Energy valorization of urban pruning waste by torrefaction and densification for solid biofuel production

Os resíduos gerados a partir da poda de árvores urbana são uma fonte potencial de biomassa para aplicações energéticas. Porém, seu uso é limitado devido à sua composição heterogênea, alta umidade, e baixa densidade. Neste contexto, processos térmicos e mecânicos de tratamento, tais como torrefação e densificação, são alternativas para melhorar as propriedades da biomassa e possibilitar seu aproveitamento energético. Neste trabalho, a poda urbana foi torrefada e densificada para produzir biocombustível sólido com alta densidade energética. Na torrefação, foi utilizado um planejamento experimental de mistura-processo para avaliar o rendimento mássico, rendimento energético, índice de torrefação, e razão combustível. O processo foi realizado utilizando diferentes proporções de folhas e galhos, com teor de umidade entre 10 e 30%, temperatura de torrefação entre 260 e 290 °C, taxa de aquecimento de 3 a 7 °C/min, e tempo de residência entre 30 e 60 min. Os galhos torrefados apresentaram alto índice de torrefação e baixa razão combustível, enquanto as folhas torrefadas apresentaram alto poder calorífico e alto rendimento energético. Na densificação, os briquetes foram produzidos a partir de galhos e folhas torrefadas com adição cepa de mandioca. Nesta etapa, foi avaliado o efeito combinado entre composição do material e variáveis de processo (pressão de compactação entre 5 e 10 MPa e temperatura de compactação entre 90 e 120 °C) na expansão volumétrica, densidade aparente, resistência mecânica, resistência ao impacto, e índice de combustão. A análise estatística dos modelos mostrou que a qualidade dos briquetes é fortemente influenciada pela interação entre composição da mistura, pressão e temperatura de compactação. A adição da cepa de mandioca aumentou a resistência mecânica e durabilidade. Entre os resultados obtidos, briquetes produzidos com 40% galhos torrefados, 40% folhas torrefadas e 20% cepa de mandioca, compactados a 10 MPa e 120 °C, apresentaram densidade aparente de 1165 kg/m³, resistência mecânica de 2,79 MPa, e resistência ao impacto de 99,5%. Por fim, foi avaliado o potencial de redução de gases de efeito estufa no uso da poda urbana como biocombustível sólido por meio da torrefação e densificação integradas. Em um cenário de uso direto do resíduo, as emissões foram de 2,63 kgCO₂-eq/GJ. Por outro lado, a produção de briquetes a partir da biomassa torrefada reduziu as emissões para 1,56 kgCO₂-eq/GJ, uma redução de 40,7 %, atribuída principalmente as emissões de transporte. Em geral, uma avaliação tecno-ambiental da produção de briquetes a partir da poda torrefada foi demonstrada. Conclui-se que a valorização energética de resíduos através do processo integrado de torrefação e densificação pode contribuir para o alcance dos Objetivos de Desenvolvimento Social (ODS), incluindo: Energia Acessível e Limpa, Trabalho Descente e Crescimento Econômico, Cidades e Comunidades Sustentáveis e Ação Contra a Mudança Global do Clima.

Resumo (inglês)

Residues from urban tree pruning practices represent a potential biomass resource for energy applications. However, the energy use of this biomass is limited by its heterogeneous composition, high moisture content, and low density. In this context, the application of thermochemical and mechanical upgrading processes, such as torrefaction and densification, emerges as an alternative to improve biomass quality and enable energy recovery. In this study, urban pruning residues were torrefied and densified to produce a solid biofuel with high energy density. For the torrefaction process, a combined mixture–process experimental design was used to evaluate mass yield, energy yield, index of torrefaction, and fuel ratio. The process was carried out using different proportions of leaves and branches, with moisture content ranging from 10 to 30%, torrefaction temperature between 260 and 290 °C, heating rate from 3 to 7 °C/min, and residence time between 30 and 60 min. While torrefied branches showed a higher index of torrefaction and a lower fuel ratio, torrefied leaves showed higher calorific value and energy yield. For the densification stage, briquettes were produced from torrefied branches and leaves, with cassava rhizome added as a natural binder. A mixture–process design was also applied to assess the combined effects of material proportions and process variables (compaction pressure between 5 and 10 MPa and temperature between 90 and 120 °C) on volumetric expansion, relaxed density, mechanical strength, impact resistance, and combustion index. The experimental design demonstrated that briquette performance is strongly influenced by the interaction between mixture composition, compaction pressure, and temperature. Moreover, the addition of cassava rhizome enhanced the mechanical strength and durability of the briquettes, achieving a bulk density of 1165 kg/m³, tensile strength of 2.79 MPa, and impact resistance of 99.5% for briquettes composed of 40% torrefied branches, 40% torrefied leaves, and 20% cassava rhizome, at 10 MPa and 120 °C. Lastly, the potential of integrating torrefaction and briquetting technologies to reduce greenhouse gas emissions associated with the use of urban pruning residues as a solid biofuel was assessed. The results indicated an emission potential of 2.63 kgCO₂-eq/GJ under a direct-use scenario. On the other hand, in the scenario incorporating torrefaction and densification, emissions decrease to 1.56 kgCO₂-eq/GJ, representing a reduction of 40.7%, mainly due to lower transportation-related emissions. Overall, a techno-environmental assessment of briquette production from torrefied urban tree pruning residues was demonstrated. Applying torrefaction and densification as integrated waste-to-energy approaches can contribute to achieving several Sustainable Development Goals (SDGs), including: Affordable and Clean Energy (SDG 7), Decent Work and Economic Growth (SDG 8), Sustainable Cities and Communities (SDG 11), and Climate Action (SDG 13).