Sistema de Injeção de Carvões

O sistema de injeção veio permitir o uso de carvões menos nobres, existentes em maior quantidade e menor preço, vindo de encontro à redução de reservas de combustíveis empregados em Altos-Fornos. Além do aspecto econômico, a injeção possibilita uma melhoria no controle de processo, pois age mais rapidamente sobre as condições operacionais do alto-forno, permitindo intervenções mais efetivas sobre a sua marcha.

A técnica de injeção de carvões, consiste em injetá-los em baixa granulometria, 100% < 100# (0,15 mm) e baixa umidade < 4%. Como equipamento auxiliar de suma importância no processo de injeção se encontra o moinho, que propicia a cominuição conjuntamente com a secagem do material. O transporte do material pulverizado até a lança de injeção é feito em atmosfera de N2, visando a segurança devido ao risco de

explosão. Na Figura 16 é mostrado um sistema de injeção típico (ASSIS, 1998).

A injeção de combustíveis em altos-fornos tem a finalidade de reduzir o coque carregado no topo. Segundo ASSIS, 1998 as funções do coque para o alto-forno são:

 Fornecer calor para as reações de redução, aquecimento e fusão da carga metálica e ainda a manutenção do aquecimento do gusa e da escória;

 Fornecer gases redutores para a redução da carga metálica;

 Fornecer carbono a ser incorporado no gusa e

 Fornecer permeabilidade aos gases, principalmente na zona de amolecimento.

A injeção de combustíveis líquidos ou gasosos substituem o coque nos dois primeiros tópicos. O limite para a injeção destes combustíveis tem sido relacionado ao abaixamento da temperatura de chama da zona de combustão. A injeção de carvões pulverizados, além dos dois primeiros tópicos, também pode participar do terceiro, visto que, por ter uma cinética de queima mais lenta que o gás natural ou o óleo combustível, existe a possibilidade da existência de finos de carvões não-reagidos após a zona de combustão. Esses finos poderiam ser retidos na zona de gotejamento pelo gusa/escória, participando da formação de carbono do gusa ou da reação de redução (C + FeO). Como os carvões pulverizados podem ser injetados sob taxas maiores que o óleo combustível/gás natural, tem-se uma redução mais intensa da quantidade de coque carregado pelo topo. A redução da quantidade de coque carregado no topo pode ocasionar problemas de permeabilidade da carga, sendo esta condição apontada como o principal limitante para o aumento das taxas de injeção de carvões pulverizados (NOZDRACHEV et al., 1999).

Segundo MURAY et al. (1996) para se evitar uma diminuição excessiva da permeabilidade da carga do forno e atingir altas taxas de injeção, algumas medidas devem ser tomadas como a melhor elaboração das matérias-primas (carga metálica e coque), distribuição da carga no alto-forno e seleção dos carvões a serem injetados.

A quantificação da queima de carvões pulverizados em Altos-Fornos tem sido abordada na literatura, através de modelamento físico e/ou matemático. Quanto ao modelamento físico, WEBER (1990) relata a existência de dois tipos de fornos utilizados nesta quantificação:

1- Os fornos pilotos que tentam obter as condições mais próximas possíveis do processo no alto-forno, destacando-se o da NSC (Japão) e o do CSM (Itália). Estes fornos trabalham com injeção contínua simulando a região da ventaneira/zona de combustão. A eficiência de queima dos carvões é obtida através de um balanço de massa, utilizando-se as cinzas como traçador.

2- O forno idealizado na Universidade de Aachen - Alemanha, que trabalha em batelada e tem uma concepção bem mais simples e um tempo de resposta para o ensaio menor do que o descrito anteriormente, mas só pode ser utilizado para análises qualitativas e comparativas das performances dos carvões. A obtenção da eficiência de queima é feita através da análise química do gás, sendo o resultado uma referência do melhor ou pior comportamento de um carvão.

A análise da influência dos diversos tipos de carvões utilizados para serem injetados em Altos-Fornos pode ser feita observando-se, principalmente, os fatores eficiência de queima e taxa de substituição.

A eficiência de queima refere-se à quantidade de carvão que é queimado na zona de combustão. SINGER (1981) cita que à medida que se aumenta o “rank” dos carvões injetados, existe uma diminuição da eficiência de queima. Esta diminuição da eficiência de

queima se dá por causa da diminuição da relação voláteis/semicoque do carvão quando se aumenta o rank do carvão, e é explicada pela maior facilidade de se queimar os voláteis do que o semicoque.

A taxa de substituição diz respeito à relação quantidade de coque economizado/carvão injetado. Esta taxa é influenciada, principalmente, pela taxa de injeção praticada, temperatura do sopro, concentração de oxigênio e carvão utilizado.

Quando se tem um aumento da temperatura de sopro, observa-se uma diminuição no “coke-rate”; o mesmo ocorre com a concentração de oxigênio. Para um aumento da temperatura do sopro em 100oC, existe um decréscimo do “coke-rate” na ordem de 15 kg/t gusa. Para um aumento da concentração de oxigênio de 1% existe uma diminuição do “coke-rate” na faixa de 1,4 kg/t gusa (ASSIS, 1998).

O aumento da taxa de injeção ocasiona uma diminuição da taxa de substituição. A principal explicação para este fato, segundo PANDEY & YADAV (1998) para este fato é a diminuição da eficiência de queima. Dados obtidos de modelo matemáticos indicam que à medida que se aumenta a taxa de injeção, existe uma diminuição da eficiência de queima, mas existe um aumento da quantidade de carvão queimado/t gusa por causa da maior injeção de voláteis/t gusa, que queima mais rápido que o semicoque. Quando é injetado um carvão alto-volátil e compara-se sua performance com a de um baixo volátil é observado que o carvão alto volátil tem uma eficiência de queima maior que o baixo volátil, mas a taxa de substituição é menor, o que indica que o principal responsável pela diminuição da taxa de substituição quando se aumenta a taxa de injeção não pode ser somente a eficiência de queima, mas a outros fatores associados.

O processo de injeção de carvões em Altos-Fornos indica que à medida que se tem um aumento do teor de voláteis, em geral, tem-se: aumento da eficiência de queima, diminuição da temperatura da zona de combustão, diminuição da taxa de substituição e aumento da geração de gás na rampa.

Muitas siderúrgicas têm utilizado a prática de injeção de misturas de carvão. WEBER (1990) justifica esta técnica, pelo fato de que com a mistura de carvões, há condições de ter um aumento da eficiência de queima global da mistura devido a uma ação sinergética que existe numa mistura de um carvão de baixo teor de voláteis com um de alto teor. Esta sinergia também afeta a taxa de substituição, melhorando-a quando comparada com a injeção de carvões puros de baixo e alto teor de voláteis.

As principais vantagens da injeção de carvão em alto-forno são:

I - Para empresas que possuem “deficit” de coque é mais vantajoso, economicamente, adquirir carvão e prepará-lo para a injeção em relação à aquisição de coque;

II - A injeção aumenta a vida útil das coquerias;

III - A injeção elimina o investimento em coqueria para empresas que pretendem aumentar a produção de gusa;

IV - Com a ICP pode-se utilizar carvões de baixo custo e não coqueificáveis;

V - A injeção de carvão, devido ao seu efeito refrigerante, leva a um abaixamento da temperatura de chama. Desejando então, manter a temperatura de chama nos níveis normais é necessário aumentar a temperatura de sopro, reduzindo a injeção de vapor, enriquecendo o ar soprado com oxigênio.

Para o caso específico do carvão de biomassas, tem-se:

VI - Aproveitamento integral do carvão vegetal (carvão de madeira) – O carvão vegetal recebido nas usinas siderúrgicas contém até 25% de finos, granulometricamente inadequados para a utilização nos Altos-Fornos; VII - Finos de desempoeiramento – O manuseio de carvão vegetal nas usinas siderúrgicas gera poluição por partículas sólidas levando a instalação de equipamentos para desempoeiramento. Os finos captados nestes equipamentos constituem matérias-primas para injeção nos altos-fornos; VIII - Aproveitamento de cascas de biomassas das mais diversas, propiciando um uso para estes resíduos agrícolas, que normalmente não são aproveitados, ou são sub-utilizados economicamente;

IX - Menos necessidade de reflorestamento - A ICP leva o menor consumo de carvão vegetal bruto, diminuindo o consumo anual de carvão. Como a legislação prevê que 100% do carvão vegetal de madeira tenham procedência de reflorestamento, a ICP torna-se imperiosa;

X - Meio ambiente - O balanço de CO2 do alto-forno a carvão vegetal é

positivo. O CO2 liberado pelo alto-forno para a atmosfera é menor do que o

absorvido anteriormente pela floresta (reflorestamento). Um outro fator apreciável é a redução de custo devido a facilidade de controle de processo, pelo fato de se fazer à intervenção imediata e com resposta rápida (mudança na carga do alto-forno demora entre 6 a 8 horas para chegar na ventaneira), possibilitando um controle do forno mais justo. Pode-se assim trabalhar com menor reserva térmica e, consequentemente, com menor “coque-rate”.

2.5.3.1 Princípios a serem seguidos para injeção de carvão

Segundo YAMAGUCHI (1991), os principais princípios a serem seguidos para injeção de carvão são:

1o – O carvão deve queimar totalmente na zona de combustão. Desta forma, o carvão deve ser pulverizado na menor granulometria economicamente possível e enriquecer o ar soprado com oxigênio pode ser necessário para taxas muito elevadas

2o - Distribuir o carvão equanimente pelas ventaneiras - Deve-se projetar o sistema de ICP para que se tenha o menor desvio entre as quantidades de carvão que chegam a cada ventaneiras, garantindo um bom equilíbrio térmico;

3o - Garantia de funcionamento - O sistema de ICP deve ter alta taxa de utilização dado que uma alteração na carga do alto-forno somente acontece após seis horas. Deve haver também um fluido que pode ser o próprio ar, que mantenha a linha pressurizada evitando- se o retorno de ar quente.

4o - Estocagem do carvão pulverizado - Deve-se ter uma capacidade de estocagem para, no mínimo, seis horas de injeção, visando suprir qualquer parada no sistema de preparação. 5o - Umidade do carvão - O sistema ICP deve garantir um carvão para injeção com umidade máxima de 4% para evitar aglomeração do carvão e maior abaixamento da temperatura de chama.

6o - Incêndio e explosão - Por utilizar um combustível reativo e pulverizado, a instalação de ICP deve ser protegida contra incêndio e explosão. A maneira mais usual é a utilização de N2 para transporte e purga nos reservatórios de estocagem.

7o - Temperatura de chama - Sendo a ICP “refrigerante”, os recursos para aumentar a temperatura de chama são: Aumentar a temperatura do ar soprado, Desumidificar o ar soprado e Enriquecer o ar soprado com oxigênio.