Análise exergética na produção de ferro-gusa

São vários os processos termoquímicos que ocorrem no alto-forno. Segundo Sato (2004), o uso efetivo de energia em uma planta química resulta do emprego adequado da combinação dos processos químicos para consumir a quantidade mínima de exergia durante a fabricação dos produtos. Ele demonstra através de sua metodologia, a qual chamou de diagrama exergético de vetor, que as reações exotérmicas/endotérmicas espontâneas/não espontâneas podem ser combinadas de forma a compensar uma à outra e, conseqüentemente, levar à menor destruição de exergia possível no processo como um todo.

Akyama e Yagi (1998) decompõem em cinco parcelas o processo de transformação do óxido de ferro em ferro-gusa que ocorre num alto-forno considerando o teor de carbono no metal de 4,8% e composição da escória com 43% de CaO, 35% de SiO2, 15% de Al2O3 e 7% de MgO a 1.510C:

 Redução: 0,5Fe2O3→ Fe + 0,75 O2;  Combustão completa: C + O2→ CO2;  Combustão incompleta: C + 0,5 O2→ CO;

 Produção de metal quente: (Fe + C) a 25C → (Fe + C) a 1.510C;  Produção de escória quente.

Com essas considerações, eles avaliaram a demanda exergética teórica mínima para ocorrer o processo de redução do minério de ferro. Os cálculos foram baseados nos balanços energético e exergético de cada reação, considerando as restrições impostas pelas Leis da Termodinâmica. Neste trabalho, também foram obtidas, através da metodologia descrita por Sato (2004), as equações para o cálculo de temperatura do processo, demanda de carvão e consumo mínimo teórico de exergia em função dos parâmetros do sistema.

O consumo exergético mínimo teórico encontrado foi de 1,458 GJ/t de ferro-gusa líquido. Este valor é apenas 8 a 9% do consumo exergético total de um alto-forno real. As perdas exergéticas na redução do ferro são as que mais contribuem para o afastamento entre o valor real e o mínimo teórico do processo global.

Os sistemas periféricos ao alto-forno também são responsáveis por um consumo significativo de exergia devido à queima de combustível para aquecimento do ar de sopro, energia elétrica para os processos de compressão do ar de sopro, recirculação de água de refrigeração e para os processos de lavagem de gás e tratamento dos efluentes.

Nogami et al. (2004) elaboraram balanços exergéticos de um alto-forno a carvão vegetal e de um alto-forno a coque. No alto-forno a carvão vegetal, a composição da escória produzida pela ganga do minério e pela cinza do carvão é de 35,7% de CaO, 44,6% de SiO2, 16% de Al2O3, 2,5% de MgO e 1% de Fe. A escória e o ferro-gusa deixam o alto-forno a cerca de 1.400C. No alto-forno a coque, a composição da escória produzida é de 41,8% de CaO, 32,9% de SiO2, 14,8% de Al2O3, 6,2% de MgO. A escória deixa o alto-forno a cerca de 1.530C e o ferro-gusa a 1.523C.

A TABELA 8 apresenta a comparação dos balanços exergéticos dos dois alto-fornos. Dentre as conclusões, foi citado que, apesar de o alto-forno a carvão vegetal requerer maiores entalpia e exergia de entrada que o alto-forno a coque, as eficiências são comparáveis. A perda de exergia no sistema a coque totalizou 1,249 GJ/t de gusa líquido considerando as perdas térmicas, contra 2,148 GJ/t de gusa líquido no sistema a carvão vegetal, incluindo sistemas auxiliares e excluindo coqueria/forno de carbonização.

A destruição de exergia está relacionada principalmente com as perdas intrínsecas das reações químicas (incluíndo os processos de combustão) que acontecem dentro do reator e durante os processos de combustão que ocorrem para aquecimento de ar de sopro. Entretanto, existem também irreversibilidades devido ao calor sensível do ferro-gusa líquido, escória e produtos da

combustão, além da transferência de calor através da carcaça do reator e de mecanismos do processo tais como mistura e transporte das matérias primas.

TABELA 8 – Balanço de exergia do alto-forno a coque e a carvão vegetal

Descrição Exergia (GJ/t gusa líquido)

Alto-forno a coque Alto-forno a carvão vegetal Entradas Matérias-primas 0,335 0,188 Coque/carvão 11,415 16,345 Carvão pulverizado 3,135 - Ar de sopro 1,105 0,762 Energia elétrica 0,155 0,180 Total 16,145 17,488 Saídas Gusa líquido 8,121 8,410 Escória 0,519 0,252 Gás de alto-forno 5,551 6,468 Pó 0,071 0,224 Energia elétrica 0,112 - Perdas térmicas 0,052 - Outros 0,522 - Total 14,948 15,384 Perdas 1,197 2,148

Fonte: NOGAMI et al., 2004.

Bisio (1997) classifica as perdas de exergia durante a fabricação do aço em quatro grupos: exergia química dos gases de saída incluindo gás de alto-forno, gás de convertedor e gás de coqueria; exergia devido a pressão do gás de alto-forno; exergia térmica de gases dissipados, ar e água de refrigeração; exergia térmica de blocos de aço, sinter de saída, escória de alto-forno e aciaria. Ele relata que a escória líquida do alto-forno possui uma quantidade considerável de exergia. O artigo apresenta quatro plantas piloto desenvolvidas para resfriamento de escória com a utilização da exergia recuperada para produção de vapor visando à geração de eletricidade ou pré-aquecimento de ar de combustão. Através da análise exergética, o autor conclui que o pré aquecimento do ar de combustão para os regeneradores do alto-forno é a melhor opção, proporcionando redução do consumo de gás combustível nos regeneradores ou de gás natural no alto-forno ou ainda do coque.

Bisio (1996) realizou uma análise exergética em regeneradores tipo cowpers visando à redução no consumo de gás natural e gás de alto-forno no processo de combustão. Três configurações são analisadas: pré-aquecimento de ar de combustão com produtos de combustão do cowper em um trocador de calor; pré-aquecimento de ar de combustão e gás combustível com produtos de combustão através de três trocadores de calor auxiliares; enriquecimento do ar de combustão com oxigênio. Como resultado, o autor encontrou valores entre 7,02 e 18,03% de redução no consumo de gás combustível em volume. Entretanto ele informa que é necessária uma análise econômica para definição da melhor configuração.