Estudo de gaseificação de lama de alto forno arcelormital tubarão

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ESTUDO DE GASEIFICAÇÃO DA LAMA DE ALTO FORNO DA ARCELORMITTAL TUBARÃO

Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica na área de Transmissão e Conversão de Energia.

Orientador: João Andrade de Carvalho Júnior Co-orientador: Sérgio Leite Lopes

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LUCIANA CORRÊA MAGALHÃES

NASCIMENTO 12.05.1975 – ARROIO DO TIGRE / RS José Leão Magalhães

FILIAÇÃO

Irani Corrêa Magalhães

1994/1999 Curso de Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Escola de Minas de Ouro Preto - Universidade Federal de Ouro Preto

2003/2004 Curso de Pós-Gradução em Engenharia Ambiental do Departamento de Engenharia Ambiental da

Universidade Federal do Espírito Santo. 2005/2006 Curso de Pós-Graduação em Administração de

Empresas, na Fundação Dom Cabral - FDC.

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de modo especial, à minha mãe Irani e pai José, que com seus

ensinamentos, foram os grandes incentivadores para que eu

nunca desistisse dos meus ideais, e aos meus irmãos Tarcísio e

Ana Paula e sobrinho João Marcelo pela compreensão nas

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Em primeiro lugar agradeço a Deus, fonte da vida e da graça. Agradeço pela minha vida, minha inteligência, minha família e meus amigos;

ao meu orientador, Prof. Dr. João Andrade Carvalho Júnior que jamais deixou de me incentivar. Sem a sua orientação, dedicação e auxílio, o estudo aqui apresentado seria praticamente impossível;

ao meu co-rientador, Dr. Sérgio Leite Lopes que com sua orientação e conhecimento me passou informações fundamentais sobre gaseificação que proporcionou a construção do estudo;

aos meus pais José e Irani, que apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivaram meus estudos;

ao amigo Guilherme Corrêa Abreu que me incentivou a realizar o curso, pelos conselhos, apoio e exemplo de ideal;

à amiga Cristiana Gonçalves Borges pela amizade e apoio nas horas de necessidade;

à amiga Cátia Moreira Casagrande pela disposição e fornecimento de informações técnicas sobre carvão que apoiaram no desenvolvimento do estudo;

ao amigo Ricardo Filipe Moreira pelas informações sobre lama de alto forno para desenvolvimento do estudo;

à ArcelorMittal Tubarão pela confiança em mim e oportunidade que proporcionou desenvolvimento do estudo;

às secretárias da pós-graduação Regina e Elisa pela dedicação e alegria no atendimento;

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Este trabalho contou com apoio da:

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– Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2010.

RESUMO

Esta dissertação analisou a viabilidade técnica de gaseificação de lama de alto de alto forno da ArcelorMittal Tubarão para produção de gás visando uma utilização interna. A gaseificação foi conduzida através de simulação em modelo de equilíbrio químico TCW - Termochemical Information and Equlibrium Calculation. Foram simuladas 3 misturas para gaseificação: a) 100% carvão metalúrgico de alto volátil (base das misturas), b) de lama de alto forno com 85% de carvão metalúrgico alto volátil e c) de lama de alto forno com 75% de carvão metalúrgico alto volátil. Os dois parâmetros principais que definiram a viabilidade técnica de gaseificação de lama de alto forno foram poder calorífico inferior - PCI e faixas de trabalho temperaturas no reator. O PCI do gás foi calculado a partir das frações molares de H2 e CO contidas no

gás obtidos nas misturas simuladas.

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Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2010.

ABSTRACT

This dissertation analyzed the technical viability of blast furnace slurry gasification with the objective of using the obtained gas at ArcelorMittal Tubarão. The process was simulated using an equilibrium program, the TCW - Termochemical Information and Equilibrium Calculation. Three mixtures were considered for gasification: a) 100% high volatile metallurgical coal (the base of the mixtures), b) 15% slurry and 85% coal, and c) 25% slurry and 25% coal. The two main parameters that defined the technical viability of the blast furnace slurry were the mixture Low Heat Value (LHV) and the temperature ranges for work in the gasification reactor. The LHV was calculated from the molar fractions of H2 and CO in the gas obtained in the simulation.

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FIGURA 1 – Distribuição de Gases da ArcelorMittal Tubarão...15

FIGURA 2 – Fluxo Produtivo da ArcelorMittal Tubarão... ....21

FIGURA 3 – Vista aérea dos três Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão... ....22

FIGURA 4 – Distribuição das zonas no Alto forno ... ....23

FIGURA 5 – Sistema de limpeza de gás do alto forno da ArcelorMittal Tubarão...25

FIGURA 6 – Vista aérea dos espessadores da ETA dos Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão ...26

FIGURA 7 – Fluxo de Tratamento da lama de alto forno da ArcelorMittal Tubarão ... ....28

FIGURA 8 – Métodos de Gaseificação... ....30

FIGURA 9 – Desenho Esquemático do Gaseificador da OEA- Tecnologia: Leito Fluidizado Circulante ... ....42

FIGURA 10 – Fotografias do Gaseificador da OEA em construção.em Linhares / ES. Ref.: Outubro de 2010 ... ....43

FIGURA 11 – Gráfico do PCI calculado para a mistura 1... ....52

FIGURA 12 – Valores do PCI calculado para a condição 1 da mistura 2 ... ....53

FIGURA 13 – Valores do PCI calculado para a condição 2 da mistura 2 ... ....54

FIGURA 14 – Comparativo dos valores do PCI calculado para as condições 1 e 2 da mistura 3. ... ....56

FIGURA 15 - Valores do PCI calculado para a condição 3 da mistura 3...57

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BFG - Blast Furnace Gas (Gás de Alto forno) COG - Coke Oven Gas (Gás de Coqueria) LDG - Linz Donawitz Gás (Gás de Aciaria) SGA - Sistema de Gestão Ambiental

LTQ - Laminador de Tiras a Quente

ISO - International Organization for Standardization NBR - Regulamentação Brasileira de Normas

PCI - Pulverization Coal Injection ETL - Estação de Tratamento de Lama

CASP - Central de Armazenamento de Subprodutos IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas

OEA - Orienta Energias Alternativas LFC - Leito Fluidizado Circulante

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T Temperatura

PCI Poder Calorífico Inferior kJ/Nm³

hf Entalpia de Formação kJ/mol

PCS Poder Calorífico Superior kJ/mol

hf Entalpia de Formação kJ/mol

V Volume Normal Nm³

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CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ...14

1.1 Justificativa...14

1.2 Objetivos...18

1.3 Processo de Produção lama de alto forno...19

CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...28

2.1 Gaseificação...28

2.2 Tipos de Gaseificadores………...31

CAPÍTUO 3 METODOLOGIA ...37

3.1 Caracterização do material ...37

3.2 Métodos de Análise...40

3.2.1 Simulações...43

CAPÍTULO 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...52

4.1 Mistura 1...52

4.2 Mistura 2...53

4.3 Mistura 3...55

CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES ...58

CAPÍTULO 6 CONTINUIDADE DO ESTUDO...59

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CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 Justificativa

Qualquer trabalho voltado para a busca da eficiência energética deve levar em consideração os aspectos ambientais, sócio-econômicos e disponibilidade dos recursos energéticos. Nesse sentido, as empresas têm buscado no eco eficiência a razão e os meios para ser exemplo do ponto de vista ambiental e ações que traduzem a sua visão de responsabilidade sócio-econômica.

As usinas siderúrgicas são grandes consumidoras de energia elétrica para a produção de aço, há a necessidade da utilização de um agente redutor para obtenção do ferro gusa a partir do minério de ferro (por exemplo, Fe2O3, Fe3O4). O carbono possui

papel fundamental nas reações de redução do minério de ferro, intrínsecas à produção de aço, atuando como principal agente redutor. Como fator decorrente, há a geração de resíduos, gases e efluentes líquidos. Vale ressaltar o esforço integrado do setor siderúrgico com vistas ao uso eficiente de sua matriz energética, independente da rota de produção ser integrada a coque, carvão vegetal ou semi-integrada, o que pode ser verificado ao longo dos anos com a aplicação e uso de tecnologias mais eficientes em termos do aproveitamento e conservação de energia.

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Figura 1: Distribuição de Gases da ArcelorMittal Tubarão

Conforme a Figura 1, a linha destacada na cor lilás mostra o fluxo do gás COG que é gerado na coqueria durante o processo de coqueificação, onde ocorre a pirólise seca do carvão, as moléculas complexas das substâncias do carvão são submetidas a temperaturas elevadas da ordem de 1.373 K, decompõem-se formando gases, líquidos, compostos sólidos de peso molecular mais reduzido e um resíduo sólido que é o coque.

O COG por possuir um poder calorífico alto é o principal combustível utilizado nos processos da ArcelorMittal Tubarão. Este gás é utilizado puro no aquecimento de panelas de aço, nos fornos rotativos da calcinação, na sinterização, etc. Os dois maiores consumidores de COG são a própria coqueria onde pode ser consumido puro ou misturado com BFG, e o forno de reaquecimento de placas do Laminador de Tiras a Quente – LTQ onde é consumido misturado com BFG e LDG.

O gás BFG cujo fluxo está destacado na Figura 1 na cor amarela, é gerado no alto forno durante o processo de redução do ferro para produção do gusa. No topo do alto forno estão localizados os dispositivos de carregamento responsáveis por inserir e

Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S

VAPOR (26 t/h) G 72 MVA VAPOR (26 t/h) T 66 MW G 72 MVA S

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

Máquina de moldar gusa Calcinação Aciaria Carro torpedo RH Vendas

Tanque de Alcatrão

Flare de COG Gasômetro de

BFG _{Flare de BFG}

LTQ Planta de briquetes Oficinas Estação de distribuição de gás natural

GN

Misturadora de gases

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

LDG Futuro Gas Misto Gasômetro de LDG Gasômetro de COG COG

Flare de MG Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

GN

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

Flare de MG Centrais Termoelétricas Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

GN

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

Flare de MG Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

GN

T 68 MW

G 80 MVA

VAPOR(50 t/h)

Flare de MG Centrais

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distribuir a carga composta por sinter, pelotas, minérios e coque dentro do forno. Também no topo estão localizados os dutos de saída de gás que coletam o gás produzido durante o processo e enviam para o sistema de limpeza.

Cerca de 30% do BFG é utilizado no regenerador do próprio alto forno para pré-aquecer o ar que é enviado para as ventaneiras responsáveis pela injeção de ar no alto forno, com isso consegue-se uma economia considerável de combustível sólido no processo de redução.

Devido ao fato do BFG possuir um poder calorífico muito baixo, este não pode ser utilizado sozinho como gás combustível. Portanto, o restante do gás é misturado ao gás de coqueria para então poder ser utilizado como gás combustível nas centrais termoelétricas para geração de calor e eletricidade, para aquecimento dos fornos das coquerias reduzindo o consumo de COG neste processo ou nos fornos de reaquecimento de placas para produção de bobinas de aço.

O gás LDG, destacado na Figura 1 pela linha de cor laranja, é gerado na aciaria durante o sopro de oxigênio nos conversores ou convertedores. O sopro é realizado objetivando a descarburação do ferro-gusa. Durante este processo ocorre a oxidação dos elementos contidos no ferro-gusa (carbono e outros minerais), gerando a elevação da temperatura do metal e a eliminação dos elementos indesejáveis no aço.

Logo após o início do sopro a formação de CO + CO2 é iniciada, porém o

determinante para que a recuperação de gás seja iniciada são os teores de CO e O2.

Esses números podem variar dependendo do que se deseja do gás e sai aplicação, mas normalmente um gás recuperável possui teor de CO acima de 30% e teor de O2 abaixo

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Para produção de energia elétrica pelo aproveitamento dos gases (aproximadamente 40%) gerados no processo descritos acima, existem instaladas atualmente na Companhia seis centrais termoelétricas que garantem sua auto-suficiência energética, contribuem para a redução de custos, minimizam impactos sobre o sistema interligado, e ainda geram uma receita adicional pela venda da energia excedente. Das seis, existem quatro unidades com potência instalada aproximadamente de 300 MW que utilizam como combustível os gases BFG, LDG, COG e o alcatrão de forma a garantir o maior aproveitamento dos gases que gerados nos processos siderúrgicos. As outras duas centrais termelétricas produzem energia elétrica pelo aproveitamento do calor gerado no processo de produção de coque via tecnologia heat recovery.

O setor elétrico cada vez mais tem se conscientizado da necessidade de conservação e racionalização da energia elétrica para evitar investimentos maiores em geração, obtendo-se sempre vantagens na relação entre o kWh não gerado (pela conservação) e kWh consumido em excesso (por desperdício ou perdas). O instrumento que muitas empresas têm utilizado é a eficiência energética. Desta forma as premissas do modelo energético da ArcelorMittal Tubarão são:

Gerar energia elétrica a partir dos gases gerados internamente e da energia cinética do gás de Alto forno, para garantir o consumo interno;

Gerar energia elétrica a partir do calor dos fumos gerados na produção coque; Manter o consumo zero de óleo combustível e minimizar o uso de Gás Natural; Usar a extinção a seco do coque para geração de vapor;

Gerar as demais utilidades para o processo produtivo (oxigênio, nitrogênio, argônio, ar comprimido, etc.);

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Como o COG é o gás siderúrgico com maior pode calorífico e por isso é utilizado como combustível na maioria dos fornos envolvidos no processo siderúrgico. Aumentar a disponibilidade de COG em uma usina siderúrgica é muito importante para garantir o baixo custo do produto final e a estabilidade do processo. Seja por razões econômicas ou por indisponibilidade de um determinado gás combustível, muitas vezes, na indústria, é necessária a substituição de um gás por outro tipo de gás combustível. Recentemente, houve um exemplo da importância de se ter uma opção para o combustível utilizado nos processos industriais da ArcelorMittal Tubarão quando o fornecimento do gás natural boliviano era incerto e a produção deste gás não era suficiente para atender a demanda do país.

DINIZ (2009) desenvolveu um estudo que buscou alternativas para reduzir o consumo de COG na ArcelorMittal Tubarão. Como conclusão, foi verificado que o gás de gaseificação pode viabilizar a redução do consumo de COG. A redução de gás misto também se mostrou viável e a intercambiabilidade aumenta quando se substitui um gás misto por uma mistura de syngas com gás natural.

A partir destas premissas, toda e qualquer proposta de otimização do uso de gases siderúrgicos internamente para produção de energia elétrica e redução do uso de gás natural motiva a companhia a apoiar estudos que estejam voltados para otimização de sua matriz energética.

1.2 Objetivos

Dentro do contexto já mencionado na justificativa, o objetivo principal do presente trabalho é estudar a viabilidade técnica da gaseificação da lama gerada no alto forno da ArcelorMittal Tubarão para produção de gás visando uma utilização interna. Outros objetivos: estabelecimento de uma base cientificamente sustentada para tomada de decisões quanto à melhor aplicação da lama de alto forno e uma contribuição para ampliação da autonomia energética de empresas do setor de aço.

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Utilização de sub-produtos:

A lama de alto forno possui características favoráveis para a gaseificação como teor de carbono, densidade e volume. Existem atualmente, desde seu início de operação em 1983, cerca de 196.000 toneladas de lama de alto forno estocadas na ArcelorMittal Tubarão. Considerando que as vendas para a indústria cerâmica absorve tudo que é gerado (2.500 toneladas / mês), ainda existe um grande volume para uma destinação adequada. No item 1.3 deste Capítulo será mostrado o processo de geração e beneficiamento da lama de alto forno.

1.3 Processo de produção lama de alto forno

Antes de darmos início na descrição do processo de geração de lama de alto forno faz-se necessário uma breve introdução da ArcelorMittal Tubarão e seus respectivos processos produtivos.

A companhia completou 27 anos de operação em 2010. Nesse período, a Companhia consolidou-se como 3a produtora nacional de aços semi-acabados de alta qualidade na forma de placas e, mais recentemente, de bobinas a quente. No ano de 2009 a Companhia produziu 5.332.656 toneladas de placas de aço e 2.585.795 toneladas de bobinas a quente. Sua localização estratégica no Sudeste brasileiro, a região mais desenvolvida do país, garante vantagem competitiva para as vendas nos principais pólos industriais consumidores do mercado interno. A Companhia ocupa uma área de 7 km², parte de um terreno de 13,5 km² entre os municípios de Serra e Vitória, a capital do estado do Espírito Santo. A proximidade de um eficiente porto marítimo e de uma bem aparelhada rede rodo-ferroviária facilita a logística para o recebimento de matérias-primas e escoamento de sua produção.

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empresa tem capacidade para produzir 7,5 milhões de toneladas de aço líquido por ano, transformado em placas e bobinas.

Com uma política e modelo para os seus dois grandes negócios (placas e bobinas a quente), a ArcelorMittal Tubarão atua, com orientações comerciais complementares, específicas para cada mercado, interno e externo, visando balancear a consecução das oportunidades.

As vendas de placas são destinadas integralmente à exportação, em contrapartida, as vendas de bobinas a quente estão voltadas ao mercado interno.

As placas de aço são consideradas como semi-acabados, tendo como clientes outras indústrias siderúrgicas que as utilizarão como matéria prima para produtos acabados. As bobinas, por sua vez, são utilizadas na fabricação de bens de produção e consumo, como automóveis e autopeças, tubos, eletrodomésticos, embalagens, entre outras, hoje destinadas preferencialmente ao mercado interno. Outras importantes aplicações do aço na forma de bobinas estão na indústria naval e na construção civil.

Certificada na norma ambiental na NBR ISO 14.001, desde 2001, o sistema de gestão ambiental - SGA vem se aperfeiçoando a cada ano e, a partir de 2002, começou a ser estendido para os parceiros, através de um projeto-piloto, como forma de incentivar a atuação ambiental responsável e multiplicar os efeitos positivos para toda a sociedade.

Normalmente, uma usina siderúrgica integrada, é constituída de processos que abastecem as principais unidades da empresa como os altos fornos, aciaria e os lingotamentos contínuos, para a produção de ferro gusa e em seqüência o aço líquido e depois as placas sólidas, bem como, bobinas a quente, que tem lugar o laminador de tiras a quente conhecido como LTQ, o qual agrega valor a uma parcela significativa das placas de aço que saem do lingotamento contínuo.

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Figura 2: Fluxo Produtivo da ArcelorMittal Tubarão

Conforme mostra a Figura 2 o processo começa no envio de carvão para as coquerias visando à produção de coque combustível necessário para os altos fornos. O sinter produzido na sinterização através da utilização de minério de ferro, fundentes e outros materiais também são enviados juntamente com pelotas para os altos fornos como carga metálica.

Com o objetivo de otimização da carga térmica nos altos fornos é injetado carvão pulverizado produzido no PCI - Pulverization Coal Injection. Após o processo de produção de gusa nos altos fornos o mesmo é transportado via carro torpedo para a aciaria.

O ferro gusa quando chega à aciaria é realizado primeiramente uma dessulfuração de gusa, para a redução do teor de enxofre no gusa, que pode ser realizada tanto no carro torpedo ou na panela através do processo KR (injeção de cal e agitação por rotação). Após a dessulfuração o gusa é enviado aos convertedores para a produção de aço.

Fundentes

# 1

# 1 # 2 # 3 # 2

# 1 # 2

# 2

# 3 # 1 PCI

# 1 # 2 # 3

Coqueria Heat Recovery

TRT

4.7 milhões t/ano Coqueria By Products

Sinterização

Minério de Ferro Pelotas

Altos Fornos Carvão

Carro Torpedo Máquina de Moldar Gusa

Dessulfuração de Gusa IRUT – Refino 20do Aço

RH – Refino 20do Aço

Convertedores Lingotamento Contínuo

Placas de Aço

Laminador

de Tiras a Quente Bobinas de Aço 2.8 milhões t/ano Fundentes

# 1

# 1 # 2 # 3 # 2

# 1 # 2

# 2

# 3 # 1 PCI

# 1 # 2 # 3

Coqueria Heat Recovery

TRT

4.7 milhões t/ano Coqueria By Products

Sinterização

Minério de Ferro Pelotas

Altos Fornos Carvão

Carro Torpedo Máquina de Moldar Gusa

Dessulfuração de Gusa IRUT – Refino 20do Aço

RH – Refino 20do Aço

Convertedores Lingotamento Contínuo

Placas de Aço

Laminador

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O aço produzido é enviado para as estações de refino com objetivo de uma purificação do aço e adição de elementos de liga necessários para a produção do tipo de aço desejado. Após esta etapa o aço é envido para os lingotamentos contínuos a fim de realizar a fundição para a produção de placas de aço. As placas de aço podem ser comercializadas ou seguir para o laminador de tiras a quente para produção de bobinas de aço para posterior comercialização.

A seguir será descrito o detalhamento da geração de lama de alto forno. Altos Fornos

De forma geral, o alto forno tem por finalidade a produção de ferro gusa a partir de uma carga metálica (sinter, pelota e minério de ferro), fundentes (calcário, dolomita, serpentino e quartzo), combustíveis que são o coque, carvão pulverizado injetado na área das ventaneiras, o alcatrão e os gases BFG e COG e, ainda, ar pré-aquecido até a temperatura de 1.573 K, oxigênio e gases formados pela queima de carbono do coque percorrendo a carga no interior do alto forno de forma ascendente, reduzindo os óxidos da mesma. A Figura 3 mostra a vista dos três Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão.

Figura 3: Vista aérea dos três Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão

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em seu topo. A mistura adequada desce por gravidade durante o processo, enquanto que a corrente de gases (ar soprado, oxigênio e demais gases liberados da queima do carbono contido no coque e no carvão pulverizado) é ascendente.

Conforme mostra a Figura 4, o alto forno, durante o seu funcionamento, divide-se em cinco regiões (zonas) distribuídas, verticalmente, de cima para baixo, como divide-se segue:

Zona A: ...Zona de sólidos.

Zona B: ... Zona coesiva (amolecimento e fusão dos sólidos). Zona C: ... Zona de gotejamento (fase líquida).

Zona D: ... Zona das ventaneiras. Zona E: Cadinho (metal líquido).

Figura 4: Distribuição das zonas no Alto forno

Coque

Zona de Redução

Zona coesiva

Zona de gotejamento

Homem “morto”

Escória

Salamandra Metal líquido

Metal líquido Metal líquido

Staves

Ventaneira

Canal adutor

Válvula de controle

Furo de gusa Cone de distribuição

Coque

Zona de Redução

Zona coesiva

Zona de gotejamento

Homem “morto”

Escória

Salamandra Metal líquido

Metal líquido Metal líquido

Staves

Ventaneira

Canal adutor

Válvula de controle

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Para alimentação de coque, pelotas, sinter e minérios no alto-forno, utiliza-se o sistema de carregamento em “batches”, i.e., em lotes bem definidos, normalmente separados em coque e minérios (sinter, pelotas, minérios).

Para formação desse lote, pesam-se os materiais que o compõe e armazena-os num silo de espera (Surge Hopper), até o momento de enviá-lo ao topo do Alto forno. Na zona de sólidos ou zona de granulados, ocorre um pré-aquecimento que promove a redução do óxido de ferro ainda em estado sólido, através de reação endotérmica próxima de 1.373 K.

A zona coesiva constitui-se de camadas de coque e de minério semi-fundido, onde ocorre uma redução de aproximadamente 70% do óxido de ferro, com formação de escória.

Na zona de gotejamento, tem-se a liga Fe-C e escória que se apresentam em fase líquida. Esta zona contém os coques ativo e inativo, e o ferro e escória líquidos escoam para o cadinho, havendo ainda fortes reações de redução direta e intensa transferência de calor dos gases para o metal e a escória.

A zona das ventaneiras, onde é promovida a combustão do carbono, do coque, do carvão pulverizado, injeção de ar pré-aquecido e oxigênio, tem-se a formação dos gases redutores e o alcance da temperatura necessária para a transferência de calor que promove o aquecimento da carga do Alto forno para a execução do processo de produção de gusa-líquido e escória. Nesta zona, a temperatura de chama é da ordem de 2.473 K.

(26)

A escória é granulada pelo impacto de jatos de água a alta pressão sendo, em seguida, submetida a uma forte agitação em tanque apropriado que contém água e escória, de onde é bombeada para as tremonhas de desidratação, sendo daí embarcada em caminhões e enviada para a indústria cimenteira.

O gás BFG produzido em cada alto forno, antes de ser encaminhado para o gasômetro e distribuído para as unidades consumidoras, sofre um processo de limpeza para retirada de contaminantes, que basicamente se constitui de pó gerado no processo de redução do minério de ferro e carreado pelo gás em seu fluxo, à medida que é produzido no interior do de cada alto forno.

Sistema de Lavagem do Gás de Alto forno

O processo de limpeza do gás de alto forno (BFG) tem seu curso com a utilização de lavadores Venturi associados em série com retirada intermediária de parte do gás.

O lavador Venturi primário recebe o gás do coletor de pó e, à sua saída, o circuito é bifurcado onde parte do gás parcialmente limpo é conduzida para o topo do Alto forno para equalização primária de pressão, enquanto que o restante do gás é conduzido para o lavador Venturi secundário que reduz a sua concentração de material particulado, sendo então, distribuído para as unidades consumidoras. A Figura 5 mostra um desenho esquemático do sistema de limpeza de gás do Alto forno da ArcelorMittal Tubarão.

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A água utilizada no sistema de limpeza do BFG é tratada através da ETA (Estação de Tratamento de Água) do Alto forno que opera em circuito fechado na vazão de recirculação de 12.000 m³/h. A Figura 6 apresenta a ETA dos Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão.

Figura 6: Vista aérea dos espessadores da ETA dos Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão

Sistema de Tratamento de Lama de Alto forno

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Figura 7: Fluxo de Tratamento da Lama de Alto forno da ArcelorMittal Tubarão.

A partir da definição do objetivo e informações necessárias sobre o processo de geração de lama de alto forno descritas no Capítulo 1 será mostrado a seguir no Capítulo 2 à metodologia usada no presente trabalho para o estudo de viabilidade técnica para gaseificação de lama de alto forno.

T QL-1 Tanq ue de Di strib ui ção

ES -1 B E spessad or

A B

BL -1 A/B Bom b a d e

l ama

T QL-3 Tan que de Di str ibu ição

BL -1 C/ D Bom b a d e l am a ES -1 A

E spessado r

FI LT RADO CO NTAM INADO

M AKE UP AL TO -F OR NO 1 , 2 e 3

LAV ADORE S DE GÁS

G ÁS

ES PES SADORE S LAM A

BO MBA

TUBULAÇÃO A. F. /E TL

CT -1 Cor reia T ransp ortad ora A F V-1 A/B

Fi ltro a Vácu o B T ORTA + + + ++ + + + + ++ + TQA-4

T anqu e de Águ a

BA -4 A/B Bom ba Águ a Reto rno

B A -3 A/B Bom ba Fi ltrad o

F IL TRADO

AE RADO R DA ET A AL TO FO RNO

A B

BL -1 A/B Bom b a d e

l ama

E spessado r

A B

BL -1 A/B Bom b a d e

l ama

E spessado r

A B

BL -1 A/B Bom b a d e

l ama

E spessado r

FI LT RADO CO NTAM INADO

M AKE UP FI LT RADO CO NTAM INADO

M AKE UP AL TO -F OR NO 1 , 2 e 3

G ÁS

BO MBA

TUBULAÇÃO A. F. /E TL AL TO -F OR NO 1 , 2 e 3

AL TO -F OR NO 1 , 2 e 3

G ÁS

BO MBA

TUBULAÇÃO A. F. /E TL

CT -1 Cor reia T ransp ortad ora A F V-1 A/B

Fi ltro a Vácu o B T ORTA + + + ++ + + + + ++

+ _{T ransp ortad ora}CT -1 Cor reia A F V-1 A/B

Fi ltro a Vácu o B T ORTA + + + ++ + + + + ++ + TQA-4

T anqu e de Águ a

F IL TRADO

AE RADO R DA ET A AL TO FO RNO

TQA-4 T anqu e de Águ a

F IL TRADO

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CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Gaseificação

O processo de gaseificação tem sido aplicado comercialmente há mais de um século. Segundo REZAIYAN (2005), a gaseificação é um processo que converte materiais carbonosos em um combustível ou gás sintético (H2, CO, CO2 e CH4). Em

termos gerais, a gaseificação envolve a reação do carbono com ar, oxigênio, vapor, CO2 ou a mistura destes gases aproximadamente à temperatura de 1.073 K a 1.273 K,

dependendo do tipo de matéria prima que se quer gaseificar e tipo de gaseificador empregado, produzindo um gás que pode ser usado para produção de energia elétrica, fornecimento de calor ou ainda como matéria-prima para sínteses químicas, combustíveis líquidos ou outros gases como H2.

As tendências atuais na produção de energia elétrica e combustível (gasosos e líquidos) mostram que haverá avanços tecnológicos para o gás de gaseificação. Que incluirão:

Necessidade de obtenção de um produto estável que possa ser utilizado para a geração de energia elétrica ou como matéria prima para as empresas de produtos químicos e combustíveis de transporte;

Capacidade para processar uma ampla gama de matérias primas, incluindo: carvão, óleos pesados, coque de petróleo, resíduos industriais, solos contaminados com hidrocarbonetos, biomassa e resíduos agrícolas;

Sistema de limpeza de gases, produção de Syngas limpo;

(30)

A Figura 8 mostra um esquema dos métodos possíveis para gaseificação de materiais carbonosos.

Figura 8 - Métodos de Gaseificação. Fonte: Rezaiyan e Cheremisinoff . Gaseification Technologies: A primer for Engineers and Scietists Taylor & Francis 2005, pág. 6 cap 1.

Dependendo do processo de gaseificação a ser utilizado, algumas reações acontecem nos gaseificadores:

1 C + 1 O2 1 CO2 (2.1)

1 C + 1/2 O2 1 CO (2.2)

1 H2 + 1/2 O2 1 H2O (2.3)

1 C+ 1 H2O 1 CO + 1 H2 (2.4)

1 C + 2 H2O 1 CO2 + 2 H2 (2.5)

1 C + 1 CO2 2 CO (2.6)

1 C + 2 H2 1 CH4 (2.7)

1 CO + 1 H2O 1 H2 + 1 CO2 (2.8)

1 CO + 3 H2 1 CH4 + 1 H2O (2.9)

1 C + 1 H2O 1/2 CH4 + 1/2 CO2 (2.10)

Gaseificação

Vapor Ar

Gaseificação

Vapor O2

Hidro gaseificação

Vapor Calor

H2 Calor

Gaseificação Catalítica

Vapor

Limpeza CO, H2, N2 Gás de baixo PCI

Limpeza CO, H2

Gás de médio PCI

Limpeza CO, H2 Gás de baixo PCI

Limpeza CO, H2, CH4 Gás de alto PCI

Limpeza e separação CH₄ Syngas Matéria Prima Gaseificação Gaseificação Vapor Ar Gaseificação

Vapor O2

Hidro gaseificação

Vapor Calor

H2 Calor

Gaseificação Catalítica

Vapor

Limpeza CO, H2, N2 Gás de baixo PCI

Limpeza CO, H2

Gás de médio PCI

Limpeza CO, H2 Gás de baixo PCI

Limpeza CO, H2, CH4 Gás de alto PCI

(31)

A maior parte do oxigênio injetado dentro de um gaseificador pode ser como oxigênio puro ou oxigênio presente no ar atmosférico, que é consumido nas reações apresentadas nas equações (2.1) até (2.3) para gerar calor necessário para secar o combustível sólido, quebrar as ligações químicas e aumentar a temperatura do reator para seguir as reações das equações (2.4) à (2.9). As reações das equações (2.4) e (2.5), as quais são conhecidas como reações água-gás, são as principais reações na gaseificação.

A reação da equação (2.6), reação de Boudouard, é endotérmica e muito mais lenta do que a reação da equação (2.1) à mesma temperatura na ausência de um catalisador.

A reação (2.7), hidro-gaseificação, é muito lenta exceto em altas pressões. A reação (2.8), água-gás pode ser importante se H2 for o produto desejado. Ótimas

produções são obtidas a baixas temperaturas (até 513 K), na presença de um catalisador a pressão não tem qualquer efeito sobre o aumento da produção de hidrogênio. A reação (2.9), reação do metano (CH4) acontece muito lentamente a

baixas temperaturas na ausência de catalisadores. A reação (2.10) é uma reação térmica relativamente neutra, sugerindo que a gaseificação poderia proceder com baixo calor.

Em adição a gaseificação os agentes como ar, oxigênio ou vapor, temperatura, pressão são outros fatores que afetam a composição química e o poder calorífico do gás oriundo da gaseificação.

Outros fatores afetam a qualidade do gás produzido como: Taxa de calor no reator;

Tempo de residência; Configuração da planta: Sistema de alimentação; Fluxo de reação;

(32)

Sistema de limpeza do gás: remoção de enxofre, nitrogênio, material particulado ou outros poluentes.

De acordo com o sistema de configuração do gaseificador, condições de operação e agente gaseificador três tipos de gases podem ser obtidos:

Baixo PCI (3,5 a 10 MJ/m³): pode ser usado como combustível para turbinas a gás, motores de combustão interna, combustível para caldeira produção de vapor, combustível para fusão redutora ou redução direta de minério de ferro; Médio PCI (10 a 20 MJ/m³): pode ser usado como combustível de turbinas a gás, motores de combustão interna, substituir o gás natural, hidrogênio, indústria química e combustível de síntese;

Alto PCI (20 a 35 MJ/m³): pode ser usado como combustível de turbinas a gás, motores de combustão interna, substituir o gás natural, hidrogênio, indústria química e combustível de síntese e não requer muito aumento para produção de metano para produzir gás natural sintético (SNG – Synthetic Natural Gas).

2.2 Tipos de Gaseificadores

Os gaseificadores podem ser divididos nas seguintes categorias de acordo com a direção do movimento relativo da matéria prima e do agente de gaseificação:

Leito Fixo

Contra fluxo (contracorrente); Fluxo direto (concorrente); Fluxo cruzado.

(33)

O gaseificador mais simples é o de leito fixo que podem ser concorrente ou de contracorrente, onde a entrada de ar fica na parte de cima ou de baixo do gaseificador, com o fluxo descendente ou ascendente de gases, contrário ao enquanto o fluxo de combustível que é introduzido pela parte superior e desce pela ação da força gravitacional conforme é consumido. Os gaseificadores contracorrente tendem a ter uma eficiência térmica alta, pelo fato dos gases quentes provenientes da zona de combustão pré-aquecerem a carga de combustível ao passar por ela. Tendo a simplicidade como principal característica, possui, no entanto a desvantagem de produzir um gás extremamente impuro, nem o alcatrão e outros produtos de pirólise são craqueados na zona de combustão, já que são levados pelo fluxo de gases para cima do gaseificador e podem causar incrustações nas tubulações. Alguns gaseificadores, particularmente de grande porte, possuem uma câmara na parte superior, acima do topo do combustível, a fim de reduzir a velocidade do gás e permitir a condensação de voláteis dentro do gaseificador.

O gaseificador tipo concorrente é mais difundido. Durante a II guerra mundial a maioria dos gaseificadores utilizados em veículos era deste tipo assim como a maioria dos gaseificadores desenvolvidos para geração de potência mecânica.

No gaseificador concorrente, as zonas de combustão e de redução estão posicionadas de forma oposta aos gaseificadores contracorrente. Com a alimentação de combustível pelo topo, a alimentação de ar é feita em fluxo descendente (mesmo sentido do fluxo de combustível) passando pelas zonas de combustão e redução.

(34)

Em muitos casos, o diâmetro interno é reduzido na zona de combustão, criando uma garganta, geralmente feita de material cerâmico substituível. É na garganta que se posicionam os injetores de ar, arranjados a fim de distribuir o ar de forma mais uniforme possível. Em todos os arranjos o objetivo é garantir que seja atingida uma temperatura adequada em toda a seção, a fim de craquear todo o alcatrão que passa por ela. A temperatura é máxima nas entradas de ar e diminui rapidamente com a distância, isto significa que existe um limite prático para as distâncias entre as entradas e consequentemente para o diâmetro da garganta.

Por outro lado, como o gás é liberado diretamente da zona de redução tende a ter quantidades significativas de cinzas e fuligem, em contraste com o que acontece nos gaseificadores contracorrente onde estas partículas são filtradas quando o gás passa pelo combustível. A temperatura de saída dos gases também tende a ser maior, por volta de 973 K, pois não trocam calor diretamente com as zonas de pirólise e secagem. A produção de gás combustível livre de alcatrão e voláteis em um gaseificador concorrente requer cuidados especiais de desenvolvimento, pois, além do projeto da garganta e do controle do fluxo de ar, estes são particularmente vulneráveis a problemas causados por combustíveis com alto teor de cinzas e variações no teor de umidade.

Nos gaseificadores de fluxo cruzado o gás é retirado lateralmente da câmara de gaseificação na mesma altura do leito em que é injetado o ar. O injetor é normalmente arranjado de forma a injetar ar no centro da zona de combustão. Caracteriza-se por produzir um gás combustível com características intermediárias entre os gaseificadores contracorrente e concorrente.

(35)

As principais vantagens dos gaseificadores de fluxo cruzado são a rápida resposta às variações de carga, sua simplicidade de construção e seu peso reduzido. Por outro lado são muito sensíveis às variações na composição e umidade do combustível, sendo que para fins práticos quase sempre é requerido carvão vegetal limpo e seco.

Nos gaseificadores do tipo leito fluidizado as partículas do combustível são mantidas suspensas em um leito de partículas inertes (areia, cinzas ou alumina) fluidizadas pelo fluxo de ar, criando melhores condições de transferência de calor e homogeneidade da temperatura na câmara de reação. Nestas condições a maioria dos voláteis estará em contato com as partículas do leito aquecido, contribuindo para uma gaseificação possivelmente completa e limpa.

A condição de fluidização provoca um íntimo contato entre partículas e gases e promove uma circulação (mistura) vigorosa das partículas. As conseqüências disto são a alta taxas de velocidades de reação gás-sólido e uma temperatura uniforme em todo o leito.

Duas fases podem ser identificadas numa seção transversal do leito: a emulsão e as bolhas. A emulsão contém as partículas sólidas com gás que percola através delas. O fluxo de gás na emulsão é limitado pela quantidade que permite a fluidização incipiente (velocidade mínima de fluidização). Qualquer quantia maior de gás passa pelo leito na forma de bolhas. As bolhas são praticamente livres de partículas sólidas, mas com a passagem delas pelo leito, algumas partículas são arrastadas por elas, o que promove a grande mistura das partículas sólidas no leito. O leito é aquecido inicialmente por um combustível auxiliar (GLP, carvão vegetal, etc.) e quando a temperatura for suficientemente alta o combustível é introduzido dando início ao processo de gaseificação.

(36)

Também por sua operação em temperaturas relativamente mais baixas que os gaseificadores de leito fixo, reduzem significativamente os teores de enxofre e de material particulado, além de diminuir a formação de óxidos de nitrogênio IPT (1992).

A principal vantagem dos gaseificadores de leito fluidizado é o fácil controle da temperatura pela variação na alimentação de ar e de combustível. Existem, por outro lado, problemas relacionados aos gaseificadores de leito fluidizado. Em contraste com gaseificadores de leito fixo os gaseificadores de leito fluidizado não apresentam resposta automática às mudanças de consumo do gás produzido. Nos gaseificadores de leito fixo há uma grande quantidade de combustível na câmara de reação, que permite, ao se aumentar o consumo, aumentar o fluxo de ar para dentro da câmara e consequentemente a produção de gás. No reator de leito fluidizado é necessário aumentar o fluxo de ar e o fluxo de combustível para dentro do leito a fim de se alterar a vazão de gás produzido, quando há alteração no consumo, havendo, portanto necessidade de intervenção, com algum tipo de controlador, tornando o sistema de alimentação parte vital do equipamento. Além disto, o gás produzido tende a conter carbono não queimado, um pouco de alcatrão, assim como parte das cinzas contidas originalmente no combustível, que devem ser removidos por sistemas de limpeza.

(37)

Como foi apresentado acima, dependendo do tipo de processo de gaseificação utilizado, do tipo de matéria-prima e do reagente utilizado podem ser gerados diversos tipos de gás de gaseificação conforme mostrado na Figura 9. No caso da gaseificação de leito fluidizado a composição química do gás varia mais em função das características do processo do que da matéria prima utilizada.

Uma descrição recente sobre o gás de gaseificação pode ser encontrada no artigo de DEMIRBAS (2007). Outro artigo recente na área é aquele de Li et al.(2009), que conduziram um estudo experimental na produção de syngas pela gaseificação de carvão e mistura de carvão com biomassa (serragem de pinho e palha de arroz) em leito fluidizado. Houve injeção de oxigênio puro junto com ar na tentativa de produzir um gás mais rico. Velez et al. (2007) também realizaram uma pesquisa experimental sobre co-gaseificação de carvão e biomassa em leito fluidizado.

(38)

Umidade de Higroscopia (%) Matérias Voláteis(b.s.) (%) Carbono fixo(b.s.) (%)

Cinza (b.s)

(%)

Enxofre total (b.s.)

(%) Carbono (b.s.) (%) Hidrogênio (b.s.) (%) Nitrogênio (b.s.) (%) Poder Calorífico Superior (b.s.)

(kJ/kg)

Poder Calorífico inferior (b.s.)

(kJ/kg)

1 0,55 10,79 23,65 65,56 0,78 34,29 0,15 0,50 10.580 10.538

2 1,14 10,46 19,94 69,60 0,86 30,43 0,14 0,43 9.323 9.302

3 0,67 11,09 23,66 65,25 0,87 34,43 0,15 0,49 10.852 10.810

4 0,70 12,76 21,36 65,88 0,84 33,45 0,18 0,48 10.454 10.412

5 0,68 10,87 24,26 64,87 0,88 34,99 0,16 0,50 10.894 10.852

6 0,58 10,43 21,76 67,81 0,89 32,30 0,16 0,49 9.972 9.930

7 0,75 11,06 20,46 68,48 0,81 31,57 0,16 0,42 9.050 9.009

8 0,67 11,18 24,39 64,43 0,78 35,48 0,17 0,47 10.705 10.664

9 0,58 11,01 22,89 66,10 0,86 33,68 0,15 0,49 10.517 10.475

10 1,52 11,91 24,32 63,77 0,87 35,90 0,17 0,52 11.229 11.187

11 0,63 12,71 21,09 66,20 0,73 33,13 0,20 0,46 9.721 9.679

12 1,67 10,89 23,35 65,76 0,73 34,04 0,16 0,47 10.643 10.601

13 2,14 14,25 20,67 65,08 0,82 34,30 0,21 0,46 10.747 10.705

14 2,01 12,69 23,05 64,26 0,79 35,29 0,20 0,47 10.915 10.873

15 1,56 10,62 21,06 68,32 0,82 31,51 0,15 0,46 9.847 9.805

16 1,84 10,84 21,85 67,31 0,91 32,46 0,15 0,44 10.077 10.035

17 1,71 11,02 20,71 68,27 0,76 31,59 0,16 0,47 9.637 9.595

18 1,07 11,23 23,24 65,53 0,70 34,00 0,20 0,49 10.412 10.370

19 0,69 11,18 23,13 65,69 0,80 33,86 0,19 0,48 10.601 10.559

Média 1,11 11,42 22,36 66,22 0,82 33,51 0,17 0,47 10.325 10.284 Desvio Padrão 0,56 1,00 1,45 1,62 0,06 1,52 0,02 0,02 590 589

Poder Calorífico

Amostras

Análise Imediata Análise Elementar

CAPÍTUO 3 METODOLOGIA 3.1 Caracterização do material

Para conhecer a lama de alto forno da ArcelorMittal Tubarão foram coletadas 19 amostras de aproximadamente 300 gramas durante uma semana a cada 6 horas a fim de se garantir um menor desvio possível entre as amostras. A partir das amostras coletadas foram realizadas análises de:

Análise imediata: umidade higroscópica, matérias voláteis e carbono fixo; Análise elementar: cinzas, carbono, hidrogênio, nitrogênio e enxofre; Poder calorífico: superior (PCS) e inferior (PCI).

As análises descritas acima foram conduzidas pelo CIENTEC (Fundação de Ciência e Tecnologia) localizado em Porto Alegre / RS. A Tabela 1 mostra os valores encontrados para as análises realizadas nas 19 amostras coletadas.

(39)

A partir dos dados de análise química da lama de alto forno apresentados na Tabela 1, uma conclusão durante o desenvolvimento da metodologia pode ser verificada, o poder calorífico inferior (bs: base seca) apresentou um valor muito inferior àquele necessário para a gaseificação. Diante deste fato a opção para continuarmos no estudo de gaseificação de lama de alto forno foi realizar um mistura da lama de alto forno com outro material carbonoso a fim de se elevar o poder calorífico necessário à gaseificação. O material auxiliar utilizado foi um carvão metalúrgico alto volátil (Mont Laurel / EUA) amplamente utilizado na ArcelorMittal Tubarão, cujas características químicas estão apresentadas na Tabela 2.

Tabela 2:Caracterização química do carvão metalúrgico alto volátil Mont Laurel

Elementos Valores obtidos em massa

Carbono Fixo 57 %

Enxofre 1 %

Cinzas (Al2O3, SiO2 e Fe2O3) 7 %

Matéria Volátil 35 %

PCI 30.134 kJ/kg

A partir das características químicas dos materiais foram estabelecidas misturas para a gaseificação. A participação de cada material na mistura foi baseada no poder calorífico inferir da lama e do carvão. Foram estabelecidas 3 misturas, conforme mostra a Tabela 3.

Tabela 3: Definição da proporção dos componentes nas misturas carvão e lama de alto forno

Mistura 1 Mistura 2 Mistura 3

Lama (%) Carvão (%) Lama (%) Carvão (%) Lama (%) Carvão (%)

(40)

Com a definição da proporção de carvão e lama de alto forno nas misturas descritas na Tabela 3 e com as informações das Tabelas 1 e 2 foi possível determinar a massa em gramas para a mistura a gaseificar, umidade (H2O) e cinzas. As Tabelas 4 e

5 mostram respectivamente os valores de massa calculados para a lama de alto forno e carvão Mont Laurel. Para o cálculo foram assumidos 100 gramas de cada material.

Tabela 4: Massa dos elementos considerando100 gramas de lama de alto forno

Lama de alto forno Massa calculada (g)

C2,003H0,123N0,024S0,018 32

H2O 9

Al2O3 1

SiO2 4

Fe 53

CaO 2

Total 100

Tabela 5: Massa dos elementos considerando100 gramas de carvão

Lama de alto forno Massa calculada (g)

C6,295H4,81O02162N0,0971S0,0284 86

H2O 7

Al2O3 2

SiO2 4

Fe2O3 1

Total 100

(41)

Tabela 6: Massa dos elementos para as misturas 1, 2 e 3

3.2 Métodos de análises

Com os valores em massa calculados dos elementos para a gaseificação das misturas conforme apresentados no item 3.1 do Capítulo 3 poderá a partir de agora descrever sobre os ensaios realizados para o alcance dos objetivos do presente trabalho.

Nas informações apresentadas no capítulo 2 verificou-se que o tipo de gaseificador pode ser escolhido a partir da matéria prima a ser gaseificada. Foram apresentados os gaseificadores do tipo leito fixo e leito fluidizado.

Atualmente encontra-se em fase de testes de construção um Gaseificador em escala semi indutrial de 1 MW de potência térmica da Orienta Energias Alternativas (OEA) localizado em Linhares, ES. A tecnologia utilizada é do tipo Leito Fluidizado Circulante (LFC) usando como meio fluidizador dolomita e/ou areia de granulometria de 0,1 mm. O reator terá possui aproximadamente 0,5 metros de diâmetro interno útil e 1,10 m de diâmetro externo e a coluna de reação tem 12 15 metros de altura. O tipo de agente gaseificador será é o Ar atmosférico com vapor (20%) injetado na parte inferior

Massa calculada (g)

Mistura

1

(100% Carvão e 0 % de lama de

alto forno)

2

(85% Carvão e 15 % de lama

de alto forno)

3

(75% Carvão e 25 % de lama

de alto forno)

C6,295H4,81O02162N0,0971S0,0284 86 86 86

C2,003H0,123N0,024S0,018 0 6 11

H2O 7 9 10

Al2O3 2 2 3

SiO2 4 5 6

Fe2O3 1 1 1

Fe 9 18

CaO 0 0 1

(42)

com velocidade de entre 5 a 8 m/s. com massa de carbono: 5%. A alimentação será é realizadas através de 3 2 silos (carvão e combustíveis de pesquisa e areia) com carregamento contínuo. A Figura 9 mostra um desenho esquemático do gaseificador da OEA que se encontra em implantação com conclusão prevista para o primeiro semestre de 2011. Os testes com lama de Alto Forno serão iniciados no primeiro semestre de 2011.

Figura 9: Desenho esquemático do Gaseificador da OEA- Tecnologia: Leito Fluidizado Circulante

Ciclone 1

Reator

Ventilador Queimador de Partida

Silo de carvão

Silo de matéria prima

Silo de areia

Queimador de gases

Ciclone 1

Reator

Ventilador Queimador de Partida

Silo de carvão

Silo de matéria prima

Silo de areia

(43)

Devido ao fato do gaseificador da OEA ainda estar em fase de testes para comissionamento os ensaios das misturas estabelecidas no item 3.1 do Capítulo 3 não puderam ser experimentadas. A Figura 10 mostra algumas fotografias da implantação deste Gaseificador.

Figura10: Fotografias do Gaseificador da OEA em construção.em Linhares / ES. Ref.: Outubro de 2010

Portanto, para a realização dos ensaios das misturas 1, 2 e 3 foi definido em simular a gaseificação através de um programa de equilíbrio químico. Esta decisão foi baseada na consideração que e a hipótese de equilíbrio químico é extensivamente usada em modelagem de problemas de combustão porque não se tem que considerar a cinética química para estimar as concentrações das espécies nos produtos.

O critério de equilíbrio pode ser usado para desenvolver uma maneira de calcular a composição de um sistema reagente em equilíbrio. Podemos ter uma variedade muito grande de produtos, em proporções pequenas, mas capazes de alterar parâmetros de combustão como a temperatura de chama adiabática e a composição dos gases. Para prever com maior precisão a composição dos produtos de combustão, podemos assumir que existe equilíbrio químico e entrar com as equações de equilíbrio do sistema, além das equações de conservação de massa e energia.

(44)

programa. Os resultados são dados em termos de parâmetros do gás de combustão, tais como temperatura final, composição química, massa específica, calores específicos, razão de calores específicos, etc, em função da composição, pressão e temperatura dos reagentes.

O programa NASA SP-273 é hoje de domínio público, estando disponível em algumas instituições de ensino e pesquisa do Brasil, entre eles o Laboratório Associado de Combustão e Propulsão do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em Cachoeira Paulista, SP.

Para o presente trabalho foi utilizado o TCW – Termochemical Information and Equilibrium Calculation uma versão do programa NASA SP-273 adaptado para uso comercial e em instituições de ensino e pesquisa. No anexo A poderá ser visualizado as telas do programa utilizadas para o estudo em questão.

3.2.1 Simulações

Definidos os valores de massas conforme mostrado na Tabela 6, os dados de calor de formação para o carvão e lama de alto forno e massas das misturas puderam ser inseridos no TCW para obtenção das frações molares das reações de equilíbrio para as misturas definidas para a análise do PCI do gás formado para verificar a viabilidade técnica.

(45)

Para a condição de sistema isobárico-isotérmico consideraram-se várias temperaturas: 2.400, 2.300, 2.200, 2.100, 2.000, 1.900, 1.800, 1.700, 1.450, 1.400, 1.350, 1.300, 1.250, 1.200, 1.150, 1100, 1.050, 1.000, 950, 900, 800 e 700 K.

Todas as condições foram realizadas com ar atmosférico e oxigênio, como a proporção entre combustível e oxidante depende da aplicação em questão, foram estabelecidas 10 razões de equivalência (ϕ) entre a proporção ar combustível simulado

mostrados na Tabela 7.

Tabela 7: Razões de equivalências simuladas Proporção

combustível / ar 1:1 1:0,9 1:0,8 1:0,7 1:0,6 1:0,5 1:0,4 1:0,35 1:0,30 1:0,25

Razão de Equivalência1

(ϕ)

1 1,11 1,25 1,43 1,67 2,00 2,50 2,86 3,33 4,00

1 _{A razão de equivalência foi obtida pela divisão entre proporção de combustível pela proporção do ar.}

Simulação da Mistura 1

Para a mistura 1 (0% de lama de alto forno e 100% de carvão), foi simulada a condição de equilíbrio de entalpia e pressão utilizando como oxidante o ar atmosférico para todas as razões de equivalência mostradas na Tabela 7.

A reação global de gaseificação pode ser escrita pela equação (3.1): CnHmOpNq + wH2O+ aO2+ 3,76N2→ bO2 + cCO + dCO2 +eH2+ fCH4+ gH2O

+ hN2

(3.1)

onde n, m, p e q , e são parâmetros de caracterização da composição elementar da mistura (lama de alto forno mais carvão) seca, w sendo a quantidade de água e a quantidade de ar utilizado para a gaseificação (aO2 + 3,76 N2). Portanto com os

(46)

Portanto, com o programa de equilíbrio foi possível obter as frações molares em gramas do gás produzido para cálculo do PCI. Observa-se que foram encontradas convergências apenas para as razões de equivalência (ϕ): 1,00; 1,11; 1,25; 1,43; 1,67 e

2,00. Os valores encontrados estão descritos na Tabela 8.

Tabela 8: Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a mistura 1

Razão de Equivalência (ϕ)

Composição do Gas

Fração molar 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2

H2 (g) 0,0016 0,0044 0,0117 0,0263 0,0523 0,0937

H2O (g) 0,0715 0,0760 0,0773 0,0724 0,0578 0,0303

CO (g) 0,0179 0,0443 0,0882 0,1394 0,1933 0,2518

CO2 (g) 0,1498 0,1391 0,1131 0,083159 0,05538 0,029313

N2 (g) 0,7427 0,7286 0,7052 0,6749 0,6375 0,5907

O2 (g) 0,0076 0,0011 0,0000 - - -

Temperatura (K) 3.058 3.067 3.064 3.031 2.895 2.464

Com as frações molares do gás mostradas na Tabela 7 foram possíveis as determinações de PCI (kJoules / Nm³) conforme propõe a equação (3.2).

PCI = [f (g) * hv (kJ/mol) (3.2) V (Nm³)

Onde:

f: Fração molar;

hv: Entalpia de formação; V: Volume.

Considerou-se os seguintes valores de entalpia de formação para o H2 e CO

(47)

Substituindo os valores das frações molares de H2 e CO da Tabela 7 na equação

(3.2) considerando o para o V igual a 0,0224 Nm³ determinou-se os valores de PCI para as todas as razões de equivalência que convergiram. A Tabela 9.

Tabela 9: Valores de PCI calculados para o gás da Mistura 1 Razões de Equivalência (ϕ)

1 1,1 1,25 1,43 1,67 2

PCI (kJ/Nm³)

243 608 1.243 2.048 3.011 4.199

Para a mistura 2 (15% de lama de alto forno e 85% de carvão), foram consideradas 2 (duas) condições de sistema de equilíbrio.

1a Condição: equilíbrio entalpia-isobárico e oxidante Ar atmosférico para todas as razões de equivalências conforme Tabela 7. Para esta condição como também visto para a mistura 1 foram encontradas convergências das razões de equivalência (ϕ) 1 a

2. Informações das frações molares obtidas para o gás simulado pelo TCW estão descritas na Tabela 10.

Tabela 10: Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 1a_{condição da mistura 2} Razão de Equivalência (ϕ)

Composição do Gas

Fração molar 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2

H2 (g) 0,0014 0,0044 0,0122 0,0277 0,0550 0,0959

H2O (g) 0,0739 0,0786 0,0797 0,0743 0,0588 0,0327

CO (g) 0,0158 0,0423 0,0869 0,1379 0,1914 0,2467

CO2 (g) 0,1501 0,1394 0,1126 0,08288 0,05576 0,03317

N2 (g) 0,7391 0,7245 0,7 0,6687 0,63 0,5814

O2 (g) 0,0074 0,0009 0,0000 - - -

(48)

Na 1a condição da mistura 2 também foram calculados os valores de PCI conforme a equação (3.2), para esta condição também foi encontrada convergência até a razão de equivalência 2, a escolha da razão 2 foi em função dos maiores resultados das frações molares de CO e H2 encontrados nas simulações anteriores. A Tabela 11

mostra os valores calculados para os PCI’s.

Tabela 11: Valores de PCI calculados para o gás para a 1a_{condição da Mistura 2}

Razões de Equivalência (ϕ)

1 1,1 1,25 1,43 1,67 2

PCI (kJ/Nm³)

215 583 1.231 2.044 3.016 4.158

2a Condição: Nesta condição foi utilizado o sistema de equilíbrio isobárico-isotérmico e oxidante o Ar atmosférico para a razão de equivalência (ϕ) igual a 2. As

temperaturas simuladas foram com reduções de 50 em 50 de 1.550 k a 900 K.

Os valores encontrados no TCW para as frações molares estão representados na Tabela 12.

Tabela 12: Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 2a_{condição da mistura 2} Temperatura K -

Razão de Equivalência (ϕ) 2 H2 (g) CO (g)

1.550 0,09 0,25

1.500 0,09 0,25

1.450 0,09 0,25

1.400 0,09 0,25

1.350 0,09 0,24

1.300 0,09 0,24

1.250 0,10 0,24

1.200 0,10 0,24

1.150 0,10 0,24

1.100 0,10 0,24

1.050 0,10 0,23

1.000 0,10 0,23

950 0,10 0,19

(49)

Os valores dos PCI´s para as variações das temperaturas da Tabela 10 foram calculados conforme equação (3.2) a partir das informações das frações molares obtidas no TCW cujos valores estão apresentados na Tabela 13.

Tabela 13: Valores de PCI calculados para o gás para a 2a_{condição da Mistura 2} Temperatura K -

Razão de Equivalência (ϕ) 2 PCI (kJ/Nm³)

1.550 4.098

1.500 4.096

1.450 4.095

1.400 4.092

1.350 4.092

1.300 4.091

1.250 4.089

1.200 4.088

1.150 4.085

1.100 4.081

1.050 4.074

1.000 4.051

950 3.472

900 2.495

Para a mistura 3 (25% de lama de alto forno e 75% de carvão), foram consideradas 3 (três) condições de equilíbrio