocarbono na injeção de alto-forno e observando que ele pode promover a redução indireta, diminuir a quantidade de injeção de carvão e confirmar a operação estável em altos-fornos, reduzindo assim o consumo de coque e a mineração de carvão.
Uma carvão vegetal com carvão de coque em 3, 5 e 8% em peso para explorar seu impacto na reatividade do CO 2 . Seus resultados mostraram que a adição de carvão vegetal ao carvão de coque aumentou a área de superfície do coque e melhorou a reatividade do coque em altos-fornos. 
Temos o hidrochar a partir da carbonização hidrotérmica de palha de milho para uso no alto-forno como um biocombustível sólido. Sua análise de caracterização confirmou que a reatividade de combustão do processo de carbonização hidrotérmica superou a do carvão betuminoso, tornando-o um método viável para converter biomassa de palha de milho em combustível de injeção de alto-forno.
O biocarbono também pode ter um impacto no desempenho dos altos-fornos. Foi relatado que uma redução de temperatura da zona de reserva para 850 °C resultou em uma mitigação de 9% de CO2 com apenas 4% de perda de produtividade do alto-forno quando o biocarbono foi usado . No entanto, reduzir ainda mais a temperatura para 750 °C pode reduzir o CO2 em apenas 12 %, enquanto aumenta a perda de produtividade em até 14%. Adicionar biocarbono a um alto-forno altera sua massa e trocas de calor, distribuição de gás e perfil de temperatura, não afeta diretamente o processo de fabricação de ferro.
O coque, também conhecido como coque metálico, é uma matéria-prima essencial usada na fabricação de ferro e aço por meio do processo de alto-forno. O coque é o combustível mais caro e crucial, sendo feito por meio de um processo de carbonização realizado em altas temperaturas (> 1100 °C) a partir de carvões de classificação específica de origem fóssil ou misturas de carvão. 
A fabricação de coque envolve a conversão de carvão em um material com alto teor de carbono que pode servir como agente redutor na fundição de minério de ferro. Ele desempenha várias funções durante a fabricação de ferro ou aço em altos-fornos. Ele atua como fornecedor de energia térmica, pois 80% do calor produzido é fornecido principalmente pela queima do teor de carbono do coque, com os 20% restantes provenientes de jatos quentes. Ele também atua como um agente para reduzir diferentes óxidos indireta e diretamente, bem como para carburar metais aquecidos. Além disso, serve como suporte para promover a descida da carga para melhorar a circulação de gás e a permeabilidade do leito e absorve poeira do ar. Portanto, o coque não poderia ser trocado nos fornos de coque para nenhuma dessas aplicações.
Na produção de coque, a adição de biocarbono reduz a dilatação da mistura, o que influencia positivamente a reatividade. Um valor de dilatação mais alto resulta em uma mistura de coqueificação com melhores propriedades de produção de coque e maior qualidade do coque. 
Ao contrário da biomassa bruta, o biocarbono pode ser incorporado em misturas de coqueificação em maiores quantidades. No entanto, ao utilizar biocarbono como aditivo, é importante considerar fatores como as características do biocarbono produzido, seu tamanho de partícula, porosidade e distribuição do tamanho dos poros, a proporção de biocarbono na mistura de coque, o grau de homogeneização da mistura com o aditivo e o método de carregamento da mistura na câmara de coqueificação.
Vários estudos consideraram a viabilidade da mistura parcial de biocarbono com carvão para criar biocoque para reduzir a quantidade de carvão usada no processo de fabricação de coque. O biocoque é uma mistura de carvão e biocarbono produzida a partir de vários processos de conversão termoquímica em altas temperaturas. No entanto, o limite superior da quantidade de biocarbono que pode ser combinada com carvão para fazer biocoque de qualidade adequada depende de vários fatores, especialmente índices de alta temperatura do coque, ou seja, resistência do coque após a reação e indicador de reatividade do coque, bem como fluidez.
A fluidez do carvão é um dos elementos vitais na produção de coque, que indica a proporção de carvão para carvão em uma mistura para produzir um estado plástico. Um plastômetro Gieseler é geralmente usado para avaliar a fluidez do carvão de coque. Neste teste, o carvão fino não pulverizado é progressivamente aquecido e, quando derrete e entra na região plástica, sua fluidez é medida. A fluidez máxima é geralmente expressa como divisões de discagem por minuto (ddpm). 
Normalmente, a fluidez do carvão varia de 1 a 5000 ddpm para carvão não coqueificável a carvão coqueificável duro. O carvão coqueificável pode ser categorizado em carvão coqueificável duro, carvão coqueificável semiduro ou carvão coqueificável semimole e carvão pulverizado para injeção. O carvão coqueificável duro é necessário para produzir coque forte. No entanto, a fluidez da mistura de carvão deve estar dentro da faixa de 400–1000 ddpm para gerar coque de alta qualidade. 
O carvão de coque geralmente contém menos cinzas, umidade muito baixa e matéria volátil, mas mais carbono. Um estudo relatou que o grau máximo de fluidez do carvão pode ser encontrado em faixas de matéria volátil de 32 a 34% em peso. 
Os carvões com teor de matéria volátil de 32% em peso apresentaram fluidez na faixa de 500–25.000 ddpm. O efeito da adição de biocarbono na fluidez de misturas de carvão foi explorado para várias biomassas por vários pesquisadores. As descobertas indicam que a adição de carvão normalmente reduz a fluidez da mistura carvão-biocarbono e tem um impacto na estabilidade e no desenvolvimento da matriz de coque. 
Descobriu-se que cerca de 20% em peso de adição de carvão não coqueificável com carvão de coque duro diminui a fluidez da mistura e deteriora a qualidade do carvão. Além disso, a biomassa bruta também pode ser usada em misturas de carvão. 
O limite máximo de biomassa bruta que pode ser adicionada à mistura de carvão é inferior a 2% em peso porque o aumento da quantidade de biomassa afeta muito a resistência e a reatividade do coque. A adição de biomassa com carvão em diferentes proporções (ou seja, 10, 15, 20, 30% em peso) em temperaturas de carbonização variadas, variando de 500 a 800 °C. Eles notaram que a área de superfície e o rendimento energético da mistura eram maiores do que o carvão.
A adição de biomassa e biocarbono no carvão aumenta a porosidade da mistura e, portanto, reduz a fluidez, pois o biocarbono e a biomassa geralmente não alteram o estatuto plástico durante o processo de coqueificação. 
O impacto da adição de carvão vegetal na fluidez do carvão de coqueificação onde foi descoberto que aumentar a quantidade de carvão vegetal causa uma perda exponencial invertida constante de fluidez. O carvão relativamente fluido foi de fato bastante sensível ao aumento do biocarbono, perdendo quase metade de sua fluidez quando 5% em peso de carvão vegetal foi aplicado. 
Com concentrações de biocarbono de lignina variando de 5 a 10% em peso, foi observado um grau significativo de redução na fluidez variando de 51 a 66% em peso. 
Usando madeira de eucalipto junto com seu carvão e alcatrão obtidos a 415 °C e composto modelo de biomassa em carvão de coqueificação único para explorar a fluidez da mistura os seguintes efeitos decrescentes de produtos e componentes de biomassa na fluidez do carvão foram observados em uma taxa modesta de adição de xilana, carvão vegetal, lignina, alcatrão insolúvel em água, celulose e serragem bruta.
Os outros fatores importantes que afetam os processos de coqueificação são a resistência do coque após a reação, especialmente em altos-fornos. O coque de alta resistência é essencial para interromper a degradação do coque e manter a permeabilidade estrutural do alto-forno. A substituição fracionada do carvão de coqueificação por vários biocarbono ou biomassa foi investigada por vários pesquisadores .
Os resultados mostraram que a adição de biocarbono, carvão vegetal e biomassa ao carvão de coqueificação reduz os índices de fluidez e o indicador de reatividade do coque, bem como a resistência do coque após a reação do coque de mistura e tem um impacto prejudicial na qualidade do coque. 
É concebível que o enfraquecimento das ligações entre os compostos formados pela coqueificação seja causado pela difícil fusão de compostos inertes de biocarbono à parede celular do carvão durante o processo de coqueificação. As porcentagens de adição foram avaliadas na maioria das pesquisas para aumentar o uso de biocarbono no processo de fabricação de coque, e foi descoberto que é necessário continuar adicionando biocarbono a uma taxa entre 2% e 10% para evitar sua degradação . A indústria siderúrgica geralmente produz 0,02–0,11 toneladas de CO2 tonelada −1 da produção de aço bruto, que pode ser reduzida em 1–5% pela introdução de biocarbono em 2–10% na mistura de carvão.
Existe um projeto de produção de bio-coque para ser usado como um substituto para o coque metalúrgico misturando biocarbono produzido a partir de serragem com brisa de coque na proporção de 2:8, o que satisfez o padrão para coque metalúrgico secundário de alta qualidade. A estrutura interna e o desempenho do coque resultante foram melhorados preenchendo rachaduras e poros com uma quantidade apropriada de pó de biocarbono de serragem. 
O biocoque produzido a partir da combinação de biocarbono obtido de bambu e brisa de coque residual enquanto piche de alcatrão de hulha usado como aglutinante pode substituir o coque metalúrgico em 4%. 
Existe ainda o biocoque usando várias proporções de mistura de carvão de grau inferior e biocarbono derivado da pirólise de cascas de coco, cascas de amendoim, serragem e bagaço de cana-de-açúcar a 550 °C com amido e melaço como ligantes por meio da carbonização. A caracterização das misturas revelou o potencial para substituir carvão e coque de origem fóssil em 20–30%. 
A morfologia e a reatividade do biocarbono produzido sob várias atmosferas em altas temperaturas para aumentar sua adequação para uso no processo de coqueificação com a produção de briquetes de ferro-carbono misturando pó de ferro (80%) com materiais carbonáceos à base de biomassa (ou seja, Char 1 pirolisado a 500 °C, Char 2 pirolisado a 750 °C e hidrocarvão produzido a partir de casca de limão) e um ligante (0–4% em peso) para uso como recarburizador para aço líquido. Os briquetes de hidrocarvão têm melhores propriedades mecânicas do que os briquetes de carvão e a eficiência de recarburação para os briquetes de hidrocarvão (48–54%) foi maior do que a do carvão vegetal (26–39%).
O tamanho das partículas da biomassa e do biocarbono também influencia a resistência do coque após a reação. Quando o tamanho das partículas aumenta, a resistência do coque após a reação aumenta com uma ligeira queda na fluidez. 
Assim, o tamanho ideal de partícula do biocarbono variou entre 2 e 4 mm. Ao comparar partículas finas de biocarbono com cinzas que contêm metais alcalinos e alcalino-terrosos (por exemplo, Na, Mg, P, K e Ca) com materiais grosseiros, vários efeitos se tornam evidentes no processo de coqueificação. 
Primeiro, essas partículas finas de biocarbono são distribuídas de forma mais uniforme por todo o produto de coqueificação, o que leva a um aumento da reatividade do coque, principalmente por meio da catálise da reação de Boudouard em temperaturas elevadas. No entanto, é importante observar que esse aumento de reatividade tem um impacto negativo em dois indicadores específicos. Além disso, devido à sua área de superfície significativamente maior, em comparação com o carvão de coqueificação, o biocarbono possui uma robusta capacidade de adsorção física. Como resultado, ele pode adsorver os subprodutos gerados durante a decomposição do carvão. Esse processo de adsorção, por sua vez, aumenta a temperatura de amolecimento do carvão. Em última análise, esse aumento na temperatura de amolecimento dificulta o desenvolvimento da fluidez e, consequentemente, a produção de coque. Por fim, expandir a exploração do biocarbono na fabricação de coque metalúrgico exige um gerenciamento cuidadoso tanto da adição quanto das características do biocarbono.
A sinterização é um processo térmico muito notável, geralmente realizado em altas temperaturas entre 1300 e 1400 °C, no qual uma combinação de finos de minério de ferro, produtos de fabricação de ferro reciclados (por exemplo, pó de alto-forno e carepa de laminação), finos de retorno de fluxos, agentes formadores de escória e coque são combinados em uma planta de sinterização. 
Essa enorme quantidade de calor é fornecida principalmente pela combustão da brisa de coque e distribuída uniformemente pelo leito de mistura. O objetivo do processo de sinterização é produzir um produto com as propriedades térmicas, mecânicas, físicas e químicas ideais para alimentar o alto-forno. 
Portanto, para que os finos de minério de ferro sejam adequados para alta pressão e circulação de gás em altos-fornos contemporâneos, eles devem ficar maiores, mais duros e mais permeáveis para o processo. É importante destacar que a brisa de coque serve como uma fonte substancial de combustível para o processo de sinterização e que, após ser britada, o coque de partículas menores é separado do coque de partículas maiores por peneiramento.
A sinterização consome cerca de 9 a 12% da energia total utilizada na produção de ferro e aço, o que contribui para aproximadamente 12% da emissão total de gases de efeito estufa das siderúrgicas, juntamente com outros poluentes como SO x , NO x , dioxinas e poeira fina. A emissão de CO₂ do processo de sinterização pode ser atribuída à queima e combustão da brisa de coque e à desintegração de calcário e dolomita. Atualmente, a substituição da brisa de coque por biocarbono na sinterização de minério de ferro tem se tornado popular devido à sua capacidade de reduzir os custos de produção e aliviar a pressão ambiental.
Recentemente, tem havido um foco crescente no uso de biocarbono como um potencial substituto renovável para a brisa de carvão para reduzir os custos de produção e as emissões de gases de efeito estufa. Vários estudos usaram biocarbono como fonte de combustível com brisa de carvão, substituindo parcialmente a brisa de carvão por biocarbono, demonstrando que essa substituição leva a um aumento nos níveis de CO e CO2, reduzindo os níveis de SOx e NOx nos gases de combustão [ 66 , 67 ]. A adição de biocarbono até 50% pode aumentar a concentração molar de CO2 e CO em 10–12% e 1,3–3%, respectivamente. O ligeiro aumento de CO2 após a adição de biocarbono com brisa de carvão é devido à maior reatividade do biocarbono, bem como à necessidade de atingir uma qualidade de sinterização adequada. Além disso, os níveis mais baixos de enxofre e nitrogênio no biocarbono, em comparação com a brisa de carvão, estão ligados aos menores teores de SOx e NOx no gás de combustão.
O biocarbono geralmente contém alto teor de carbono com uma área de superfície maior e porosidade com alto valor calorífico e capacidade de absorção. Além disso, o nível de saturação do biocarbono é geralmente alto e tem alto teor de água em torno de 48%, em comparação com o carvão ou a brisa de coque (25%). 
Essa característica está ligada a efeitos prejudiciais na granulação de finos de minério de ferro durante a sinterização. Comparado ao sistema de brisa de coque padrão, que usa cerca de 7,1% de água, o método de granulação para substituição do biocarbono usa mais água ou cerca de 8,5%. Portanto, a quantidade de água no sistema de sinterização precisa ser alterada para fornecer a permeabilidade adequada através do leito e atingir o nível desejado de qualidade do produto final. Além disso, a velocidade de queima do combustível, especialmente do combustível sólido, aumentou com o aumento da substituição do biocarbono, pois o biocarbono geralmente tem reatividade muito maior em altas temperaturas (700–800 °C) do que a do coque.
Para investigar como o uso de biocarbono no lugar da brisa de coque afeta o desempenho do processo de sinterização, é essencial analisar quatro indicadores-chave de sinterização. Esses indicadores abrangem a porcentagem de rendimento do sinter, a porcentagem de rendimento do produto, a porcentagem do índice de tumbling e o consumo de combustível medido em quilogramas por tonelada de sinter. 
A velocidade de queima do carvão vegetal é maior (6%) do que a do coque (4,2%), o que é atribuído à alta porosidade e à maior área de superfície do biocarbono. Foi descoberto que quando mais de 40% da brisa de coque foi substituída por biocarbono, houve uma velocidade irregular da frente de chama e da frente de calor durante a sinterização, o que reduziu a eficiência da combustão.
As propriedades do biocarbono, especialmente o teor de carbono fixo, o teor de matéria volátil e o tamanho das partículas, desempenham um papel significativo na substituição da brisa de coque. 
Já foi relatado que o biocarbono com um teor de carbono fixo superior a 90% e tamanhos de partículas variando de 1 a 5 mm pode ser adicionado em aproximadamente 60% ao processo de sinterização para atingir um rendimento de produto semelhante ao que pode ser alcançado usando a brisa de coque. Além disso, vários estudos relataram que a substituição ideal do biocarbono pela brisa de coque está dentro da faixa de 40–60% para atingir um produto de sinterização de qualidade aceitável, mantendo um rendimento de produto acima de 80%. 
Vale ressaltar que, embora o uso de biocarbono na tecnologia de sinterização possa não levar a uma redução nas emissões de gases de efeito estufa, as emissões líquidas de CO2 na indústria siderúrgica devem diminuir em aproximadamente 5–15%. Essa redução é atribuída às matérias-primas de biomassa serem consideradas energia neutra em carbono.
A siderurgia é uma parte fundamental da fabricação industrial moderna e desempenha um papel vital em vários setores, incluindo construção, automotivo, máquinas e desenvolvimento de infraestrutura. 
Carvão (antracito) e coque são as principais fontes de carbono ou combustível no processo de fabricação de aço devido ao alto teor de carbono fixo. A utilização de carbono fóssil no processo de fusão de sucata de aço em fornos elétricos a arco contribui com cerca de 60–70% das emissões diretas de gases de efeito estufa associadas à fabricação de aço. 
Recentemente, a geração de aço para fornos elétricos a arco expandiu-se consideravelmente devido às rotas curtas de fornos elétricos a arco que geralmente emitem CO2 comparativamente baixo ( 0,4 t CO2 tonelada −1 de aço bruto), que são menos de um quinto daquelas da rota BF-BOF. Ao empregar biocarbono em fornos elétricos a arco, essas desvantagens ambientais podem ser reduzidas consideravelmente. 
A exploração de biocarbono no lugar de carvão ou coque para gerar aço para forno a arco elétrico tornou-se um foco de pesquisa nos últimos anos devido ao seu enorme potencial para reduzir o uso de carbono e as emissões de CO2 . 
Existem estudos sobre resíduos de casca de palma para substituir coque metalúrgico na produção de aço em forno a arco elétrico e examinaram as relações com escória de forno a arco elétrico em um reator em escala de laboratório a 1550 °C. O biocarbono derivado de resíduos de casca de palma mostrou interações carbono-escória mais violentas, em comparação com o coque comum, pois a reatividade de combustão do biocarbono é forte devido à sua alta área de superfície. 
No entanto, o biocarbono normalmente contém uma grande quantidade de cinzas contendo vários minerais, o que pode estimular a interação entre carbono e oxigênio e induzir comportamento de queima indesejável na produção de aço em forno a arco elétrico, o que, em última análise, restringe seu uso na produção de aço para forno a arco elétrico. 
Coque, carvão e outras fontes fósseis de carbono podem ser empregadas como agentes espumantes em fornos elétricos a arco para produzir escória de espuma, que protege materiais refratários da intensidade do calor e prolonga o ciclo de fundição, ao mesmo tempo que reduz o ruído. O comportamento de formação de espuma de diferentes fontes de carbono, como coque de petróleo calcinado, antracito, coque, biocarbono e uma mistura de biocarbono e coque na proporção de 50:50 e concluíram que o biocarbono tem as características de formação de espuma mais inferiores em comparação com outras fontes de carbono estudadas.
No Livro aduzimos que o biocarbono renovável pode ser uma substituição adequada e sustentável para o combustível à base de carvão, reduzindo as emissões globais de CO2 nas indústrias siderúrgicas. 
Este Livro avaliou as diversas formas de produção de biocarbono, especialmente torrefação, pirólise e gaseificação, e estudou a aplicação do biocarbono em atividades de siderurgia ou siderurgia com alto consumo de energia, como altos-fornos, coqueria, sinterização de minério de ferro e siderurgia. 
As propriedades físico-químicas do biocarbono obtido a partir de biomassa lenhosa são comparáveis às do carvão ou coque, mas o biocarbono de outros resíduos, especialmente biomassa agrícola, contém baixo valor calorífico, que precisa ser aprimorado antes da mistura com carvão em uma mistura de carvão.
O biocarbono pode potencialmente substituir o carvão por injeção de carvão pulverizado e substituir parcialmente o coque em grandes altos-fornos.  As características únicas da mistura de coque são necessárias para fornecer resistência suficiente à carga e manter a permeabilidade do leito, e apenas uma substituição máxima de 20% pode atender a essa necessidade.  A maior taxa de injeção de biocarbono foi encontrada entre 200 e 220 kg ton -1 de gusa líquido, indicando uma possibilidade significativa de substituição da injeção de carvão pulverizado por biocarbono. Isso pode resultar em uma redução de 25% nas emissões de CO₂ .
É possível combinar carvão e biocarbono durante o processo de fabricação de coque para produzir biocoque, mas a quantidade de biocarbono usada deve ser idealmente entre 2% e 10% para evitar efeitos negativos na qualidade do produto final. 
No setor siderúrgico, a adição de biocarbono à mistura de carvão dentro dessa faixa reduz as emissões de CO2 em 1–5% ou 0,02–0,11 toneladas de CO2 toneladas −1 de aço bruto. 
Para o processo de sinterização, o biocarbono que tem teor de carbono fixo acima de 90% e uma faixa de tamanho de 1–4 mm pode ser adicionado até 60% à planta de sinterização para obter um rendimento de produto comparável ao obtido da brisa de coque e reduzir significativamente a emissão de CO, CO2 , NOx e SOx . 
Poratnto, concluímos nesta apresentação do livro que o biocarbono tem o potencial de aprimorar o processo de fabricação de aço em fornos elétricos a arco, servindo como combustível, agente espumante de escória e recarburizador de aço, entre outras funções. O biocarbono pode encontrar usos mais amplos e eficazes na metalurgia de metais ferrosos com a ajuda do suporte regulatório governamental e de novos avanços tecnológicos.

                        Associação Brasileira das Indústrias de Biomassa e Energia Renovável