AC Ambiente Construído Ambiente Construído 1415-8876 1678-8621 Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - ANTAC Abstract The cement industry accounts for 7% of global CO2 emissions, 90% of which is related to the clinkerization process, 50% of which corresponds to calcination and 40% to the burning of fossil fuels. Since the calcination process is inherent to the manufacturing of the product, the use of fuels with a lower environmental impact is an excellent alternative. This process of replacing traditional fuel with alternative fuels is known as co-processing. The objective of this article is to present the main alternative fuels used by the cement industry in Brazil and highlight their potential gains compared to fossil fuels. For this purpose, considering an energy replacement of 15% of petroleum coke by alternative fuel based on the lower heating value of the materials and carbon emission factor, the potential for reducing CO2 emissions was calculated. The analysis of the potential for reducing fuel costs was carried out based on market prices and the quantities required for each fuel. The estimates showed reductions of 13.4% in CO2 emissions/t of substituted coke and cost reductions of R$ 6.34 million/year. Introdução A indústria do cimento é uma grande emissora de gases de efeito estufa, sendo reponsável, de acordo com Rodrigues e Joekes (2011) e o World Business Council for Sustainable Development (WBCSD, 2018), por 7% das emissões globais de CO2 que respondem por 4% do aquecimento global. Estudos de Ammenberg et al. (2015) e Edenhofer et al. (2024) calcularam que 50% das emissões de CO2 estão associadas à calcinação do calcário durante o processo de fabricação do clínquer, logo a redução do percentual de clínquer no cimento através da utilização de adições como pozolana, escória de alto forno ou aciaria e filler calcário é a mais eficiente das ações para mitigar as emissões de CO2. Outros 40% das emissões estão associadas à utilização dos combustíveis na etapa de queima (Ammenberg et al., 2015; Edenhofer et al., 2024, WBCSD, 2018). Estudo apresentado por Nidheesh e Kumar (2019) apresentam alguns combustíveis alternativos e os potenciais nas reduções de emissões de CO2. Boesch e Hellweg (2010) fizeram a análise do ciclo de vida com dados da Europa e da América do Norte e evidenciaram o potencial de redução nas emissões. A utilização de combustíveis alternativos que são conhecidos como alternative fuels and raw materials (AFR), é chamada de coprocessamento energético e ocorre na etapa quente do processo de fabricação do cimento em substituição aos combustíveis fósseis (WBCSD, 2014). O conceito de AFR é mais completo que apenas combustíveis alternativos visto que engloba as adições para redução do fator clínquer no cimento (Çankaya; Pekey, 2019; Li et al., 2014). Este artigo traz uma revisão do tema do coprocessamento, mostrando os principais materiais utilizados no Brasil, seu potencial de redução de CO2 e seu potencial de redução de custo frente aos combustíveis fósseis. O coprocessamento alcançou no Brasil, em 2022, o seu maior nível histórico com 3,035 milhões de toneladas de resíduos processados e 2,9 milhões de toneladas de CO2 deixaram de ser emitidos para atmosfera (ABCP, 2023b). O uso do AFR necessita de larga disponibilidade de material, mesmo que de maneira sazonal, visto que o processo de fabricação de cimento demanda alta quantidade de energia (Hasanbeigi; Price; Lin, 2012). A logística é outro ponto que deve ser considerado. Segundo Souza e D’Agosto (2013), o custo logístico representa mais de 60% dos custos do AFR estudado. Os custos de transporte, grande responsável pelo custo logístico, são inversamente proporcionais ao Poder Calorífico Inferior (PCI) e a densidade aparente (ρap), ou seja, quanto menores estes valores mais altos os custos logísticos associados ao combustível alternativo (García et al., 2017). Revisão bibliográfica Indústria do cimento e processo produtivo O cimento é um material inorgânico que, quando misturado com água, possui propriedades ligantes (ABNT 2018). Sua utilização pela humanidade é antiga, sendo os primeiros registros de 4500 anos atrás, entretanto, o cimento moderno que conhecemos hoje, originou-se de experimentos realizados entre os séculos XVIII e XIX por John Smeaton, Vicat e Joseph Aspdin, sendo este último, inclusive, o criador do nome cimento Portland (CP) devido à semelhança do produto com as rochas da ilha de Portland (ABCP, 2009). A norma brasileira NBR 16697 (ABNT, 2018) da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) definiu o CP como ligante hidráulico obtido da moagem do clínquer com uma ou mais adições minerais e sulfato de cálcio. É a principal matéria prima de produtos como: argamassas, concretos, artefatos de concreto, telhas de concreto ou fibrocimento etc. É, segundo estudos de Horsley, Emmert e Sakulich (2016) e Scrivener, John e Gartner (2018), o produto manufaturado mais produzido em massa pelo homem e o concreto o segundo material mais consumido do mundo, atrás apenas da água. Os motivos que transformaram a produção de cimento em uma indústria difundida globalmente são: a alta oferta de matéria-prima em praticamente todos os países do globo , sua versatilidade como fonte de matéria-prima para os mais diversos produtos (pasta, argamassa e concreto) excelentes propriedades físico-químicas tendo capacidade de ser aplicado em diferentes meios, versatilidade nas propriedades mecânicas atendendo às mais diversas solicitações construtivas (Scrivener; John; Gartner, 2018). Entretanto o baixo custo do cimento tornam os custos de transporte um fator chave, fazendo-o ser produzido e consumido localmente. Dentre os 10 maiores produtores globais de cimento, a China aparece na primeira posição, seguido de Índia e Vietnã. O Brasil é o 7° maior produtor global e 1° da América Latina com uma produção de 63 Mt em 2023 (Statista, 2024). Os números apresentados pelo Sindicato Nacional da Indústria do Cimento divergem um pouco dos apresentados na Figura 1; neste caso o Brasil ficaria na 6° posição com uma produção de 66,5 milhões de toneladas (SNIC, 2024). A Figura 1 mostra os 10 maiores produtores globais de cimento, baseado em números da produção de 2023. Figura 1 Maiores produtores globais de cimento Fonte: adaptado de Statista (2024). Analisando os países que mais emitem gases de efeito estufa e comparando-os com os maiores produtores de cimento globais fica evidente uma correlação entre as duas atividades, pois 6 dos 10 maiores produtores também ocupam uma posição entre os 10 maiores emissores. Os 10 países, em ordem decrescente, que mais emitiram CO2-eq em 2021 estão listados a seguir: China, Estados Unidos, Índia, Rússia, Japão, Irã, Alemanha, Arábia Saudita, Coréia do Sul e Indonésia com o Brasil na 12° posição (Climate Watch, 2024). O processo de fabricação do CP consiste na extração de calcário e argila, que são as duas matérias primas principais para a fabricação do clínquer. Outros materiais como minério de ferro, areia e bauxita também são utilizados (Carvalho et al., 2010). O calcário, argila e correções são misturados nas proporções adequadas, moídos e homogeneizados e desta mistura se origina a farinha crua que é direcionada ao processo de queima, que pode ser dividido em 4 etapas: pré-aquecimento, calcinação, clinquerização e resfriamento (Lima, 2011; UFSC, 2023). A farinha crua é alimentada pelo topo do pré-calcinador, também conhecido como torre de ciclone, iniciando o processo de aquecimento e descarbonatação. O pré-calcinador otimiza o processo e a energia necessária para fazer o pré-aquecimento e iniciar o processo de calcinação da farinha de cru (Oliveira et al., 2019). No pré-calcinador existem pontos de queima que fornecem energia térmica e auxiliam a otimização do processo (Mantegazza, 2004). A farinha crua atinge aproximadamente 900 °C no final desta etapa e entrada do forno rotativo (Lima, 2011). Segundo Mantegazza (2004), Rahman et al. (2015) e WBCSD (2014) AFR são utilizados tanto na torre de ciclones como diretamente no forno rotativo. Dentro do forno rotativo a temperatura atinge até 2000 °C na chama, porém a farinha crua, pós etapa de calcinação, é aquecida a aproximadamente 1450 °C, passando por transformações e formando as quatro fases principais do clínquer (CNI, 2023). As fases silicato dicálcico (C2S) e silicato tricálcico (C3S) correspondem a aproximadamente 80% das fases do clínquer (Guia da Engenharia, 2024). As outras 2 fases presentes no clínquer, em quantidade menor (aproximadamente 20% das fases), são o aluminato tricálcico (C3A) e o ferro-aluminato tetracálcico (C4AF) (Mantegazza, 2004; Oliveira et al., 2019; Rahman et al., 2015). Após etapa de queima o clínquer passa por um resfriamento forçado, reduzindo sua temperatura para aproximadamente 200 °C, mantendo assim as 4 fases C2S, C3S, C3A e C4AF em equilíbrio metaestável à temperatura ambiente (Costa et al., 2013). A Figura 2 exemplifica a etapa quente para a fabricação do clínquer. Figura 2 Modelo esquemático da etapa de transformação da farinha crua em clínquer Fonte: adaptado de Mantegazza (2004). Emissões de CO2 e consumo energético na indústria de cimento O clínquer é a base para a fabricação do CP e seu processo produtivo requer uma grande quantidade de energia, sendo responsável por 7% do total de energia consumido pelas indústrias globalmente (WBCSD, 2018). O processo de fabricação de 1 tonelada de clínquer demanda, em média, 3,06 GJ de energia no processo via seca (Ishak; Hashim, 2015). A maior parte da energia térmica consumida no processo está no processo de queima da matéria prima na etapa quente do processo, que é conhecido como clinquerização. Já a energia elétrica consumida, que está na faixa de 110 a 120 kWh/t de cimento, está associada às etapas de moagem (Rahman et al., 2015). O relatório do Balanço Energético Nacional (BEN) mostrou que, em 2021, o segmento industrial consumiu 32,3% de toda energia gerada no Brasil sendo que a indústria do cimento foi responsável por 1,63% deste total (BEN, 2023a, 2023b). De acordo com Mahasenan, Smith e Humphreys (2003), do total de emissões de CO2 no processo de produção de cimento 50% ocorrem na etapa de calcinação da farinha, 40% na queima de combustíveis fósseis e os 10% restantes estão atrelados à atividade de mineração, transporte e consumo elétrico. Atualmente a média global de emissão de CO2 para cada tonelada de cimento produzido está em 560 kg (Cheng et al., 2023). As emissões de CO2 são influenciadas pelo fator clínquer, que é a quantidade de clínquer presente na composição do cimento, pelo combustível fóssil e AFR utilizado e pela fonte energética utilizada (Supriya et al., 2023). No Brasil, existem 5 tipos de cimento que podem variar na composição de clínquer e a comparação das Environmental Product Declaration (EPD), documentação que mostra os impactos ambientais causados pelo produto por meio da análise do ciclo de vida dos cimentos CPV ARI (Votorantim Cimentos, 2023a) e CPIII 40 RS (Votorantim Cimentos, 2023b), mostra que a adição de escória na faixa de 48 a 57% reduziu o impacto ambiental significativamente, saindo o potencial de aquecimento global (GWP-GHG) de 0,852 t CO2-eq no CPV ARI para 0,384 t CO2-eq. no CPIII 40 RS devido à redução do fator clínquer do cimento. Existem estudos sobre adições alternativas, como o uso da fração fina de resíduos da construção civil, que mostraram potencial para utilização deste resíduo como uma adição ao cimento, pois além de reduzir o fator clínquer e, consequentemente, os efeitos associados à produção desta matéria-prima, ele também direciona o uso dos resíduos da construção civil, cuja geração está estimada em 3 bilhões de toneladas/ano no mundo (Oliveira; Dezen; Possan, 2020). Outra opção é o uso de combustíveis alternativos com menor emissão de CO2, visto que 40% das emissões estão atreladas ao consumo de combustível. Esta solução já se mostrou como uma possibilidade eficiente para a redução nas emissões de CO2 (Boesch; Hellweg, 2010; Nidheesh; Kumar, 2019). Coprocessamento e utilização de AFR Coprocessamento é a utilização de combustíveis alternativos como fonte de energia térmica. O licenciamento desta atividade é de responsabilidade do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) mediante a resolução n°499 de 2020. Dentre os combustíveis fósseis utilizados pela indústria cimenteira no mundo, o carvão representa 67% do total e o coque de petróleo 14%. Estes materiais são os dois combustíveis mais utilizados, sendo que nas fábricas modernas, aproximadamente 60% da energia é consumida no pré-aquecimento (torre de ciclones) e 40% no forno rotativo (Horsley; Emmert; Sakulich, 2016). Estudo de Wojtacha-Rychter, Kucharski e Smolinski (2021) chegou a valores inversos, sendo o consumo de 40% na torre de ciclones e 60% da energia no forno, entretanto, independentemente do local de consumo, esse combustível é consumido na etapa de transformação da farinha crua em clínquer. No Brasil, o coque de petróleo é o combustível mais utilizado (Figura 3). O relatório final do BEN (2023a) mostra que o coque representou 69,7% do consumo de energia em 2021. Pelo gráfico percebe-se que no início dos anos 2000, com a entrada do coque de petróleo há uma inversão nos consumos de combustíveis, com o óleo e carvão vegetal perdendo uma fatia grande do mercado. Figura 3 Principais combustíveis utilizados pela indústria do cimento no Brasil Fonte: BEN (2023a). Estudo realizado pelo Roadmap Tecnológico do Cimento (2021) mostrou que de 1990 até 2014, a utilização de adições no cimento passou de 20% para 33%, em média. Este mesmo estudo identificou que o uso de AFR aumentou, entre 2000 e 2014, de 9 para 15%, o que contribuiu para a diminuição das emissões de CO2, NOx e SO2 e a diminuição no consumo de combustíveis provenientes de fontes não renováveis. Na Europa, o uso de resíduos como combustível pode chegar a 80% da demanda. É esperado que o uso de combustíveis alternativos cresça para 37% (média global) em 2050, o que possibilitaria uma redução de 15% nas emissões de CO2 (Scrivener; John; Gartner, 2018). Existe uma grande variedade de AFR utilizados, podendo ser classificados em 3 grandes grupos conforme Figura 4. Estes combustíveis alternativos se diferem muito do tradicional (carvão e coque de petróleo), sendo necessária a análise físico-química detalhada antes de validar sua utilização. Figura 4 Tipos de combustíveis utilizados na indústria do cimento Fonte: adaptado de Rahman et al. (2017). Algumas peculiaridades do processo produtivo: o tempo entre 6 a 10 segundos que o material fica submetido a altas temperaturas (em média 1450 °C), o ambiente alcalino (auxilia na neutralização dos gases ácidos formados), atmosfera oxidante (melhora o processo de queima), capacidade do clínquer em absorver os contaminantes inorgânicos do processo, área superficial elevada para as reações e mistura ideal de gases e produtos permitem que uma ampla gama de materiais possam ser utilizados como combustível alternativo (Moore, 19951 apud Kihara, 1999; Mantus, 1992; Rocha; Lins; Santo, 2011). No coprocessamento, o AFR é utilizado, usualmente, dentro da torre de ciclones. Existem diversas entradas onde podem ser abastecidas as chamas e o local de entrada do combustível depende de suas propriedades, todavia essa tecnologia foi o que permitiu o uso de combustíveis menos nobres no processo (Mantegazza, 2004). Na parte mais baixa, onde está a ligação entre a torre de ciclones e o forno rotativo existe a caixa de fumaça, que é onde se depositam as cinzas oriundas da queima (FLSmidth, 2023). Essas cinzas se incorporam ao clínquer no processo de clinquerização (Mantegazza, 2004). A Figura 5 mostra alguns exemplos de pré-calcinadores. Figura 5 Torre de ciclones Fonte: adaptado de FLSmidth (2023). Viabilidade técnica e potencial de redução das emissões de CO2 e dos custos com o coprocessamento O coprocessamento é uma alternativa para redução do consumo de combustíveis de origem fóssil. Lamas, Palau e Camargo (2013) estimaram uma redução anual de 1,4 milhões de dólares considerando uma substituição de 15% do coque de petróleo por combustível alternativo. Hemidat et al. (2019) estimaram que na queima de cada 1 kg de coque de petróleo, 0,7 kg (70%) é emitido como CO2, logo o uso de AFR pode trazer também vantagens ambientais como: preservação da fonte não renovável, destinação e redução do descarte destes resíduos em aterros e redução da emissão de CO2, NOx e SO2. Estes materiais podem ser de origem variada, por exemplo: resíduos da indústria siderúrgica (óleos e emulsões, graxas, escória etc), resíduos da indústria do alumínio (spent pot lining), resíduos da indústria automobilística e derivados (tintas, solventes, pneus inservíveis, plásticos industriais, mantas etc), resíduos municipais – comerciais e domésticos – e seus derivados (resíduo sólido municipal, combustível derivado de resíduo, plásticos, papel, lodo de esgoto etc), resíduos da indústria de papel e celulose (lixivia), resíduos do agronegócio (cascas de arroz, caroço de açaí, palha e bagaço de cana-de-açucar, casca do café etc) e outras biomassas (lascas e serragem de madeira, meat and bone meal) (Battagin; Cardoso, 2018; ABCP, 2023a, 2023b; Torres; Lange, 2022). A troca do combustível tradicional pelo alternativo exige o estudo dos potenciais impactos nas propriedades do cimento. A primeira análise a ser realizada é a do poder calorífico inferior (PCI) do material. Para sua utilização na indústria do cimento como AFR, recomenda-se que o PCI seja maior que 2700-3000 kcal/kg ou em caso de utilização de 2 ou mais combustíveis o PCI da mistura não seja inferior a 1700 kcal/kg por combustível utilizado (Kusuma et al., 2022; Madlool et al., 2011; Sellitto et al., 2013). O uso de combustíveis alternativos irá depender: do estado físico, da composição química principalmente em relação ao conteúdo de cloro e enxofre, toxicidade sobretudo em relação à presença de metais pesados que serão incorporados ao clínquer, leis ambientais do país, teor de umidade, teor de cinzas e propriedades físicas como tamanho, densidade aparente, massa específica, homogeneidade (Madlool et al., 2011; Mokrzycki; Uliasz- Bocheńczyk, 2003). Os cuidados necessários na validação de um AFR mostram a importância dos estudos sobre o tema e mesmo que tecnicamente aprovado, para sua utilização é necessário um abastecimento constante e em quantidade suficiente para atender à demanda. Estudo de Battagin e Cardoso (2018) mostrou que uma indústria do cimento com um forno de clinquerização com capacidade de 1000 t/dia pode consumir até 5000 pneus/dia. O PCI impacta diretamente na taxa de substituição do combustível fóssil pelo AFR, pois é necessário que o AFR forneça a mesma quantidade de energia térmica que o combustível fóssil. Para a verificação da viabilidade ambiental o teor de carbono fixo (TCf), que é utilizado no cálculo do fator de emissão de carbono (FeC), é a principal variável. O PCI e o FeC influenciam diretamente na taxa de substituição e no nível de emissão de CO2 e podem inviabilizar sua utilização (Murray; Price, 2008; Sellitto et al., 2013). Na Tabela 1 é possível ver algumas propriedades dos principais combustíveis alternativos utilizados em comparação com o coque de petróleo. Tabela 1 Propriedades de alguns dos combustíveis alternativos utilizados   Combustível Alternativo Análise imediata PCI(kcal/kg) Referência Mv TCf Tc   Coque de petróleo 9,0-13,0 71,0-95,0 0,2-3,0 7050,5-8126,0 [1 - 4]   Madeira de pinho 79,0-83,0 15,0-17,0 0,3-0,5 4708,3-4732,2 [5, 6]   Palha 64,3-80,5 13,0-19,5 4,7-20,1 4325,9 [7, 8]   Casca de arroz 61,0-69,0 16,0-17,0 15,0-20,0 3680,6 [9, 10]   CDR 60,0-84,0 2,0-16,0 8,0-32,0 3346 [11, 12]   Pneus Inservíveis 54,0-66,0 23,0-30,0 7,0-23,0 7409-7839,2 [13, 14] Fonte: adaptado de Cortada Mut et al. (2015). Nota: Legenda:   1. Mv – material volátil;   2. TCf – teor de carbono fixo;   3. Tc – teor de cinzas; e   4. PCI calculado com base no Poder calorífico superior (PCS). Referências: [1 - 4] - AFPM (2024); Milenkova et al. (2003); Singer (1993); U.S. Department of Energy (2024); [5, 6] - Hassan, Steele e Ingram (2009); IEA Bioenergy (2024); [7, 8] - Stenseng (2001); Vassilev et al. (2010); [9, 10] - IEA Bioenergy (2024); Tsubouchi et al. (2005); [11, 12] - Kobyashi et al. (2005); Tokheim (1999); [13, 14] - Chinyama e Lockwood (2007); e Larsen (2007). Como mostrado na Tabela 1, o pneu inservível é um combustível alternativo com PCI semelhante ou até superior ao do coque. Esta característica juntamente com a disponibilidade de material e seus impactos na qualidade do clínquer, justifica que 39% dos materiais coprocessados, em 2014, na indústria brasileira sejam oriundos desta fonte (Figura 6). Figura 6 Percentual dos combustíveis alternativos utilizados no Brasil Fonte: adaptado de Lagarinhos, Espinosa e Tenório (2016). Pneus inservíveis O uso de pneus inservíveis como fonte de combustível alternativo se mostra como a mais viável das alternativas de destinação deste resíduo, visto que eles possuem um alto PCI e as características do forno de clínquer acabam por consumi-los completamente (Lamas; Palau; Camargo, 2013). No Brasil, 57% dos pneus descartados têm como destino as fábricas de cimento (Lamas; Palau; Camargo, 2013). A utilização do pneu inservível, que pode ser inteiro ou picado, permite a redução das emissões de CO2, pois possui um TCf menor quando comparado com o coque e PCI similar (Tabela 1) e redução nas emissões de SO2 (Freitas; Nóbrega, 2014). Estudos realizado por Puertas e Blanco-Varela (2004) mostraram que o clínquer e o cimento produzidos com o uso de pneus no coprocessamento não apresentaram diferença de qualidade frente ao produto produzido com o combustível fóssil, o que confirma o potencial deste tipo de material. De 2005 para 2021 o total, em toneladas, utilizado no coprocessamento aumentou 366%, conforme Figura 7. Essa evolução acompanha também o aumento da atividade de coprocessamento que saiu do patamar de 400 mil toneladas em 2005 para 2,4 milhões de toneladas em 2021, um aumento de 500% (ABCP, 2023a). Isso pode ser explicado pela regulamentação desta atividade no início dos anos 2000 com publicações da norma técnica da Companhia Ambiental do Estado de São Paulo (CETESB) P4.263 (CETESB, 2021) e CONAMA n° 264 (CONAMA, 2000), sendo esta última revogada e substituída pela norma CONAMA n° 499 (CONAMA, 2020) posteriormente. Figura 7 Evolução do coprocessamento de pneus inservíveis no Brasil Fonte: adaptado de “Panorama do Coprocessamento - Brasil 2022 (Ano base 2021) – ABCP (2023a). O uso de pneus inservíveis pode reduzir as emissões de CO2 e NOx e sua ampla disponibilidade o colocam como umas das melhores alternativas na atualidade; entretanto, seu uso fica limitado a, no máximo, 30% de substituição (Rahman et al., 2017). Essa limitação ocorre devido à presença de metais pesados na composição, principalmente zinco que afeta as resistências iniciais e finais do cimento (Lamas; Palau; Camargo, 2013). Resíduos sólidos municipais Relatório apresentado pela Associação Brasileira de Resíduos Sólidos e Meio Ambiente (ABREMA, 2024) estimou que 77,1 milhões de toneladas de resíduos sólidos foram gerados no ano de 2022. Este material se apresenta como uma possibilidade de AFR, porém algumas características, como heterogeneidade elevada, ser biodegradável, apresentar umidade elevada acabam dificultando sua utilização (Torres; Lange, 2022). O PCI do produto in natura é de 2892 kcal/kg e o FeC ficou em 0,31 t C/t o que confirma o potencial tanto na substituição térmica como nos níveis de emissões de CO2 (EC, 2004; IPCC, 2006; Torres; Lange, 2022). A resolução CONAMA n° 499 (CONAMA, 2020) no seu artigo 1 parágrafo 2 limita o uso deste material desde que previamente submetido a um processo de triagem, classificação e tratamento. Os resíduos sólidos municipais (RSM) podem ser submetidos a um processo de seleção para melhoria da homogeneidade, melhoria das propriedades físico-químicas, melhoria da logística de transporte e, em alguns casos peletização, ficando conhecidos como combustível derivado de resíduo – CDR (Rahman et al., 2015). A seleção do RSM é uma excelente alternativa, pois a retirada de materiais orgânicos diminui consideravelmente a umidade do material o que melhora em 41% o seu PCI e, se a triagem retirar também os materiais inertes, a melhora atinge 56%, sempre em comparação ao produto “in natura” (Torres; Lange, 2022). Estudo de Rahman et al. (2015) obtiveram aumento em 40% do poder calorífico do material após transformação do RSM em CDR. A simulação do uso deste combustível, substituindo 30% do combustível fóssil, reduziu a emissão de CO2 em 4,7% (Rahman et al., 2017). Hashem, Razek e Mashout (2019) estudaram o uso de CDR na Europa e devido à melhor homogeneidade do material, o uso de CDR como combustível na produção de cimento pôde alcançar valores superiores a 70%. O uso de CDR reduz os níveis de emissões de gases do efeito estufa (GHG) em até 25% e SO2 devido ao baixo teor de enxofre quando comparado com os combustíveis fósseis tradicionais (Gerassimidou et al., 2021; Saveyn et al., 2016). Hemidat et al. (2019) consideraram a viabilidade econômica com taxas de substituição em até 30%, analisando tanto a redução de consumo de coque de petróleo como a economia atrelada a uma redução nas emissões de CO2. Tal estudo mostrou que o poder calorífico do resíduo aumentou em 58% após o tratamento, chegando a 3724 kcal/kg e a quantidade de material destinado a aterros diminuiu em 35%. Em termos econômicos, após serem descontados os custos para o tratamento do resíduo para transformação em CDR, uma redução de aproximadamente US$ 1,7 milhões seria alcançada com uma taxa de substituição de 5%, podendo chegar a US$ 4,46 milhões com 30% de substituição. Utilizando a taxa de substituição de 15%, devido a possíveis efeitos adversos na qualidade do clínquer, a economia alcançaria a cifra de US$ 2,64 milhões. Todos estes valores anualizados e considerando uma produção diária de 4.000 toneladas de clínquer (Hemidat et al., 2019). A presença de cloro afeta diretamente o processo devido à sua volatilidade, causando problemas como entupimento e corrosão dos materiais na torre de ciclones, além de atuar como um catalisador, aumentando a volatilidade dos metais pesados e afetando a qualidade do clínquer (Murray; Price, 2008). Estudo de Gerassimidou et al. (2021) mostraram que o cloro acaba sendo absorvido pelo clínquer durante o processo, interferindo na formação da fase alita (C3S). O nível de contaminação por cloro depende das instalações da fábrica, com valores usuais entre 0,5% à 2,0% em peso do material, mas o ideal é trabalhar com valores até 1% em peso (Gerassimidou et al., 2021). A análise da composição de um RSM mostra que os polímeros podem variar entre 10 a 17% do total, sendo este uma das fontes de cloro, o que reforça a necessidade de controle e tratamento deste resíduo antes da sua utilização (Torres; Lange, 2022). Resíduos poliméricos A utilização de resíduos poliméricos é uma alternativa promissora, frente à oferta global deste material. O uso de polímeros tem como impacto o percentual de cloro elevado neste combustível, podendo causar problemas de entupimento e corrosão no sistema e na qualidade do clínquer (Costa, 2014). Torres e Lange (2022) obtiveram que 10 a 17% da composição de RSM são polímeros, logo isso representa algo entre 1,1 a 1,9 milhões de toneladas/ano. Estudo de Matos e Schalch (2007) identificaram que os 2 tipos mais comuns de polímeros encontrados eram Politereftalato de etileno (PET) e Polietileno de alta densidade (PEAD), que representavam 62% da composição. Essa análise é importante, pois o polímero Policloreto de vinila (PVC) é uma grande fonte de cloro, com cerca de 57% da sua composição (Rodolfo Junior e Mei, 2007; Rosa et al., 2013). No estudo de Matos e Schalch (2007) o valor médio encontrado do PVC ficou em 3,76%. Strazza et al. (2011) fizeram um estudo em uma fábrica de cimento que utilizava polímero como fonte alternativa de energia e, através da análise do ciclo de vida, confirmou uma redução nos impactos ambientais. O PCI do polietileno, que está entre os 2 polímeros mais comuns encontrados, variou de 9607,8 à 10563,8 kcal/kg (Panagiotou; Levendis, 1994; Wang et al., 2004). O FeC encontrado foi de 0,7 t C/t (ICF Consulting, 2024; Subramanian, 2000). Estudo feito por Asamany, Gibson e Pegg (2017), fez um mix de polímeros das mais diversas origens, por exemplo: polímeros rígidos e flexíveis de demolição, filmes utilizados para proteção de produtos, resíduos da indústria têxtil, resíduos de universidades e hospital etc. Este material foi previamente preparado passando por uma moagem para redução de tamanho e os cálculos estequiométricos mostraram um potencial de redução dos gases NOx, SO2 e CO2 Para este cálculo foi utilizada a mesma quantidade material para produzir o mesmo calor equivalente à mistura de carvão e coque de petróleo utilizada como referência. Estudo de Hashem, Razek e Mashout (2019) considerou a viabilidade da utilização de resíduos poliméricos e de borracha e seus impactos na qualidade do clínquer produzido. O estudo mostrou que a incorporação das cinzas destes resíduos no clínquer afetou o seu processo de hidratação, reduzindo o tempo médio, e aumentou as resistências do cimento. Isso evidencia a necessidade de testes para entender os impactos do uso deste AFR. Resíduo da indústria de alumínio (Spent Pot Lining – SPL) O SPL é o resíduo oriundo da indústria de alumínio durante a produção de alumínio primário. Esse resíduo sólido fica impregnado nos potes de redução da alumina durante sua eletrólise (Chen et al., 2022). Aproximadamente 1,7 milhões de toneladas são geradas anualmente e, por ser considerado perigoso devido à presença de materiais tóxicos e causadores do aquecimento global, a correta destinação deste resíduo se faz necessária (Chen et al., 2022). Estudo de Ghenai et al. (2019) mostrou que o PCI do material varia de 2868 à 6692 kcal/kg de acordo com o tratamento dado ao resíduo. Um dos grandes desafios na utilização de SPL como combustível alternativo é a presença de cianeto. Cianeto é um material tóxico que pode ser letal, o que reforça a necessidade de um correto descarte deste tipo de resíduo; entretanto apenas 0,2% do resíduo é composto por sais de cianeto (Silva; Leite, 2016). A temperatura de trabalho de um forno de clinquerização (~1450 °C) acaba por destruir estes sais (destruídos à temperatura de ~600-700 °C) e, mesmo com todo o efeito adverso e sua toxicidade, auxiliam no processo de clinquerização, pois reduzem a temperatura do forno atuando como um catalizador para baixar a temperatura de fusão da farinha e reduzindo as emissões de CO2 e NOx (Chen et al., 2022; Ghenai et al., 2019; Silva; Leite, 2016). O uso do SPL como AFR se mostra promissor; entretanto, no Brasil, a disponibilidade é pequena, visto que a China representa 65% da produção global e, se incluídos Rússia, Índia, Canadá e Emirados Árabes Unidos, a soma chega a 90% do total (Chen et al., 2022). Biomassa A biomassa já se encontra na quarta posição entre as fontes de energia e é responsável por 14% da energia consumida globalmente (Biswas; Sharma, 2021). No Brasil, o uso de biomassa, principalmente a oriunda do agronegócio, se mostra um ramo bastante promissor. Estudo de Mendoza Martinez et al. (2019) estima que mais de 200 milhões de toneladas de resíduos oriundos da agroindústria não são utilizados como fonte energética devido a propriedades como: baixa densidade aparente, baixo poder calorífico e alta umidade. Quando analisadas estas propriedades, conclui-se que uma grande dificuldade da utilização deste tipo de combustível está relacionada ao transporte, visto que a sua baixa densidade aparente eleva os custos atrelados ao processo inviabilizando a utilização (García et al., 2017). Uma alternativa seria o processamento deste resíduo e sua transformação em briquetes, o que melhora a densidade do produto, sua homogeneidade e densidade energética (Chinyama, 2011; Mendoza Martinez et al., 2019). Briquetes são normalmente produzidos de resíduos de biomassa, podendo ser utilizada uma única fonte ou uma mistura de materiais. Estes resíduos são tratados, misturados a um aglutinante e extrusados formando uma peça cilíndrica de resíduo compactado (Mendoza Martinez et al., 2019). A Votorantim Cimentos, por exemplo, utiliza diversas fontes de biomassa como combustível alternativo: bagaço de cana de açúcar e babaçu, cavaco de madeira, casca de arroz, caroço de açaí e de azeitona (Estado de São Paulo, 2023; O Eco, 2023; Verdera Solutions, 2023; Votorantim Cimentos, 2023a, 2023b). Todos os materiais mencionados acima já foram testados e aprovados industrialmente, tanto com relação à qualidade como fonte de energia como com relação aos impactos na qualidade do produto. Resíduos de biomassa normalmente são utilizados como um combustível secundário e durante fase de pré-aquecimento da farinha no pré-calcinador (Murray; Price, 2008). A queima conjunta de biomassa e carvão reduz os custos relativos ao combustível, tornando economicamente viável o processo, além de reduzir as emissões de NOx e SO2 (Demirbaş, 2003; Murray; Price, 2008). A Tabela 2 exemplifica algumas das biomassas utilizadas hoje no processo de fabricação do clínquer. Tabela 2 Dados de biomassa utilizadas na indústria do cimento Combustível alternativo PCI Umidade Fator de emissão de carbono Ref (kcal/kg) (%) (t C/t) Casca de arroz 3155-3872 10 0,35 [1-3] Palha de trigo 3776-4350 7,3-14,2 0,42 [4-6] Serragem 3843,5 20 0,38 [7, 8] Palha de milho 2199-3681 9,4-35 0,28 [9-11] Folhas de cana de açúcar 3776 <15 0,34 [12] Bagaço de cana de açúcar 3442-4637 10,0-15,0 0,39 [13, 14] Hastes de canola 3920 12,6 0,39 - Cascas de avelã 4182 9,2 0,48 [15] Resíduos de madeira 3704,5-4158,6 33,3 0,34 [16, 17] Fonte: adaptado de Murray e Price (2008). Nota: PCI - calculado com base no PCS. Referências: [1-3] - Demirbaş (2003); Jenkins et al. (1998);Mansaray e Ghaly (1997); [4-6] - Demirbaş (2003); Jenkins et al. (1998); McIlveen-Wright et al. (2007); [7, 8] - Demirbaş (2003); Carvalho (2021); [9-11] - Asian Development Bank (2006); Demirbaş (2003); Mani, Tabil e Sokhansanj (2004); [12] - Jorapur e Rajvanshi (1997); [13, 14] - Asian Development Bank (2006); Jingjing et al. (2001); [15] - Demirbaş (2003); [16, 17] - Jingjing et al. (2001); e McIlveen-Wright et al. (2007). Segundo Murray e Price (2008), a utilização de valores superiores a 20% de substituição torna o processo de fabricação instável, pois a biomassa é um AFR bastante heterogêneo e dificulta o controle da chama. A quantidade de coque que pode ser substituída por biomassa dependerá da uniformidade do material, do PCI da amostra, do teor de umidade assim como da qualidade do combustível fóssil utilizado. Dentre as dificuldades, como os custos relativos à logística e à heterogeneidade do produto, algumas biomassas podem ter presença de cloro elevada, que por ser volátil, acaba se concentrando em zonas mais frias do sistema causando problemas de corrosão devendo, portanto, serem controladas e consideradas (Matsuda et al., 2005; Meystre, 2016). A queima conjunta parece uma alternativa viável para controle da chama e redução da concentração de cloro no sistema (Biswas; Sharma, 2021; Demirbaş, 2003). O relatório do Panorama do Coprocessamento apresentado por Coprocessamento (2024) indica que em 2022 do total de combustível utilizado, 16% eram oriundos de biomassa e deste percentual 17% tiveram como fonte material agrícola. Materiais e métodos Para o cálculo da quantidade do AFR necessário para substituição térmica do coque de petróleo foram considerados os valores médios do PCI do coque de petróleo e das AFR apresentados nas Tabelas 1 e 2 e nos subitens da revisão bibliográfica. A fórmula de cálculo da taxa de substituição do AFR/coque de petróleo foi apresentada na Equação 1.  taxa de substituição  =  PCI coque de petröleo   PCI do AFR  Eq. 1 O cálculo do potencial de redução de emissão de CO2 considerou o mesmo modelo apresentado por Murray e Price (2008) e foram descritos nas Equações de 2 a 4. A Equação 2 mostra o modelo de cálculo utilizado para obtenção do FeC. FeC = 1 t x ( 1 -umidade%  ) 1 t x T C f 1 t  de material seco  Eq. 2 Calculado o fator de emissão de carbono foi possível calcular a quantidade de CO2 emitida para cada tonelada de combustível consumida (Equação 3).   Emissão de  C O 2 = F e C 1   t  combustivel  × 44   t   C O 2 12   t   C Eq. 3 O modelo descrito nas Equações 1 a 3 foi replicado em cada um dos AFR analisados, sendo obtidas as taxas de substituição e emissões de CO2/t de AFR consumida. A Equação 4 exemplifica como foi calculado o potencial de redução de CO2 para cada tonelada de coque de petróleo substituído.  Potencial de redução das emissões de  C O 2 =  Emissões do  A F R −  Emissões do coque  Eq. 4 Para as biomassas, se fossem consideradas carbono neutro, a redução de emissão seria de 2,92 t CO2/t coque substituído. Esse é um tema controverso, pois alguns autores consideram a biomassa um combustível carbono neutro, visto que durante a sua fase de crescimento ela consome o CO2 que será liberado na combustão (Canaveira, 2015; Demirbaş, 2003). Dentre as discordâncias existe o lapso temporal, pois a emissão é um processo rápido enquanto a captura é um processo lento e só poderia ser considerado carbono neutro se o processo todo fosse em ciclo fechado; além disso, existe todo o manejo da biomassa que é emissor de CO2 (Canaveira, 2015). Portanto os autores não consideraram a biomassa um combustível carbono neutro no estudo. Para o cálculo do potencial de redução de custos com a substituição do coque de petróleo por combustível alternativo as seguintes premissas foram adotadas: energia para 1 tonelada de clínquer: 813 kcal/kg de clínquer; produção de 1.000 t de clínquer/dia; 7.200 horas/ano de produção (300 dias x 24 horas); taxa de substituição de 15% de combustível alternativo; considerado o PCI médio dos combustíveis; para o preço do coque – o valor variou entre 1800 e 3000 renminbi (CNY) (Investing.com, 2024). Foi considerado o valor médio de $ 2500 CNY. Para a conversão em Reais, foi utilizada a cotação de R$ 0,68/1 CNY (BCB, 2023); e foram considerados como custo do combustível alternativo os gastos que seriam necessários com o descarte em um aterro - R$ 207,57/t do resíduo descartado (Creutzberg; Ferrari; Engelage, 2016). Resultados e discussões Conforme descrito na Equação 1, foi calculado a taxa de substituição de AFR por tonelada de coque. A Figura 8 exemplifica os resultados obtidos em toneladas por tonelada de coque substituído. Figura 8 Quantidade média necessária para substituição do coque de petróleo por AFR Segundo descrito na Equação 2, foi calculado o FeC (Equação 5) do coque de petróleo com base no TCf e umidade apresentadas por Mendez (2005), cujos valores foram de: umidade 6,87% e TCf de 85,54%. A mesma metodologia foi adotada para os AFR analisados.  FeC coque de petróleo  = 1 t x ( 1 − 6 , 87 % ) t  material seco  1 t x 0 , 8553 ( T C f ) 1 t  de material seco  = 0 , 7966 t C t  ou 79,66%  Eq. 5 Com o fator de emissão de carbono calculado para cada combustível analisado, foi calculada a quantidade de emissão de CO2 para cada tonelada de material consumido. No exemplo abaixo (Equação 6) foi considerada a emissão do coque de petróleo, sendo o procedimento replicado para os demais AFR. Com as emissões por tonelada de combustível analisado e as taxas de substituição foi calculado o potencial de redução nas emissões de CO2 por tonelada de coque substituído.  Emissão do coque  = 0 , 7966   t   C 1   t  coque  × 44   t   C O 2 12   t   C = 2 , 92 t  CO  2  t coque de petróleo  Eq. 6 A Tabela 3 mostrou o potencial de redução das emissões de CO2 dos AFR analisados, onde os valores negativos indicam potencial de redução das emissões de CO2/t de coque substituído para as biomassas. Tabela 3 Potencial de redução das emissões de CO2 com utilização de AFR AFR t AFR/t coquesubstituído FeC Emissão deCO2/t de AFR Emissões CO2AFR/t de coquesubstituído ∆ dasemissõesde CO2 Polietileno (PE) 0,75 0,70 2,57 1,93 -0,99 Pneus Inservíveis 1,00 0,56 2,05 2,04 -0,88 Cascas de avelã 1,81 0,48 1,76 3,19 0,27 Palha de trigo 1,87 0,42 1,54 2,88 -0,04 Bagaço de cana de açúcar 1,88 0,39 1,43 2,69 -0,23 Resíduos de madeira 1,93 0,34 1,25 2,41 -0,51 Hastes de canola 1,94 0,39 1,43 2,77 -0,15 Serragem 1,97 0,38 1,39 2,75 -0,17 Folhas de cana de açúcar 2,01 0,34 1,25 2,51 -0,41 Casca de arroz 2,16 0,35 1,28 2,77 -0,15 Palha de milho 2,50 0,28 1,03 2,57 -0,35 RSM 2,62 0,31 1,14 2,98 0,06 A Tabela 4 abaixo mostra o potencial de redução de custo com a substituição de apenas 15% do coque de petróleo por combustível alternativo. A estimativa vai de R$ 5,6 a 7,4 milhões/ano. Tabela 4 Potencial de redução nos custos de combustível AFR PCI Médio (kcal/kg) Consumo anual de combustível com 15% de substituição (t) Custo do combustível alternativo (R$) Economia com o uso de combustível alternativo (R$/ano) Tonelada Ano Coque de petróleo 7588,25 4821 R$ 1.706,43 R$ 8.227.159,30 - Polietileno (PE) 10085,80 3627 R$ 207,57 R$ 752.934,67 -R$ 7.474.224,63 Pneus inservíveis 7624,10 4799 R$ 207,57 R$ 996.045,23 -R$ 7.231.114,07 SPL 4780,00 7654 R$ 207,57 R$ 1.588.692,14 -R$ 6.638.467,15 Casca de avelã 4182,00 8748 R$ 207,57 R$ 1.815.865,24 -R$ 6.411.294,06 Palha de trigo 4063,00 9004 R$ 207,57 R$ 1.869.049,58 -R$ 6.358.109,72 Bagaço de cana de açucar 4039,50 9057 R$ 207,57 R$ 1.879.922,87 -R$ 6.347.236,42 Resíduos de madeira 3931,55 9305 R$ 207,57 R$ 1.931.540,60 -R$ 6.295.618,70 Hastes de canola 3920,00 9333 R$ 207,57 R$ 1.937.231,75 -R$ 6.289.927,55 Serragem 3843,50 9519 R$ 207,57 R$ 1.975.789,89 -R$ 6.251.369,41 Folhas de cana de açucar 3776,00 9689 R$ 207,57 R$ 2.011.109,23 -R$ 6.216.050,07 Casca de arroz 3513,50 10413 R$ 207,57 R$ 2.161.362,87 -R$ 6.065.796,43 CDR 3346,00 10934 R$ 207,57 R$ 2.269.560,21 -R$ 5.957.599,09 Palha de milho 3030,00 12074 R$ 207,57 R$ 2.506.253,61 -R$ 5.720.905,69 RSM 2891,90 12651 R$ 207,57 R$ 2.625.937,43 -R$ 5.601.221,87 Conclusão O uso de combustíveis alternativos como fonte de energia para indústria do cimento é uma alternativa viável econômica, social e ambientalmente, sendo a alternativa de maior impacto depois da redução do fator clínquer do cimento. Para aumentar a eficiência na redução das emissões, principalmente CO2, todo o sistema deve estar conectado desde o processo de produção de cimento, o desenvolvimento de técnicas de produção mais modernas da britagem até a moagem do cimento, a substituição de combustíveis fósseis em percentuais cada vez maiores e a redução do fator clínquer no cimento. No cálculo do potencial de redução nas emissões de CO2 dos 12 AFR revisados apenas 2 não apresentavam este ganho nas condições analisadas e, o valor médio de redução das emissões ficou em 0,39 t CO2/t de coque substituído, ou seja, 13,4% das emissões com o coque de petróleo. Apesar disso, o uso de RSM preserva a vida útil de aterros, diminui a destinação destes resíduos para locais clandestinos, preserva o combustível não renovável, ou seja, demonstra outras vantagens. Os cálculos de potencial de redução de custo com combustível, com apenas 15% de substituição, mostraram um potencial médio de economia na ordem de R$ 6,35 milhões/ano, considerando uma produção dia de 1000 toneladas de clínquer. Quando analisados os números do setor em 2023, observa-se uma produção anual de 62 milhões de toneladas (ABCP, 2024). Utilizando o fator clínquer médio de 0,67, ou seja, 67% da composição do cimento é clínquer, apresentado no Roadmap Tecnológico do Cimento (2021), estima-se uma produção, em 2023, de 41,54 milhões de toneladas de clínquer. Utilizando as mesmas premissas apresentadas, haveria uma demanda estimada de 4,45 milhões de toneladas de coque para produção de 2023. Logo, considerando-se que há disponibilidade de AFR e com a substituição de 15% existe um potencial de redução de 260 mil toneladas de CO2 com o uso de AFR. A análise dos custos com combustível, considerando o PCI médio das AFR apresentadas na Tabela 4 de 4501 kcal/kg e do coque de 7588,25 kcal/kg, temos a necessidade de 1,68 kg de AFR/kg de coque substituído. Com a produção de clínquer estimada acima e utilizando uma taxa de 15% de substituição do coque por AFR, o potencial de economia no ano de 2023 seria de R$ 905 milhões de reais no Brasil. Isso mostra o alto investimento deste setor no coprocessamento. No Brasil, o total de resíduos coprocessados saiu de 1 milhão de ton/ano no ano de 2010 para 3 milhões no ano de 2022 (ABCP, 2023b). O mesmo estudo, apresentado pela Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP, 2023a), mostra que 48% dos resíduos coprocessados são oriundos de biomassa, entretanto 65% são provenientes de carvão vegetal. Conforme demonstrado acima, existe ainda um mercado potencial enorme neste setor, visto que as biomassas oriundas de resíduos agrícolas representam apenas 7% deste tipo de produto e, considerando apenas a cana de açúcar, a safra brasileira é de 700 milhões de toneladas (IBGE). 1 MOORE, E. T. Co-processamento de insumos alternativos. ln: CICLO DE CONFERÊNCIAS DA INDÚSTRIA DE CIMENTO, FABRICAÇÃO, CO-PROCESSAMENTO E MEIO AMBIENTE, Rio de Janeiro, 1995. Anais […] Rio de Janeiro, 1995. Referências AMERICAN FUEL & PETROCHEMICAL MANUFACTURERS. Petroleum coke overview. Disponível em: http://www.afpm.org/policy-position-petroleum-coke/. Acesso em: 1 abr. 2024. AMERICAN FUEL & PETROCHEMICAL MANUFACTURERS Petroleum coke overview Disponível em: http://www.afpm.org/policy-position-petroleum-coke/ 1 abr. 2024 2024 AMMENBERG, J. et al. Improving the CO2 performance of cement, part III: the relevance of industrial symbiosis and how to measure its impact. 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