3.3.1 Identificação
O estudo de caso foi baseado em uma pesquisa realizada em uma indústria de produção de ferro primário. As matérias primas para serem adicionadas ao reator são aglomeradas na forma de briquetes. O estudo foi dedicado mais precisamente na etapa de secagem dos briquetes. A Figura 12 apresenta o processo de fabricação de ferro primário, onde está destacado o sistema de secagem dos briquetes.
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Figura 12 - Indústria de Fabricação de ferro primário
Fonte: Elaborado pelo Autor
Esta secagem se faz necessária pois a água é adicionada em excesso na etapa de mistura das matérias primas. Este excesso, garante maior eficiência do misturador. Entretanto, a adição de briquetes úmidos no reator é prejudicial a eficiência do mesmo pois esta quantidade de água excedente a formulada, prejudica a performance do reator. Uma vez que, parte da energia que seria utilizada para fusão e redução do minério de ferro, seria utilizada para evaporação desta água.
Além disto, os briquetes quando ainda úmidos, possuem baixa resistência mecânica dificultando assim seu transporte pelas correias transportadoras, por ocasionar danos a estrutura dos briquetes ou até mesmo seu desmanche. Vale
28 lembrar que a alteração da estrutura destes briquetes prejudica a cinética da reação de redução do minério de ferro.
Neste estudo foram abordadas as trocas térmicas realizadas entre o gás aquecido e os briquetes por dois fatores: o primeiro por questões de Propriedade Intelectual. Uma vez que a troca térmica está ligada diretamente ao tipo de ligante utilizado para aglomerar os briquetes, e este é mantido sob sigilo. O segundo fator, e principal, é o fato que existem poucos estudos relacionados a este assunto, pois a troca térmica briquetes - gás combusto, depende diretamente da forma geométrica dos briquetes e estes possuem as mais variadas formas como é mostrado na Figura 4. Entretanto, este fato não compromete o presente estudo, pois o mesmo tem o objetivo de avaliar apenas a substituição do combustível (gás) utilizado na câmara de combustão. Assim, serão equiparados os resultados obtidos por estes dois gases.
3.3.2 Funcionamento do Sistema de Secagem
O sistema de secagem dos Briquetes atua de forma contínua como ilustra esquematicamente a Figura 13. Constitui-se um sistema de secagem simples do tipo esteira, onde o gás combusto entra ao final da esteira de forma proposital. Assim, evita-se o choque térmico entre o gás combusto e os briquetes que ainda contenham alta umidade, evitando a formação de trincas nestes briquetes.
Figura 13 - Sistema de Secagem de Briquetes tipo esteira
Fonte: modificado de http://www.buhlergroup.com/southamerica/pt/produtos/secadora-de-esteira-unica-aerodry.htm#.VmEft3arTIU
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3.3.3 Análise dos gases
A análise do gás de processo é realizada de forma contínua e eletrônica, por meio de analisadores a laser onde cada analisador comporta o monitoramento de até 2 componentes do gás. Para a análise deste estudo foram utilizados os resultados de dois destes analisadores, onde o primeiro é responsável pela medição de CO e CO2 e o segundo pela medição de H2 e N2.
3.3.3.1 O Analisador a Laser
O analisador a Laser, LS25 mede seletivamente as concentrações de no máximo dois componentes da forma “Insitu” em tubulações, vasos ou chaminés. O Laser trabalha pelo princípio de espectroscopia de linha única. Para a medição é escolhida cada linha de absorção do gás a ser determinado na faixa espectral do Infravermelho próximo onde nenhum outro componente se situa da forma a evitar interferências. Esta frequência de cada linha de absorção é emitida para o processo. Na Figura 14 pode-se observar o analisador.
Figura 14 – Analisador a Laser
Fonte: Analisadores contínuos modulares de gás Tecnologia analítica inovadora de alto nível , AO2000 Série
30 O detector no outro lado capta a absorção causada pelo gás de medição e calcula a concentração do componente de interesse. Os módulos de análise a Laser são compostos de unidade de transmissão e unidade de recepção como podem ser observados na Figura 15.
Figura 15 – Analisador a Laser
Fonte: Analisadores contínuos modulares de gás Tecnologia analítica inovadora de alto nível , AO2000 Série
<http://www.abb.com/product/seitp330/fdced0139f82ebd0c125713900746325.aspx>
Estes podem ser instalados em dutos ou vasos com distâncias entre as duas unidades de 0,5 e 6 m. De acordo com a versão podem trabalhar sob pressão do processo de até 10 bar e temperaturas do gás de até 1500 °C. Além disso, o fabricante descreve em seu manual que seu equipamento possui desvio de ± 0,005 N/m3 para os componentes CO, CO2 e H2, e 0,01N/m3 para N2.Este modelo de analisador possui aplicações de longa data para: monitoramento de
31 emissões, controle de combustão, otimização de queimadores, controle de processos com análise nos segmentos da Química, Petroquímica, Papel &Celulose, Siderurgia, Energia, Vidro, etc. e Controle de unidades de DeNOx.
3.3.4 Coletas de amostras do gás de processo após o Sistema de Limpeza de Gases e suas Composições
Para conhecer o Poder Calorífico do gás após o sistema de limpeza de gases é necessário conhecer a composição química deste gás, para isto, foram coletadas 15 amostras de composições deste gás após o Sistema de Limpeza de gases, como é mostrado na Figura 16.
Figura 16 - Ponto de Coleta de gás
32 Estas 15 amostras foram coletadas em dias distintos, como mostrado na Tabela 1, para determinar-se sua composição média e além disso, efetuou-se o cálculo da média destas composições para efetuar-se posteriormente o cálculo do poder calorífico.
Tabela 1 - Composições do gás de processo
Composição dos gases (%)
Molécula / Nº Amostra H2 CO CO2 N2 1 2,52 24,95 10,25 62,28 2 2,55 24,63 10,48 62,33 3 2,47 25,03 10,57 61,93 4 2,5 25,47 9,87 62,17 5 2,38 26,18 8,77 62,67 6 2,05 24,57 8,27 65,12 7 1,73 17,8 6,92 73,55 8 2,62 25,23 12,23 59,92 9 2,55 24,8 12,72 59,93 10 2,45 26,3 11,57 59,68 11 2,62 25,13 12,58 59,67 12 2,57 25,15 12,8 59,48 13 2,57 25,82 11,95 59,67 14 2,6 25,52 11,93 59,95 15 2,58 25,6 11,6 60,22 16 2,58 26,92 10,8 59,7 17 2,57 27,27 10,18 59,98 Média 2,45 24,81 10,83 61,9
Fonte: Elaborado pelo Autor
Assim, a composição média para o gás após a saída do Sistema de Limpeza de Gases é: 2,45% H2; 24,81% CO; 10,83 CO2 e 62,28% de N2.
3.3.5 Poder Calorífico e a Fórmula de Dulong
O poder calorífico pode ser determinado, teoricamente, através de cálculos, desde que se tenha a composição elementar do combustível e o calor de combustão dos elementos ou compostos gasosos. Esse parâmetro também pode
33 ser determinado experimentalmente através de calorímetros. Neste estudo ele será calculado através da composição química do gás de processo.
Através da Fórmula de Dulong, o poder calorífico é calculado a partir da análise elementar do combustível. O cálculo através da fórmula de Dulong baseia-se na baseia-seguinte idéia: o calor de combustão de um composto é igual à soma dos calores desprendidos pela combustão dos elementos que o integram. Além disso, a fórmula de Dulong assume que o oxigênio do combustível está combinado com o hidrogênio formando a água de constituição. Segue a fórmula de Dulong para PCS, equação (3) e PCI equação (4).
(3) PCS = PCSx. X + PCSy.Y +... (4) PCI = PCIx. X + PCIy.Y +... Sendo que:
PCS = Pode Calorífico Superior [Kcal/Nm³] PCI = Pode Calorífico Inferior [Kcal/Nm³]
PCSx = Poder Calorífico Superior do gás X puro PCIx = Poder Calorífico Inferior do gás X puro X = Teor da gás X [Nm³X/Nm³combustível]
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4 RESULTADOS E DISCUSSÃO