7. APLICAÇÃO DO GÁS NATURAL EM FORNOS DE PELOTIZAÇÃO DE
7.5. CÁLCULO DO CONSUMO DE COMBUSTÍVEL PARA FORNOS DE
O cálculo do consumo de combustível que será realizado neste trabalho considera o forno de pelotização da usina Vargem Grande de propriedade da Vale, localizada no município de Nova Lima, na região metropolitana de Belo Horizonte. A usina Vargem Grande produziu em 2013 4,5 milhões de toneladas de pelotas, utilizando minério de ferro hematítico (VALE, 2014). As pelotas cruas possuem a composição média apresentada na
Tabela 34. Os cálculos para determinar o consumo de combustível serão realizados considerando a entrada de 1 tonelada de pelotas cruas no forno.
Tabela 34 – Composição média das pelotas cruas
Elemento Fórmula
química
Composição em massa (%)
Composição para 1ton de material (kg)
Hematita Fe2O3 80 800
Magnetita Fe3O4 8,3 83
Água H2O 8,5 85
Carbonato de Cálcio CaCO3 0,5 5
Outros 2,7 27
Fonte: Nordgren, 2010
As pelotas cruas entram no forno para o processo de endurecimento com a temperatura média de 40 °C. Na parte inicial ocorre a eliminação da água das pelotas. Nesta etapa do processo de pelotização gases quentes provenientes do resfriamento das pelotas são direcionados para a secagem ascendente, que proporciona a eliminação da água nas camadas inferiores de pelotas. Em seguida, gases quentes provenientes da zona de queima são direcionados para a secagem descendente, promovendo a evaporação da água das camadas superiores das pelotas. Desta forma, há um reaproveitamento do calor dos gases quentes que serão eliminados pela exaustão do forno, o que promove uma redução do consumo de combustível, tendo em vista que no processo de secagem não há queima direta de combustível. Ao fim desta etapa as pelotas estão a temperatura de 350 °C, entrando na seção de pré-queima do forno.
De acordo com Nordgren (2010), durante o processo de pelotização ocorrem diversas reações químicas. As mais importantes são a oxidação da magnetita (Fe3O4) que é transformada em hematita (Fe2O3) em uma reação exotérmica. Outra reação relevante é a calcinação do carbonato de cálcio (CaCO3) dando origem a cal (CaO) e dióxido de carbono (CO2). Esta segunda reação é fortemente endotérmica. As Equações (52) e (53), retiradas de Nordgren (2010) apresentam as reações químicas que ocorrem no processo.
CaCO3 CaO + CO2 ΔH = 1.766,00 kJ/kg (52)
Essas duas reações químicas são responsáveis por praticamente 100 % do consumo de energia térmica no processo de endurecimento das pelotas de minério de ferro (NORDGREN, 2010). Desta forma, neste trabalho, apenas estas duas reações serão consideradas para o cálculo do consumo de combustível.
O cálculo da quantidade de calor necessária para que as reações acima ocorram será feito utilizando as equações e as tabelas de entalpia contidas em Carvalho (1977). A Equação (54) apresenta a fórmula para o cálculo da entalpia.
HT-H298,15=4,186 . A . T + B . 10-3 . T2 + C . 10
5
T + D kJ
kmol (54)
Onde, os coeficientes A, B, C e D, para os compostos em análise estão apresentados na Tabela 35 e a temperatura T é dada em K.
Tabela 35 – Coeficientes da Equação (54)
Composto Limite de validade (K) A B C D
CaCO3 298 – 1.200 24,98 2,62 6,20 -9.760,00 Fe2O3 298 – 950 950 – 1.050 1.050 – 1.800 23,49 36,00 31,71 9,30 0,00 0,88 3,55 0,00 0,00 -9.021,00 11.980,00 -8.446,00 Fe3O4 298 – 900 900 – 1.800 21,88 48,00 24,10 0,00 0,00 0,00 -8.666,00 -12.650,00 Fonte: Carvalho, 1977
Ao fim da etapa de secagem as pelotas estão a temperatura de 350 °C. A calcinação do carbonato de cálcio ocorre a temperaturas de até 800 °C. Desta forma, o cálculo do calor necessário para a reação ocorra deve ser feito considerando as seguintes etapas:
1) Aquecimento do CaCO3 de 350 °C até 800 °C, Equações (55) e (56):
H1073,15-H298,15=4,186 . 24,98 . 1073,15+2,62 . 10 -3 . 1073,152 + 6,20 . 10 5 1073,15-9760 = 86.408,8 kJ kmol (55) H623,15-H298,15=4,186 . 24,98 . 623,15+2,62 . 10-3 . + 6,20 . 105 623,15 -9760 =32.728,7 kJ kmol (56)
A variação de entalpia, referente ao calor que deve ser fornecido para elevar o CaCO3 de 350 °C para 800 °C, é dada pelo resultado da Equação (55) menos o resultado da equação (56).
∆H=H1073,15-H623,15=86.408,8-32.728,7=53.680,1
kJ
kmol (57)
O peso molecular do CaCO3 é de 100 kg/kmol. Logo, a Equação (58) apresenta a variação de entalpia por kg de material.
∆H=536,8 kJ
kg (58)
2) Transformação do CaCO3 em CaO e CO2:
A entalpia da reação de transformação do carbonato de cálcio (CaCO3) em cal (CaO) e dióxido de carbono (CO2) é de 1.766 kJ/kg. Portanto, esta reação consome uma quantidade considerável de energia, que será fornecida pela queima do combustível no forno.
3) Aquecimento do CaO formado de 800 °C até 1.350 °C:
O peso molecular do CaCO3 é de 100 kg/kmol, enquanto que o peso molecular da cal formada é de 56 kg/kmol. Logo, cada kg de CaCO3 forma 0,56 kg de cal. O CaO formado a 800 °C deve ser aquecido até 1.350 °C, assim as Equações (59) e (60) apresentam a quantidade de calor que deve ser fornecido ao material.
H1623,15-H298,15=4,186 . 11,67 . 1623,15+0,54 . 10 -3 . 1623,152 + 6,20 . 10 5 1623,15 -4051 = 68.692,1 kJ kmol (59) H1073,15-H298,15=4,186 . 11,67 . 1073,15+2,62 . 10 -3 . + 6,20 . 10 5 1073,15 -4051 =38.678,2 kJ kmol (60)
A variação de entalpia, referente ao calor que deve ser fornecido para elevar o CaO de 800 °C para 1.350 °C, é dada pelo resultado da Equação (59) menos o resultado da Equação (60).
∆H=H ,15-H1073,15=68.692,1-38.678,2=30.013,9
kJ
Como o peso molecular do CaO é de 56 kg/kmol. Logo, a Equação (62) apresenta a variação de entalpia por kg de material.
∆H=535,9 kJ
kg (62)
A Tabela 36 apresenta o calor necessário para que a calcinação do CaCO3 ocorra.
Tabela 36 – Calor de calcinação do CaCO3
Etapa Entalpia (kJ/kg) Massa (kg) Entalpia (kJ)
Aquecimento CaCO3 536,8 5,0 2.684,0
Entalpia de formação CaO 1.766,0 5,0 8.830,0
Aquecimento CaO 535,9 2,8 1.500,6
Total --- --- 13.014,6
Logo, considerando a entrada de 1 tonelada de pelotas cruas no forno, são necessários 13.014,6 kJ para realizar o processo de calcinação do CaCO3.
A segunda reação que ocorre dentro do forno de pelotização do minério de ferro é a transformação da magnetita em hematita. Apesar da formação da hematita ser um processo exotérmico é necessário elevar a temperatura do material até 900 °C para que a reação tenha início. Assim, esse processo ocorre nas seguintes etapas:
1) Aquecimento da magnetita de 350°C até 900°C, Equações (63) e (64):
H1173,15-H298,15=4,186 . 21,88 . 1173,15+24,10 . 10-3 . 1173,152 -8666 =210.015,3 kJ kmol (63) H623,15-H298,15=4,186 . 21,88 . 623,15+24,10 . 10-3 . 623,152-8666 =59.972,5 kJ kmol (64)
A variação de entalpia, referente ao calor que deve ser fornecido para elevar o Fe3O4 de 350 °C para 900 °C, é dada pelo resultado da Equação (63) menos o resultado da Equação (64).
∆H=H ,15-H ,15=210.015,3-59.972,5=150.042,8 kJ
O peso molecular do Fe3O4 é de 232 kg/kmol. Logo, a Equação (66) apresenta a variação de entalpia por kg de material.
∆H=646,7 kJ
kg (66)
2) Transformação da magnetita em hematita:
A entalpia da reação de transformação da magnetita em hematita é de -513 kJ/kg, sendo, portanto, uma reação exotérmica. Assim, esta reação fornece calor ao processo.
3) Aquecimento da hematita formada até 1.350 °C:
O peso molecular da magnetita é de 232 kg/kmol, enquanto que o peso molecular da hematita formada é de 160 kg/kmol. Logo, cada kg de magnetita que reage com o oxigênio produz 1,0345 kg de hematita. A hematita formada a 900 °C deve ser aquecida até 1.350 °C, assim as Equações (67) e (68) apresentam a quantidade de calor que deve ser fornecido ao material. H1623,15-H , =4,186 . 31,71 . 1623,15+0,88 . 10-3 . 1623,152-8446 = 189.803,9 kJ kmol (67) H , -H , =4,186 . 31,71 . 1173,15+0,88 . 10-3 . 1173,152-8446 =125.436,4 kJ kmol (68)
A variação de entalpia, referente ao calor que deve ser fornecido para elevar a hematita formada de 900 °C para 1.350 °C é dada pelo resultado da Equação (67) menos o resultado da Equação (68).
∆H=H ,15-H1173,15=189.803,9-125.436,4=64.367,5
kJ
kmol (69)
Como o peso molecular da hematita é de 160 kg/kmol. Logo, a Equação (70) apresenta a variação de entalpia por kg de material.
∆H=402,2 kJ
A Tabela 37 apresenta a energia necessária para que a reação de oxidação da magnetita ocorra.
Tabela 37 – Calor de oxidação da magnetita
Etapa Entalpia (kJ/kg) Massa (kg) Entalpia (kJ)
Aquecimento Fe3O4 646,7 83 53.679,1
Entalpia de formação Fe2O3 - 513,0 83 - 42.579,0
Aquecimento Fe2O3 402,2 85,86 34.541,1
Total --- --- 45.641,2
Por fim, deve-se calcular o calor necessário para aquecer a hematita presente inicialmente nas pelotas. A temperatura máxima é de 1.350 °C. De acordo com Carvalho (1977) a hematita, com a temperatura variando entre 350 °C e 1350 °C, possui 3 equações para o cálculo da entalpia. Sendo assim, o calor a ser fornecido ao material deve ser calculado como apresentado a seguir.
1ª equação: 298 – 900 K: H -H298,15=4,186 . 23,49 . 950+9,30 . 10-3 . 9502+ 3,55 . 105 -9021 =92.349,1 kJ kmol (71) H623,15-H298,15=4,186 . 23,49 . 950+9,30 . 10-3 . 9502+ 3,55 . 105 -9021 =41.013,6 kJ kmol (72) ∆H=H -H , =92.349,1-41.013,6=51.335,5 kJ kmol (73) 2ª equação: 950 – 1.050 K: H -H298,15=4,186 . 36,00 . 1050-11980 =108.082,5 kJ kmol (74) H -H298,15=4,186 . 36,00 . 950-11980 =92.349,1 kJ kmol (75) ∆H=H -H =108.082,5-92.349,1=15.733,4 kJ kmol (76) 3ª equação: 1.050 – 1.623,15 K:
H1623,15-H298,15=4,186 . 31,71 . 1623,15+0,88 . 10-3 . 1623,152-8446 =189.803,9 kJ kmol (77) H1050-H298,15=4,186 . 31,71 . 1050+0,88 . 10 -3 . 10502-8446 =108.082,5 kJ kmol (78) ∆H=H1623,15-H1050=189.803,9-108.082,5=81.721,4 kJ kmol (79)
A variação de entalpia, referente ao calor que deve ser fornecido para elevar a temperatura da hematita de 350 °C para 1.350 °C, é dada pelo resultado da soma das Equações (73), (76) e (79).
∆H=H ,15-H ,15=51.335,5+15.733,4+81.721,4=148.790,3 kJ
kmol (80)
O peso molecular do Fe2O3 é de 160 kg/kmol. Logo, a Equação (81) apresenta a variação de entalpia por kg de material.
∆H=929,9 kJ
kg (81)
A Tabela 38 apresenta o calor necessário para elevar a temperatura da hematita de 350 °C para 1.350 °C.
Tabela 38 – Calor para aquecimento da hematita
Etapa Entalpia (kJ/kg) Massa (kg) Entalpia (kJ)
Aquecimento Fe2O3 929,9 800 743.951,3
Logo, a Tabela 39 apresenta a quantidade de calor necessária para que todo o processo de endurecimento das pelotas possa ocorrer no forno, considerando o fornecimento de 1 tonelada de pelotas cruas.
Tabela 39 – Energia necessária para endurecimento da pelota
Etapa Entalpia (kJ/t de pelota crua)
Calcinação 13.014,6
Oxidação da magnetita 45.641,2 Aquecimento da hematita 743.951,3
Assim, para que as pelotas cruas possam ser secas e processadas termicamente no forno de pelotização é necessário o fornecimento de 802.607,1 kJ/t de pelota crua que entra no forno. Parte desse calor é fornecida pelos gases quentes provenientes das zonas de resfriamento das pelotas. De acordo com Athayde (2013) a combustão ocorre com ar previamente aquecido, sendo que a temperatura do ar pode atingir aproximadamente 1.000 °C, neste trabalho considerou-se a temperatura do ar como 997 °C. O balanço de energia do processo de combustão está apresentado na Equação (82).
Q(processo) = Q(combustível) + Q(ar combustão) (82)
Onde:
Q(combustível) = V . PCI (83)
Q(ar combustão) = 11,23 . V . Har (84)
Como já apresentado, para a combustão de 1 m³ de gás natural, considerando um excesso de ar de 10 %, são necessários 11,23 m³ de ar, relação apresentada pela Equação (84). Desta forma, a Equação (82) pode ser reescrita, resultando na (85).
Q(processo) = V . PCI + 11,23 . V . Har (85)
Substituindo os termos já conhecidos, tem-se a Equação (86):
802.607,140 = V . 37.946 + 11,23 . V . Har (86)
Observa-se, desta forma, que é necessário o cálculo da entalpia do ar para que a Equação (86) possa ser solucionada. Para encontrar a entalpia do ar parte-se da equação dos gases ideais para realizar o cálculo do número de moles contido em 1 m³ de ar, Equação (87).
P . V = n . R . T (87)
Onde: P = 101.325 Pa; V = 1 m³
R = 8.314 J/kmol*K T = 298 K
Substituindo os valores na Equação (87), obtêm-se:
n=101.325 . 1
8.314 . 298=0,0408969 [kmol] (88)
A composição do ar considerada será de 21 % de O2 e 79 % de N2, resultando dessa forma em:
nO2 = 0,21 . 0,0408969 = 0,008588 [kmol] (89)
nN2 = 0,79 . 0,0408969 = 0,032309 [kmol] (90)
Para a temperatura de 900 °C a entalpia para o O2 e para o N2 possuem os valores apresentados na Tabela 40.
Tabela 40 – Entalpia dos componentes do ar
Composto Entalpia (kJ/kmol)
25 °C (298 K) 900 °C (1.270 K) Oxigênio (O2) 8.682 39.147,5 Nitrogênio (N2) 8.669 40.953
Fonte: Moran e Shapiro, 2006
Com base nos dados apresentados acima é possível calcular a entalpia do ar que participa da combustão. A Equação (91) apresenta esse cálculo.
Har = 0,008588 . (39.147,5 - 8682) + 0,032309 . (40.953 – 8.669) (91)
Portanto, a entalpia do ar que participa na combustão é dada pela Equação (92). É importante ressaltar que a entalpia do ar é dada para 1 m³.
Har = 1.304,6 kJ (92)
802.607,1 = V . 37.946 + 11,23 . V . 1.304,6 (93)
Solucionando a Equação (93), obtém-se o volume de combustível que deve ser fornecido ao forno para que 1 tonelada de pelotas cruas possam ser processadas termicamente. O valor está apresentado na Equação (94).
V = 15,2 m³ (94)
Portanto, é necessário o fornecimento de 15,2 m³ de gás natural para a secagem e queima de cada tonelada de pelota crua. A Tabela 41 mostra a contribuição do combustível e do ar para o fornecimento da quantidade total de calor requerida pelas reações de endurecimento das pelotas.
Tabela 41 – Contribuição do combustível e do ar no fornecimento de calor
Fonte Calor fornecido (kJ) Calor fornecido (%)
Combustível 579.031,0 72,14
Ar quente 223.576,1 27,86
Observa-se, portanto, que aproximadamente 28 % da energia necessária para a realização dos processos de endurecimento das pelotas provem do ar quente. Esse ar é aquecido no processo de resfriamento das pelotas. Dessa forma, há um reaproveitamento do calor que sairia do processo juntamente com as pelotas. Esse reaproveitamento permite uma redução do consumo de combustível, aumentando a eficiência do forno.
Os cálculos apresentados consideram a entrada de 1 tonelada de pelotas cruas. Porém, no processo de endurecimento das pelotas há uma perda de massa, principalmente pela evaporação da água presente no material. De acordo com Juvillar (1980) 75 % da água é evaporada na secagem ascendente enquanto que os 25 % restantes são evaporados na secagem descendente. As principais perdas, por tonelada, são: 85 kg de água, 15 kg de perdas através de finos e poeiras produzidas e 2,8 kg no processo de calcinação do CaCO3. Existe também um aumento na massa da hematita durante o processo de oxidação da magnetita com o oxigênio. Neste processo, há um aumento de 2,8 kg. Assim, a Tabela 42 apresenta o balanço de massa das pelotas.
Portanto, para cada tonelada de pelota crua que adentra o forno são produzidos 900 kg de pelotas. Normalmente, o consumo de combustível é dado pela quantidade de pelotas produzidas. Assim, considerando que o gás natural fornecido ao forno encontra-se a pressão atmosférica e a temperatura de 25 °C, o consumo de gás natural por tonelada de pelota produzida é de 16,9 m³.
Tabela 42 – Balanço de massa do forno
Massa que entra (kg) Massa que sai (kg)
Pelotas cruas 1.000 --- Água --- 85 Calcinação --- 2,8 Oxidação 2,8 --- Poeiras --- 15 Total --- 900
Com o intuito de comparar o desempenho dos combustíveis, do ponto de vista ambiental e econômico, será calculada a quantidade de óleo combustível 1A necessária para o processamento térmico das pelotas. O consumo energético para a realização dos processos químicos não se altera, porém a quantidade de ar fornecida a combustão sofre um aumento, tendo em vista que a queima do óleo combustível demanda uma quantidade maior de ar. O balanço de energia do forno de pelotização para o óleo combustível, considerando a entrada de 1 tonelada de pelotas cruas no forno, é apresentado na Equação (95). Observa-se que a relação mar/mcomb. para o óleo combustível 1A é 14,898.
802.607,140 = m . 40.813 + 14,898 . m . Har (95)
Onde: m – massa de óleo combustível; Har – entalpia do ar de combustão.
A entalpia do ar de combustão pode ser calculada partindo da equação dos gases ideais, apresentada em (96), com o objetivo de obter o número de mols contido em 1 kg de ar.
p . m=n . R . T
ρ (96)
Onde: p = 101.325 Pa; m = 1 kg
R = 8.314 J/kmol*K T = 298 K
ρ = 1,2 kg/m³
A massa específica do ar refere-se a temperatura de 25°C e pressão atmosférica (MONTEIRO e SILVA, 2010). Resolvendo a Equação (96) tem-se o seguinte número de moles.
n=101.325 . 1 . 1,2
8.314 . 298 =0,049076 [kmol] (97)
A composição do ar considerada será a mesma utilizada no cálculo do consumo do gás natural, ou seja, 21 % de O2 e 79 % de N2, resultando dessa forma em:
nO2 = 0,21 . 0,049076 = 0,010306 [kmol] (98)
nN2 = 0,79 . 0,049076 = 0,038770 [kmol] (99)
Os valores de entalpia para o O2 e para o N2 são os mesmos apresentados na Tabela 40. Assim, a Equação (100) apresenta o cálculo para a entalpia do ar, considerando a combustão do óleo combustível.
Har = 0,010306 . (39.147,5 - 8682) + 0,038770 . (40.953 – 8.669) (100)
Portanto, a entalpia do ar que participa na combustão é dada pela Equação (101). É importante ressaltar que a entalpia do ar é dada para 1 kg.
Har = 1.565,6 kJ (101)
Substituindo o valor da Equação (101) na Equação (95), tem-se:
Solucionando a Equação (102), obtém-se a massa de combustível que deve ser fornecido ao forno para que 1 tonelada de pelotas cruas possam ser processadas termicamente. O valor está apresentado na Equação (103).
m = 12,5 kg (103)
O consumo de óleo combustível 1A apresentado na Equação (103) considera a entrada de 1 tonelada de pelotas cruas, que representa 900 kg de pelotas queimadas. Analogamente ao realizado para o gás natural, tendo em vista que é usual apresentar o consumo de combustível com base na quantidade de produto produzido, tem-se que para 1 tonelada de pelotas queimadas são necessários 13,9 kg de óleo combustível 1A.
Um bom fluxo de gases é fundamental para que o forno de pelotização possa funcionar com boa eficiência. Para um forno de pelotização típico, com capacidade de processar 3 milhões de toneladas por ano, 18.800 m³/min de ar é injetado, por um grande ventilador, nos setores de resfriamento primário e secundário do forno. Outros três grandes ventiladores fazem a sucção entre as diferentes seções do forno transferindo gases quentes. Por fim, outro grande ventilador faz a exaustão do forno para a atmosfera (JUVILLAR, 1980).
Dados apresentados por Araújo (2012) indicam que a planta de pelotização da empresa Samarco em Ubu, no Espírito Santo, consome 1.250 MJ/t de pelota produzida. Este valor é dividido conforme apresentado na Figura 63.
Figura 63 – Distribuição do consumo energético – Samarco Fonte: Araújo, 2012
Logo, é possível concluir que o consumo de energia térmica é de 875 MJ por tonelada de pelota produzida, valor bastante próximo ao encontrado para o forno de pelotização da Vale, na planta de pelotização de Vargem Grande. A diferença deve-se basicamente a perdas referentes a diversos processos como irradiação, calor perdido nas caixas d´água de refrigeração, nas paredes do forno, entre outros (JUVILLAR, 1980).