Ciência, Tecnologia e Inovação
Uso de Carvão Vegetal em Mini Altos-Fornos
Situação Atual com Tendências 2025
Estudo Prospectivo do Setor Siderúrgico
Nota Técnica
Ronaldo Santos Sampaio
Belo Horizonte, MG Junho, 2008
Resumo
Apesar da utilização do carvão vegetal em altos-fornos representar apenas 1% da produção de ferro gusa no mundo e 30 % no Brasil, esse pode ser uma alternativa para melhorar a competitividade da siderurgia brasileira, uma vez que seu preço pode ser mais atraente, criando um diferencial favorável ao Brasil. Entretanto, o autor lembra que há pouco conhecimento e estudo científico realizado com o carvão vegetal, sendo necessários mais experimentos fundamentais e da prática operacional O potencial de ganhos de produtividade e eficiência são os maiores possíveis dentro da siderurgia brasileira e deve ser incentivada a sua realização.
Palavras chave: alto-forno, biomassa, carvão vegetal, energia, ferro, ferro-gusa, siderurgia.
SUMÁRIO
1. A produção do ferro gusa (e aços) a partir do carvão vegetal ...4
2. O valor da unidade de ferro ...5
3. O valor do combustível-redutor ...5
4. Análise do setor ...6
4.1 Retrospectiva ...6
4.2 Situação atual ...7
5. Possibilidades para ganhos integrados ...8
6. Conclusão ... 9
1. A PRODUÇÃO DO FERRO GUSA (E AÇOS) A PARTIR DO CARVÃO VEGETAL
A tecnologia de redução de minérios de ferro e seus aglomerados em altos-fornos a coque é avançada e otimizada. Os seus desenvolvimentos, na atualidade, são incrementais, não passando de 1% de ano para ano. Mesmo assim, a mesma não tem competidores a altura e responde por 96% de todo o ferro primário produzido no mundo. Neste cenário, os altos-fornos a carvão vegetal representam apenas 1% da produção de ferro gusa no mundo e 1/3 da produção brasileira.
O estado da arte da tecnologia de uso dos combustíveis-redutores fósseis é magnífico, não havendo muito espaço para ganhos adicionais de eficiência superiores a 10% dos níveis atuais. O que está acontecendo, em alguns casos recentes, são mudanças a montante na produção coque, passando das tradicionais coquerias: carvão coqueificável = coque + carboquímicos + gás de coqueria, para apenas carvão coqueificavel = coque + eletricidade. É uma relação de preços dos insumos químicos e energéticos regionais que está favorecendo as coquerias não recuperadoras e cogeradoras.
Os fósseis são commodities importadas. Assim, os fretes marítimos, a variação cambial e os custos de internação criam os diferenciais de custo entre as siderúrgicas do Brasil e suas competidoras no mercado mundial. Um país como a Ucrânia ou a Austrália que têm o carvão e o minério em quantidades apreciáveis, estão com potencial competitivo superior ao do Brasil quando se olha para estes dois insumos vitais da competitividade da siderurgia mundial (outros como Canadá, África do Sul, Rússia são competidores de peso). Energias alternativas fósseis como coque de petróleo, gás natural e termoeletricidade (siderúrgicas co-gerando para venda de eletricidade ao mercado) poderão modificar um pouco este quadro a favor do Brasil.
Podemos assumir, com muita confiança, que o diferencial de custos operacionais da produção do ferro gusa (e por conseqüência do aço em usinas integradas) depende praticamente dos preços das unidades de ferro e de carbono utilizadas em sua produção e de seus consumos específicos. Esta é uma situação do momento histórico pelo qual passamos, resultado da expressiva elevação do valor
dos insumos básicos minério de ferro e carvão mineral, resultado da crescente elevação da renda per capta dos habitantes do planeta Terra, China em especial.
2. O VALOR DA UNIDADE DE FERRO
A dolarização e a globalização dos preços internos dos minérios de ferro reduziram a competitividade da siderurgia brasileira. O valor dos fretes para se chegar aos mercados internacionais passou a ser o único diferencial, além da excelente qualidade de nossos minérios, forçando as usinas integradas a fazerem pesados investimentos a montante em direção ao minério no Brasil e ao carvão no exterior.
• Preço unidade de finos de minérios em Vitória - 2008: 1,341 US$/%Fe = US$
87,16/t 65% Fe.
• Preço pelotas em Vitória: 2,2020 US$/%Fe -2008 = US$ 143.13 US$/t 65%
Fe.
A diferença entre finos e pelota, de US$ 55.97, é diminuída pelo uso do sínter da pelota produzida em casa (In-House-Pellet) ou uso de Hematitinhas, possível nos Mini-Altos-Fornos e não recomendada para os grandes AFs a coque. No Brasil só agora se inicia o interesse por pelotizações dentro das siderúrgicas.
Assim, as integradas que não possuem suas minas de Fe só conseguem diferencial competitivo no quesito unidades de ferro, com uso do sínter e também por estarem nas proximidades das minas (ganho no frete). O setor guseiro, siderurgia a carvão vegetal, tem as hematitinhas e a proximidade das minas como pontos favoráveis ao custo das unidades de ferro além do carvão vegetal.
3. O VALOR DO COMBUSTÍVEL-REDUTOR
O combustível-redutor tem um potencial maior de diferenciação em face das várias alternativas possíveis. No entanto, para o caso brasileiro, podemos definir três tipos de fontes de carbono:
b) Carvão mineral para injeção
c) Carvão vegetal para topo e injeção.
Assim, neste quesito vital de competitividade, o carvão vegetal tem que ser mais atraente em preço que os seus equivalentes fósseis e, mais do que antes, o carvão vegetal precisa criar um diferencial maior para compensar as perdas de competitividade que existia com os minérios.
A compreensão dos fundamentos da redução de minérios em altos-fornos a carvão vegetal, MBF, tem sido emprestada e emulada e, pelo que se sabe, estudada para os reatores que utilizam o coque. Muito pouco conhecimento e estudo científico, balizado em experimentos e medições, tem sido realizado com o carvão vegetal. O professor Rubens Correia da Silveira foi o grande expoente desta fase de experimentação nas décadas de 70 e 80 e, de lá para cá, muito pouco ou quase nada experimental aconteceu. O conhecimento não se adentrou no necessário para a compreensão do carvão vegetal, combustível redutor com quantidades de voláteis da ordem existente nos carvões minerais e não no coque metalúrgico. Assim todo o conhecimento, equipamentos, tecnologias e procura de compreensão do processo de alto-forno a carvão vegetal é uma simples emulação daquele desenvolvido para o coque metalúrgico.
Logo, a matéria prima, o carvão vegetal, com propriedades físicas, químicas e geométricas bem diferentes do coque, continua um desconhecido e os tabus e paralelos com o coque são feitos a torto e a direita. Aqueles que desejam ter o mesmo nível de conhecimento do coque e suas funções no alto-forno para o carvão vegetal, que tenham muita paciência e procurem gerar muitos estudos experimentais ao longo dos próximos 10 anos, como aconteceu com o coque nos últimos 150 anos.
Para aqueles que querem ganhar tempo é melhor assumir que o carvão vegetal vai terminar sua coqueificação no interior dos altos-fornos, AFs, liberando boa parte da energia dos voláteis pelos gases do topo. Portanto, este gás precisa ser utilizado para pagamento desta energia adicional com co-geração de eletricidade, por exemplo. Assim, estamos otimizando o uso da energia original da madeira.
O reator de alto-forno é um processo de leito poroso obtido pelos granulados componentes da carga (redutor e minérios), onde gases quentes e com energia química são gerados nas partes inferiores pela gaseificação do carvão com ar pré-aquecido e outros combustíveis auxiliares. O gás combustível e quente sobe através dos poros, transferindo energia térmica e promovendo reações químicas onde prevalece a redução dos óxidos de ferro a ferro metálico e sua fusão, formando a liga ferro carbono denominada de ferro gusa. O material com capacidade de atuar como meio poroso, em toda a extensão do reator, é o carbono presente nos grãos do combustível redutor sólido, carvão vegetal e/ou coque.
4. ANÁLISE DO SETOR 4.1 RETROSPECTIVA
A imagem do setor era ligada aos aspectos negativos existentes na atividade, como o uso de carvão vegetal de florestas nativas, baixo nível de controle ambiental, ciclo de produção intermitente, etc. O setor sempre teve dois grupos distintos: os produtores de ferro gusa para fundição e os produtores de ferro gusa para aciaria.
O mercado de commodities do gusa para aciaria, com seus períodos freqüentes de altas e baixas, sempre forçou a existência do efeito “vagalume” no setor. Os fornos são ligados quando o mercado está atraente e desligados quando não. Esta é a principal razão pela inexistência de plantios florestais por boa parte do setor.
O carvão comprado do mercado spot base metro-de-carvão, mdc, não dava valor aos finos gerados no peneiramento, sendo este “resíduo” vendido para as cimenteiras. Os investimentos em sistemas de injeção de finos ainda eram da mesma ordem dos investimentos nos altos-fornos dificultando ainda mais o uso desta tecnologia.
Os altos-fornos a carvão vegetal eram de pequena capacidade: 50 a 250 ton. de gusa/dia de produção, com custo de investimento ao alcance de empreendedores de pequeno e médio porte e o consumo bruto de carvão vegetal médio do setor ficava na casa de 850 kg/ton gusa.
A tecnologia de redução era e continua sendo simples e dominada com engenharia e detalhes de domínio públicos.
4.2 SITUAÇÃO ATUAL
O Brasil tem hoje dois grandes centros de produção de ferro gusa a carvão vegetal e três outros que dão sinais claros de crescimento. O Sistema Norte, onde o ferro gusa é dedicado ao mercado de ferro primário para aciarias e o Sistema Sul, que convive com o gusa de aciaria, o gusa nodular, o gusa de fundição e o gusa líquido nas aciarias integradas. O Sistema Sul é mais desenvolvido em termos de formação técnica, gerenciamento produtivo e controle ambiental em relação ao sistema norte, no qual a deficiência de florestas próprias é maior. Os novos centros em crescimento se situam no Mato Grosso do Sul e em Pernambuco e Bahia.
Várias siderúrgicas ainda utilizam o "metro-de-carvão" como unidade para a compra e uso do carvão vegetal. Hoje já se utiliza o peso do CV enfornado, mas não se sabe o seu conteúdo de energia e, portanto, as reais eficiências energéticas. Essas inconsistências continuam dificultando os investimentos necessários em sistemas de injeção de finos e na co-geração da energia desperdiçada pelos gases do topo dos altos-fornos.
Os altos-fornos a carvão vegetal aumentaram sua capacidade para 300 a 700 ton. de gusa/dia de produção. Entre as pequenas e médias empresas siderúrgicas independentes, ainda há muitas empresas sem florestas próprias e umas poucas com 100% de suprimento próprio.
A tecnologia de mini altos-fornos, MBF, em boa parte emula as desenvolvidas para os grandes altos-fornos a coque. No entanto, muito ainda precisa ser estudado e conhecido sobre o carvão vegetal, material bem diferente do coque. Ainda são enormes as necessidades de aumento da eficiência das siderúrgicas independentes a CV. O poder calorífico dos gases de exaustão dos MBFs é, em média, 15% superior ao dos fornos a coque devido à liberação dos voláteis do CV ainda a baixas temperaturas. As tecnologias existentes de melhorias do processo, como tratamento térmico dos minérios, injeção de finos, uso de aglomerados (sinter, pelota, bloquetes), um rigoroso e permanente controle do carregamento
dos componentes da carga de topo, ainda estão longe de atingir números de performances similares aos da siderurgia a coque.
5. POSSIBILIDADES PARA GANHOS INTEGRADOS
Para que a ordem de relevância possa ainda ser melhor visualizada, a Tabela 1 mostra um exemplo ilustrando a média percebida do cenário atual (Ronaldo Sampaio – visão do especialista sem comprovação estatística disponível), denominado de cenário referência, onde a produtividade de florestas de eucalipto é assumida como sendo de 14 toneladas de madeira seca por hectare/ano
(madeira com 540 kg/m3) e seu crescimento para os atuais 20 t m.s/(ha*ano) dos
novos plantios em MG; o rendimento da conversão de madeira em carvão vegetal (75% carbono fixo) de 27% e sua melhoria para 37%; a inserção da conhecida tecnologia de injeção de finos apenas para zerar finos gerados no beneficiamento do carvão e redução das necessidades de carregamento de granulado pelo topo dos altos-fornos nas siderúrgicas (assumidos como 17% do total para as usinas não integradas neste exemplo, e da ordem de 29% para as integradas) e finalmente a melhoria do “fuel rate” nos altos-fornos.
Tabela 1- Exemplo simplificado do potencial de redução do custo operacional com melhorias nos índices de produtividade florestal, rendimento gravimétrico na carbonização e melhoria de eficiência e performance nos altos-fornos a carvão vegetal.
A Tabela 1 mostra que, ao contrário dos fósseis, o estado da arte das tecnologias de conversão de biomassa em carvão ainda é primitivo e, por isso, com potencial de ganhos de eficiência e econômicos de várias orde ns aos seus equivalentes
ITENS RELEVANTES REFERENCIA PROD. FL.14 para 20 R. Gravim. 27 p37 INJ. FINOS 0-P 106 RED. FUEL RATE Custo da madeira em pé 17.5 13.0 11.5 11.5 11.5
Custo da colheita da madeira 21.1 22.2 19.8 19.8 19.8
Custo do baldeio e transporte 29.5 31.1 27.7 27.7 27.7
Custo da carbonização 18.8 19.8 24.1 24.1 24.1 Custo do transporte de CV 11.3 11.9 14.5 14.5 14.5 Custo do beneficiamento CV 1.9 2.0 2.4 2.4 2.4 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 Rendimento gravimétrico 27 27 37 37 37 Produtividade florestal 14.0 20.0 20.0 20.0 20.0 Consumo bruto de CV 808.0 808.0 808.0 631.3 577.2 Consumo de CV enfornado (FR) 640.0 640.0 640.0 606.3 562.0 Finos de CV gerados 136.0 136.0 136.0 106.3 162.9 Perdas de CV 32.0 32.0 32.0 25.0 14.3
Valor do custo do carvão vegetal, % referencia 100.0 94.7 77.8 60.8 55.5
Tamanho da floresta necessária, % 100.0 70.0 51.1 39.9 36.5
fósseis ainda a serem ainda auferidos. Os ganhos em redução dos custos operacionais podem chegar até a 56 % dos valores médios atualmente praticados. Tais ganhos integrados são acompanhados de redução do tamanho necessário de floresta plantada, que pode chegar a perto de 40 % em relação à média das florestas existentes. Aqui é importante ressaltar que novas florestas que estão sendo plantadas pelo setor já possuem esta vantagem de 20 toneladas de madeira seca / (hectare*ano).
6. CONCLUSÃO
Assuntos e metas relevantes na produção do ferro gusa nos mini altos-fornos: a) Fomentar e viabilizar a adoção permanente do sistema internacional de
unidades com o uso do peso seco de madeira e de carvão vegetal produzido dentro de critérios referência de qualidade para o carvão e para as madeiras. b) Atuar em legislações estaduais e federais que incentivem a agregação de
valor aos recursos naturais como é a produção de ferro gusa e aços a partir dos minérios no Brasil. O vetor suprimento de carvão vegetal pode vir a ser reforçado com suprimento de madeira de produtores independentes fomentados pelos órgãos públicos de financiamento ao desenvolvimento de pequenos e médios empresários do campo. Assim, as regras legais precisam melhor incluir também o produtor independente de madeira e carvão vegetal de florestas plantadas.
c) Racionalizar e otimizar o uso dos recursos naturais hoje desperdiçados por boa parte dos atores do setor independente de produção de CV (carvão vegetal). Assim, o aproveitamento dos gases de exaustão dos altos-fornos independentes precisam ter destino na co-geração, em especial, por ter comprovada tecnologia e atratividade, assim como a injeção de finos pelas ventaneiras dos AFs. Estas medidas forçam a perenização e reduzem custos operacionais e demanda externa de eletricidade é eliminada com sobras para venda. As escórias de MBFs precisam ser co-processadas a cimento por grupos empresariais fora do oligopsonio vigente da indústria do cimento.
d) Viabilizar a agregação de valor ao ferro gusa como o fomento a produção de aço por micro-aciarias, produzindo aços especiais para não complicar o cenário macro econômico e altamente competitivo das grandes siderúrgicas nacionais.
e) Criar formas para a contínua formação e treinamento de mão-de-obra especializada na operação e controle dos altos-fornos a carvão vegetal. Os treinamentos devem partir de equipes aprovadas por especialistas reconhecidos dentro dos métodos desenvolvidos e específicos para o setor e por ele aprovados.
f) O suprimento de minérios granulados in natura está no fim (tanto em MG quanto no Norte, segundo analistas): viabilizar, fomentar e inserir tecnologias de aglomeração de minérios para atender o setor. Seja por consórcio de empresas na produção de grandes volumes em uma pelotização central, ou o uso de tecnologias mine para aglomeração de finos, tanto a quente como a frio.
g) O carvão vegetal de plantios florestais tem o formato com predominância cilíndrica e propriedades químicas ainda com grandes variações. Torna-se necessário, para melhores resultados nos MBFs, desenvolver e incentiva a produção de CV no formato mais granular, seja no processo de carbonização ou seu posterior beneficiamento.
h) Os resíduos da siderúrgica a CV podem ser (todos eles) reciclados dentro do sistema integrado floresta até siderúrgica. Criar formas de se atingir esta meta é uma necessidade para o Ecossistema de Manufatura e, portanto, assunto relevante.
i) As formas tradicionais e bem conhecidas de melhorias da produtividade, da qualidade e do consumo específico de energia precisam encontrar espaço para atingir a todas as empresas. Um dos entraves é a disponibilidade de oxigênio para enriquecimento do ar se sopro nos MBFs. Trazer de fora novos fornecedores de O2 ou viabilizar a produção de O2 em PSAs de pequeno e médio porte deve ser motivo de estudo.
j) Otimização da carga metálica:
1. Definição da relação granulado/sinter/ pelota.
2. Definição/caracterização dos componentes da carga metálica. k) Otimização da carga redutora:
1. Proporção do CV de topo vs finos injetados;
2. Qualidades do CV granulado e do CV fino injetado. l) Controle de fluxo gasoso:
2. Segregação granulométrica; 3. Utilização de finos.
m) Drenagem do cadinho definindo parâmetros de controle; metodologia de vazamento e fazendo controle de temperatura de soleira.
7. REFERÊNCIAS
(1) Azevedo, Flávio; Siderurgia e os desafios do desenvolvimento sustentável; I ENCONTRO NACIONAL DA SIDERURGIA, IBS, 2008.
(2) SILVEIRA, R. C. et. Alii. Contribuição ao escoamento gasoso no Alto-forno. Metalurgia, Vol. 30 – No. 199, junho 1974.
(3) MAGALHÃES NETO; J.L. Siderurgia a Carvão Vegetal no Brasil. Integração Floresta-Indústria. IN: SEMINÁRIO SIDERURGIA A CARVÃO VEGETAL. Ouro Preto, 1981, 17p.
