ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – USP
JOÃO PAULO BONOMO ADORNO
Substituição de gás natural em um sistema de secagem de Briquetes através da utilização do gás proveniente do reator de redução de minério de
ferro: Estudo de caso.
Lorena– SP 2015
JOÃO PAULO BONOMO ADORNO
Substituição de gás natural em um sistema de secagem de Briquetes através da utilização do gás proveniente do reator de redução de minério de ferro: Estudo de caso.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo como requisito para obtenção do grau de Engenheiro Químico.
Área de Projeto: Tecnologia química e Termodinâmica.
Orientador: Prof. Msc. Antônio Carlos da Silva.
Lorena - SP 2015
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Adorno, João Paulo Bonomo
Substituição de gás natural em um sistema de secagem de Briquetes através da utilização do gás proveniente do reator de redução de minério de ferro: Estudo de caso / João Paulo Bonomo Adorno;
orientador Antonio Carlos da Silva. - Lorena, 2015. 40 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Química - Escola de Engenharia de Lorena da
Universidade de São Paulo. 2015 Orientador: Antonio Carlos da Silva
1. Poder calorífico. 2. Gás natural. 3. Redução de minério de ferro. I. Título. II. da Silva, Antonio Carlos, orient.
DEDICATÓRIA
Aos nossos pais e irmãos, Aos nossos amigos, Aos nossos professores
...os quais serviram de alicerce para que pudéssemos concretizar mais uma etapa de nossas realizações profissionais.
AGRADECIMENTOS À Deus pelo dom da vida.
Aos meus pais, que sempre foram a base de todos os passos que tomei em minha vida, pelo carinho, dedicação, amor e principalmente pelo exemplo a ser seguido. A Ana Carolina Reginaldo Fonseca pelo companheirismo, cumplicidade, amizade e amor.
Aos meus amigos de república Denis Brollo, Gustavo Morais, Thiago Zwirtes e Gabriel Cabral pelos momentos de felicidade, companheirismo e vitórias compartilhadas.
Aos meus amigos Vinicius Trombeta, Tamires Freitas e Leandro Navarro pela amizade incondicional.
A Hermes Joaquim, Kleiton Lovatti, Guilherme Gonçalves, Ronald Lopes e Roberto Okada pelo companheirismo, amizade e vitórias compartilhadas na Tecnored S.A. Ao Professor Antônio Carlos, pela paciência, compreensão e dedicação a este trabalho.
A todos que, de alguma forma, colaboraram para a realização deste trabalho, o meu sincero agradecimento.
"Acredite você que consiga fazer uma coisa ou não, você está certo". H. Ford
RESUMO
ADORNO, J. P. B. Substituição de gás natural em um sistema de secagem de Briquetes através da utilização do gás proveniente do reator de redução de minério de ferro: Estudo de caso. 2015. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
Este trabalho teve o objetivo de, através de um estudo de caso, analisar a substituição de gás natural em um processo industrial. O trabalho apresenta o estudo realizado em um sistema de fabricação de briquetes e seus periféricos, em uma planta industrial de produção de ferro primário. O gás natural é utilizado como fonte de energia na etapa de secagem dos briquetes. O projeto analisou a possibilidade de substituir o gás natural pelo gás proveniente do reator de redução de minério de ferro. Como bases de comparação foram utilizadas a vazão utilizada de Gás Natural pelo sistema, como a vazão disponível de gás de processo, como também o Poder Calorífico de ambos objetivando comparar a energia fornecida ao sistema pelo gás natural e o potencial energético do gás de processo. O estudo apresentou resultado positivo, pois o gás de processo apresentou potencial energético superior a energia fornecida pelo gás natural, onde os dados foram coletados de cenários reais de produção de minério de ferro.
ABSTRACT
ADORNO, J. P. B. Replacement natural gas briquettes in a drying system using the gas from the iron ore reduction reactor: Case Study. 2015. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
This work aimed to, through a case study, analyze the substitution of natural gas in an industrial process. The paper presents the study in a briquette manufacturing system and its peripherals in an industrial plant of primary iron production. Natural gas is used as an energy source in the briquettes drying step. The project examined the possibility of replacing natural gas by gas from the iron ore reduction reactor. As a basis of comparison were used to flow used natural gas through the system, as the available flow of process gas, as well as the Calorific Value of both aimed to compare the energy supplied to the system by natural gas and the energy potential of the process gas. The study was positive, as the process gas introduced higher energy potential energy provided by natural gas, where the data was collected from real scenarios of iron ore production.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Forno Tecnored ... 14
Figura 2 - Diagrama Fe - O ... 16
Figura 3 - Diagrama Wustita - Magnetita - Fe α - Fe β ... 18
Figura 4 – Diferentes formatos de Briquetes ... 19
Figura 5 – Esquema de Cilindros Rotatórios ... 20
Figura 6 – Cilindros de briquetagem ... 20
Figura 7 – Secadora tipo esteira ... 21
Figura 8 – Esquema de Câmara de Combustão ... 22
Figura 9 - Câmara de Combustão Industrial ... 22
Figura 10 – Sistema de limpeza de gases ... 23
Figura 11 – Esquema do sistema TRT ... 24
Figura 12 - Indústria de Fabricação de ferro primário ... 27
Figura 13 - Sistema de Secagem de Briquetes tipo esteira ... 28
Figura 14 – Analisador a Laser ... 29
Figura 15 – Analisador a Laser ... 30
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composições do gás de processo ... 32
Tabela 2 - Poder de Combustão ... 34
Tabela 3 - Consumo de Gás Natural (Nm3/h) ... 35
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 Contextualização ... 12 1.2 Justificativa ... 13 1.3 Objetivo Geral ... 13 1.4 Objetivos Específicos ... 13 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 14
2.1 O reator de redução de ferro primário ... 14
2.2 Termodinâmica da redução dos óxidos de ferro ... 15
2.2.1 Equilíbrio Ferro-Oxigênio (Fe-O) ... 15
2.2.2 Hematita ... 16
2.2.3 Wustita ... 17
2.2.4 Magnetita ... 18
2.2.5 Ferro ... 18
2.3 Briquetagem ... 19
2.3.1 Briquetadeira de cilindros rotatórios ... 19
2.3.2 Sistema de secagem de briquetes ... 21
2.4 Sistema de limpeza de gases ... 23
2.5 Aplicação difundida de Gás de Processo – Turbina de Recuperação de Topo ... 23 2.6 Poder Calorífico ... 24 3 METODOLOGIA DE PESQUISA ... 26 3.1 Natureza da Pesquisa ... 26 3.2 Abordagem ... 26 3.3 Métodos ... 26 3.3.1 Identificação ... 26
3.3.2 Funcionamento do Sistema de Secagem ... 28
3.3.3 Análise dos gases ... 29
3.3.3.1 O Analisador a Laser ... 29
3.3.4 Coletas de amostras do gás de processo após o Sistema de Limpeza de Gases e suas Composições ... 31
3.3.5 Poder Calorífico e a Fórmula de Dulong ... 32
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 34
4.1 Cálculos através da Fórmula de Dulong ... 34
4.2 Vazões de gás de processo e calculo da energia que pode ser aproveitada ... 35
4.3 Combustão de Gás Natural e energia fornecida pelo sistema ... 36
4.4 Discussão ... 37
5 CONCLUSÃO ... 37
12
1 INTRODUÇÃO 1.1 Contextualização
Atualmente a siderurgia possui como principal rota de produção de ferro primário o Alto-forno, processo este que já perdura como soberano por mais de 700 anos. Entretanto, esta soberania vem sendo ameaçada, uma vez que o Alto-forno não atende algumas necessidades do mercado atual, como:
• Baixos níveis de emissões de gases poluentes; • Maior eficácia na utilização de resíduos gerados;
• Flexibilidade no uso de matérias-primas alinhado as oscilações do mercado;
• Baixos custos operacionais;
• Flexibilidade de escala de produção.
Analisando este cenário, novas tecnologias de produção de ferro primário fazem frente ao alto-forno atualmente (NOLDIN, 2007, p. 17). Como por exemplo: Tecnored, Oxicup, ITMK3, HISMELT, ROMELT, FINEX, COREX dentre outras. Como consequência a este cenário de maior concorrência entre tecnologias, tanto novas como a antiga tecnologia vêm se aprimorando no que diz respeito a utilização dos resíduos gerados, onde pensamentos inovadores são formados com o objetivo de aprimorar estas tecnologias, no que diz respeito aos itens já comentados acima, em especial a utilização de forma eficaz dos resíduos gerados do processo de fabricação de ferro primário. Dentre os resíduos gerados, o gás residual de processo, conhecido como "Gás de Processo", vem sendo estudado para ser reutilizado dentro do processo. Este trabalho apresenta uma forma de reutilizar este gás, partindo do princípio que o mesmo possui poder calorífico considerável e que após sua combustão, o gás combusto a alta temperatura possa ser utilizado no sistema de secagem dos briquetes. Visando diminuir ou até mesmo extinguir a utilização de gás natural. Obtendo assim, menor custo de fabricação destes briquetes, uma vez que os gastos com a compra de gás natural sejam reduzidos. Além disto, a substituição de gás natural diminui a quantidade de dióxido de carbono produzida pelo sistema como um todo. Uma vez que o gás gerado deverá ser queimado de forma completa após o processo, e o calor
13 gerado desta queima é utilizado para secagem dos briquetes, transformando todo o monóxido de carbono em dióxido de carbono.
1.2 Justificativa
A reutilização do gás residual do processo na substituição do gás natural possibilita vantagens à tecnologia como um todo, como por exemplo:
Menor emissão de dióxido de carbono;
Eliminar a dependência de fornecimento de gás natural;
Diminuir o custo operacional (OPEX) da etapa de secagem dos briquetes;
1.3 Objetivo Geral
Avaliar a possibilidade de substituir o gás natural pelo gás residual do processo de redução de minério de ferro, no sistema de secagem de briquetes.
1.4 Objetivos Específicos
Avaliar a possibilidade de aplicação dos gases provenientes da redução de minério de ferro.
Identificar a formação dos gases provenientes da redução do minério de ferro, como também sua composição
Estudar o Sistema de Limpeza de gases.
Realizar o comparativo entre a energia fornecida para a Câmara de Combustão entre o Gás Natural e o Gás de Processo.
14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 O reator de redução de ferro primário
Atualmente existem diversas tecnologias de redução de minério de ferro, à ferro primário e a tecnologia que será utilizada como exemplo é a Tecnored. Segundo Noldin et al (2002), esta tecnologia brasileira possui alimentação lateral de combustíveis (aglomerados na forma de briquetes combustíveis) e alimentação central de minério de ferro (aglomerado na forma de Briquetes Auto-redutores), onde algumas características de processo são explicadas na Figura 1.
Figura 1 - Forno Tecnored
Fonte: NOLDIN, 2002
A grande maioria dos processos de redução de ferro primário possui o modelo de alimentação e retirada de material muito semelhante ao Processo do Alto Forno, como explica de forma resumida, Noldin et al (2007), este consiste de alimentação de matérias primas pela parte superior do reator. Alimentação de gás atmosférico (ou até mesmo de Oxigênio puro em algumas exceções) em uma, ou duas, regiões de diferentes alturas do reator. Retirada dos gases provenientes da redução pela parte superior do reator, e por fim, retirada de escória e ferro primário (ou até mesmo ferro gusa) pela parte inferior do reator.
15
2.2 Termodinâmica da redução dos óxidos de ferro
Para realizar a redução de óxidos de ferro, são utilizados agentes redutores. Usualmente, são utilizados na metalurgia o Monóxido de Carbono (CO) e o gás Hidrogênio (H2), ou até mesmo uma mistura destes dois gases. A redução
sólido-sólido dos óxidos de ferro via intermediários gasosos, pode ser dividida em quatro principais etapas: formação do monóxido de carbono, redução de hematita para magnetita, redução da magnetita para wustita e a redução de wustita para ferro (NOLDIN, 2002, p.50), através das reações (1) a (4).
C(s) + 1/2O2 =>CO (g) (1)
3Fe2O3 + CO =>2Fe3O4 + CO2(g) (2)
Fe3O4 + CO(g) => 3FeO + CO2(g) (3)
FeO + CO(g) => Fe + CO2(g) (4)
Estas reações somadas a outras são responsáveis por uma enorme geração de gás de processo e este gás residual pode possuir os mais variados tipos de composição, variando conforme a composição das matérias-primas e tipo de reator utilizado para redução dos óxidos de ferro. Entretanto, a composição de alguns compostos, como o monóxido de carbono e o hidrogênio se mantêm praticamente constante na saída do reator como também após o sistema de limpeza de gases.
2.2.1 Equilíbrio Ferro-Oxigênio (Fe-O)
O diagrama de fases Fe-O, que é mostrado na Figura 2, apresenta as fases FexOy . Dentre estas fases, existem seis fases que são denominadas fases condensadas (Rizzo, 1966, p.137). Estas fases são: ferro metálico (onde existe a subdivisão entre: ferro-alfa, ferro-gama e ferro-delta), wustita, magnetita, hematita, ferro líquido e o óxido de ferro líquido.
16
Figura 2 - Diagrama Fe - O
Fonte: RIZZO, H. P.; BROSCH, C. D.; DA SILVA, L. C., 1966
2.2.2 Hematita
Apresenta como composição química Fe2O3 e representa o maior estado de
oxidação do ferro. Assim sendo, de acordo com Machado et al (2002), quando está se apresenta pura, isto é, sem a presença de ganda, corresponde a 69,94% de ferro e 30,06% de oxigênio. Apresenta estrutura hexagonal compacta, e sua cor natural é acinzentada com peso específico aproximado de 5,25t/m3. No Brasil, a Hematita é um dos mais importantes tipos de minério de ferro, principalmente por sua abundância e alta pureza. Além disso, alguns depósitos de baixo grau têm sido tratados de forma eficiente, obtendo uma produção de alta qualidade de concentrados, utilizando principalmente técnicas de flotação e gravimetria.
17 Ainda segundo Machado et al (2002), outro tipo de obtenção da Hematita é através da oxidação da Magnetita, onde esta é apresenta uma única notação estequiométrica, entretanto, possui diferentes tipos de óxidos, que são: Maguemita, γ- Fe2O3, e Hematita, α - Fe2O3. No que diz respeito a redução da Hematita, a diferenciação se faz extremamente importante. Na redução da Hematita (α - Fe2O3) à Magnetita (Fe3O4) ocorre o efeito do crescimento anisotrópico da estrutura de espinélio invertido CFC (cúbica de face centrada), o que normalmente implica em geração de trincas e micro trincas. A superfície resultante desta reação é maior, logo a Magnetita 46 resultante desta reação é mais reativa do que a Magnetita mineral, mas por outro lado, apresenta menor resistência mecânica.
Em análises microscópicas, alguns fatores são observados para diferenciar-se a Maguemita da Hematita. A Maguemita é esdiferenciar-sencialmente circular por diferenciar-ser formada pela oxidação do Ferro metálico solidificado e para identificar as fases Hematita, Magnetita e Wustita são feitas pela forma de como estas refletem a luz incidente, através da incidência de luz polarizada que se direciona para cada amostra.
2.2.3 Wustita
Como abordado por Schenck, Rudolf & Dingmann (1927), a Wustita apresenta estrutura cristalina CFC (cúbica de face centrada), onde o íon de ferro está arranjado nos interstícios octaédricos entre os íons de oxigênio. Quando abaixo de 560ºC, é instável se decompondo em Fe-α + magnetita (4”FeO” ⇒
Fe3O4 + Fe-α). Geralmente a Wustita é representada como "FeO", por
simplicidade de apresentação, mas na verdade a Wustita se apresenta com déficit de ferro, onde o correto seria apresentá-la sempre na forma de FexO, onde X está
nos entornos de 0,95 (Fontini 2000). Na Figura 3, é apresentado o campo como há predominância de Wustita.
18
Figura 3 - Diagrama Wustita - Magnetita - Fe α - Fe β
Fonte: Campo de predominância da Wustita (“FeO”). Adaptado de FORTINI, O. M., 2000.
2.2.4 Magnetita
A Magnetita possui composição química Fe3O4, onde 73,36% é de ferro e
27,64% é de oxigênio, isto quando livre de impurezas. Apresenta cor preta ou de uma forma mais próxima ao cinza escura, possui peso molecular específico de 5.16 t/m3 (Rizzo 1966). Apresenta alta força magnética, onde esta propriedade é utilizada em seus processos de separação. Assim, torna-se possível a sua separação da ganga, ainda nas mineradoras.
2.2.5 Ferro
De acordo com Rizzo e Brosch (1966), o ferro puro pode ser evidenciado
em seu estado metálico (Fe0) até 912ºC na forma alotrópica alfa (α), a partir de 912°C até 1394°C no estado alotrópico gama (γ) e a partir de 1394°C até 1538°C no estado alotrópico delta (δ), e facilmente determinado por análise química. Suas formas alotrópicas são caracterizadas por reticulados cristalinos distintos, onde: o Ferro-α, reticulado cúbico de corpo centrado, o Ferro-γ reticulado cúbico de face centrada e o Ferro-δ, reticulado cúbico de corpo centrado.
19
2.3 Briquetagem
Briquetagem é um processo no qual pequenas partículas de materiais sólidos são prensadas para formar blocos de forma definida e maior tamanho. Este processo pode ser utilizado para a briquetagem de finos de coque, finos de carvão e minérios, por exemplo. Em alguns casos, é necessária a utilização de um aglutinante, onde este tem a função de unir estas pequenas partículas (SIMÕES, 1999, p.4). A quantidade de água adicionada à mistura é sempre superior à quantidade prevista na formulação dos briquetes. A água é alimentada em excesso visando à melhora no desempenho da aglomeração das partículas (GRANDIN et al. 1994), como pode ser visto na Figura 4, após aglomerados, estes materiais encontram-se em um formato específico, que tem como objetivo melhorar a cinética de redução do minério de ferro, dispersar o fluxo gasoso dentro do reator dentre outros fatores que visam otimizar o processo de redução do minério.
Figura 4 – Diferentes formatos de Briquetes
Fonte: KOMAREK, 1991
2.3.1 Briquetadeira de cilindros rotatórios
Provavelmente, é o mais conhecido e aplicado processo para confecção de briquetes, onde o material a ser briquetado é prensado por dois cilindros de diâmetros iguais, girando em direções opostas, à mesma velocidade, conforme exemplificado na Figura 5. O movimento é geralmente efetivado por volantes de
engrenagem com abs superfícies dos cilindr (KOMAREK, 1994, p. um funil ou por uma ro
bsoluto sincronismo e na Figura 6, podem dros possuem várias cavidades com o for p.32). Vale lembrar que o material é carr rosca de alimentação.
Figura 5 – Esquema de Cilindros Rotatórios
Fonte: Chaves, 2012 Figura 6 – Cilindros de briquetagem
Fonte: Rijeza Metalurgia, 1991
20 mos observar que as formato dos briquetes rregado por meio de
21
2.3.2 Sistema de secagem de briquetes
O Sistema de secagem basicamente consiste de uma secadora e uma câmara de combustão, uma vez que a secadora é responsável por retirar a umidade excedente dos briquetes e na Figura 7, é apresentada uma secadora do tipo esteira.
Figura7 – Secadora tipo esteira
Fonte: Buhlergroup, 2014
A umidade excedente a formulação final desejada, como já citado, está ligada ao desejo de aumentar a produtividade de briquetes, visando um menor tempo de mistura dos componentes do briquete. A energia destinada para evaporação desta água excedente é proveniente da passagem contínua de um gás a alta temperatura. Este gás de alta temperatura, por sua vez, é proveniente de uma câmara de combustão, cujo esquema é apresentado na Figura 8 e um exemplo é evidenciado na Figura 9, onde esta câmara deve ser alimentada por um gás de alto poder calorífico, no caso o gás natural.
F
Figura 8 – Esquema de Câmara de Combustão
Fonte: modificado de MORAN et al, 2013 Figura 9 - Câmara de Combustão Industrial
Fonte: http://www.sellermecanica.com.br/
23
2.4 Sistema de limpeza de gases
Este sistema basicamente possui três unidades que podem ser vistas na Figura 10.
Figura 10 – Sistema de limpeza de gases
Fonte: INFOMET, 2014
O coletor de poeiras e o ciclone são responsáveis pela retirada das partículas de maior granulometria, já o separador a úmido, utiliza a aspersão de água para retirada das partículas de menor granulometria. No caso do alto-forno, por exemplo, após o sistema de limpeza de gases, este apresenta em sua composição de 19 a 30% de monóxido de carbono(CO), 14 a 18% de dióxido de carbono (CO2), 3 a 7% de hidrogênio (H2), e aproximadamente 1% de metano
(CH4) e Nitrogênio (N2) completando a composição do gás (NOLDIN, 2002, p. 33).
2.5 Aplicação difundida de Gás de Processo – Turbina de Recuperação de Topo
A Turbina de Recuperação de Topo (TRT) é um sistema que utiliza a pressão de escape e o calor oriundo do alto-forno da siderúrgica como fonte de energia. Neste sistema, o gás de alto-forno produzido durante o processo de redução do minério de ferro é utilizado para a geração de eletricidade (ABRANCHES, 2009, p.40) e esta aplicação, como pode ser vista na Figura 11, é utilizada para grandes alto-fornos, pois é necessária uma grande quantidade de gás e alta pressão após o sistema de limpeza de gases.
2.6 Poder Calorífico Poder Calorífico da unidade de massa fumos da combustão r O Poder Calorífico d independente do fato poder calorífico inclui poder calorífico super (BRIANNE, D. & DO A
Existe uma depe pela quantidade de hi utilizar o poder calorífi da água da umidade levar em consideração pois nos seus gases encontra (vapor ou líq Pode-se estabelecer a e (2) equação.
Onde: qH2O=mH2O fu
L = calor de condensa
Figura 11 – Esquema do sistema TRT
Fonte: ABRANCHES, 2009
co é a quantidade de calor liberada pela c sa (ou volume, no caso de gases) do com o resfriados até a temperatura do combustí de um combustível é o "conteúdo ener o de ser ou não realizada a combustão d luir ou não, calor de condensação da á erior (PCS) ou poder calorífico inferior (PC
AT. J et al. 1985).
pendência entre o poder calorífico superio hidrogênio presente no combustível e na
ífico inferior, visto que o poder calorífico s e do ar e da água gerada na combustã ão especial aqueles combustíveis que con
s de combustão se encontra água, cujo íquido) influi no valor do poder calorífico. (K r a relação entre o PCS e PCI,de acordo c
PCS - PCI = qH2O (1) fumos x L sação da água a 18ºC. 24 combustão completa ombustível, sendo os stível (18 ou 25ºC). ergético" do mesmo, do mesmo.Quando o água é chamado de PCI), respectivamente
rior e o inferior regido a prática é preferível superior inclui o calor tão. Então, devem-se ontenham hidrogênio, jo estado em que se KOLLMANN, 1959). com as equações (1)
25 Pode-se então descrever:
PCS - PCI = mH2Ofumos X L (2)
Em todos os processos técnicos somente interessa o poder calorífico inferior, porque o calor de condensação do vapor d'água contido nos gases de combustão não é utilizável.
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3 METODOLOGIA DE PESQUISA 3.1 Natureza da Pesquisa
A pesquisa foi conduzida como um estudo de caso. Segundo Yin et al (2005), o estudo de caso investiga um fenômeno contemporâneo dentro de seu contexto e baseia-se em várias fontes de evidências, com os dados precisando convergir em um formato triângulo. A coleta e análise destes dados devem fomentar proposições teóricas. A pesquisa foi realizada em uma usina de produção de ferro primário. A produção de ferro primário tem como resíduo do reator de redução, o Gás de Processo, proveniente das reações de redução de minério de ferro a ferro e uma das peculiaridades deste gás é a presença de monóxido de carbono em sua composição de forma estável. Foram coletadas diversas amostras do gás de processo para análise quantitativa e qualitativa destas amostras com o objetivo de identificar a composição química deste gás. Foram coletadas as vazões de gás de processo e gás natural. O estudo se aplica ao potencial calorífico deste gás e sua aplicação, uma vez que foi avaliado que o mesmo pode substituir o gás natural como combustível de uma câmara de combustão, dentro do sistema de secagem dos briquetes.
3.2 Abordagem
A abordagem foi quantitativa, pois o estudo se refere a um cenário real.
3.3 Métodos
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.
27
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
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]
34
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Cálculos através da Fórmula de Dulong
Utilizando os valores de poder calorífico na Tabela 2, pode-se estimar o poder calorífico do gás de processo aplicando a Fórmula de Dulong.
Tabela 2 - Poder de Combustão
Fonte : http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/podercalorifico.php
Uma vez que o produto da combustão do gás hidrogênio é a água e nosso combustível é constituído pelo gás hidrogênio com um valor acima de 1% (então, não será desprezado), deve-se utilizar o Poder Calorífico Inferior pois o calor de condensação do vapor d'água contido nos gases de combustão não é utilizável. Sendo assim, pode-se calcular o Poder Calorífico o mais próximo do real.
Cálculo do Poder Calorífico Inferior do gás de processo. PCIGás= 0,0245 x H2 + 0,2481 x CO
PCI Gás = 0,0245 x 2582,89 + 0,2481x 3016,08
PCIGás = 819,915 Kcal/Nm³
Onde:
PCI = Pode Calorífico Inferior [Kcal/Nm³]; H2 = Teor do gás H2;
CO = Teor do gás CO.
Poder Calorífico das Substâncias Puras
Substância Fórmula Massa
Molecular
Poder Calorífico
Superior Inferior Superior Inferior Superior Inferior
kcal/kg kWh/kg kcal/Nm³ Carbono C 12,01 7.819,00 7.819,00 9,09 9,09 4192,24 4192,24 Hidrogênio H2 2,02 33.900,00 28.642,00 39,4 33,29 3057,05 2582,89 Monóxido de Carbono CO 28,01 2.412,00 2.412,00 2,8 2,8 3016,08 3016,08 Enxofre S 32,06 2.210,00 2.210,00 2,57 2,57 3163,06 3163,06 Gás Sulfídrico H2S 34,08 3.939,00 3.631,00 4,58 4,22 5992,91 5524,31 Amônia NH3 17,03 5.364,00 4.439,00 6,23 5,16 4078,08 3374,83 Metano CH4 16,04 13.249,00 11.940,00 15,4 13,88 9487,23 8549,89
35
4.2 Vazões de gás de processo e calculo da energia que pode ser aproveitada
Realizou-se a coleta em 15 dias distintos da vazão de gás de processo, para que fosse determinada a média das vazões, onde pode ser visto na Tabela 3.
Tabela 3 - Consumo de Gás Natural (Nm3/h)
Nº Amostra Vazão de Gás de Processo[103x Nm3/h] 1 20,8 2 22,6 3 23,4 4 23,3 5 14,3 6 12,2 7 16,6 8 16,4 9 18,6 10 19,4 11 15,4 12 18,8 13 19,1 14 19,4 15 20,1 Fonte: Elaborado pelo Autor
Com estes dados, foi calculado que a vazão média de gás de processo é 18951,4 Nm3/h. Utilizando o poder calorífico do gás de processo, calculado anteriormente, estima-se a energia que pode ser fornecida por este gás a Câmara de Combustão.
Energia Possível de ser Fornecida = Vazão de Gás de Processo x Poder Calorífico
36 Energia Possível de ser Fornecida = 15 538 537,131 Kcal/h
4.3 Combustão de Gás Natural e energia fornecida pelo sistema
Durante 15 dias distintos foram coletadas vazões de gás natural pela câmara de combustão, como mostrado na Tabela 4.
Tabela 4 - Consumo de Gás Natural (Nm3/h)
Fonte: Elaborado pelo Autor
Assim, a vazão média de Gás Natural consumida pela Câmara de Combustão é 469,41 Nm3/h. Sabe-se que o pode Calorífico do Gás Natural é
9400,00 Kcal/Nm³, então estima-se a quantidade de energia de energia fornecida pelo Gás Natural após sua combustão.
Energia Fornecida = Vazão Consumida x Poder Calorífico Energia Fornecida = 469,41 x 9400
37
4.4 Discussão
Primeiramente, realizou-se uma coleta do gás proveniente da redução do Minério de Ferro, logo após o Sistema de Limpeza de Gases, assim, seria garantido que o gás não possuiria material particulado, onde este poderia danificar os equipamentos da Câmara de Combustão e Secadora.
Após a Coleta, as amostras retiradas foram analisadas quimicamente para determinação da composição do gás, após identificada a presença significativa do Monóxido de Carbono (CO), foi levantada a dúvida com relação ao poder calorífico deste gás. Feito isso, foi realizado um Brainstorming sobre o assunto, onde foi levantada a hipótese de utilização do mesmo pela câmara de combustão, visando utilizar o gás combusto como fonte de energia. Para a determinação do Poder Calorífico, foi estipulado o uso do Poder Calorífico Inferior, pois o gás apresenta teor relativamente considerável de gás hidrogênio (H2) em sua
composição e este possui como produto de reação a água, sendo que a mesma posteriormente "sequestra" energia do sistema para entrar em ebulição. Assim, não se pode contar com toda a energia fornecida pela queima do gás hidrogênio.
5 CONCLUSÃO
Por meio deste estudo foi possível chegar a conclusão de que é possível realizar a substituição do Gás natural completamente pelo Gás de Processo,mesmo o Poder Calorífico do Gás de Processo sendo 10 vezes menor do que o Poder Calorífico do Gás Natural utilizado na Câmara de Combustão (PCIGás de processo = 819,915 Kcal/Nm³ e PCIGás Natural = 9400,00 Kcal/Nm³). Isto só é
possível pois a geração de Gás de Processo (Vazão de saída após o Sistema de Limpeza de Gases) é 40 vezes maior do que a Vazão necessária de Gás Natural para alimentar a Câmara de Combustão. Portanto, o baixo poder calorífico do Gás de Processo, se comparado ao Gás Natural, é compensado pelo enorme volume que este gás é gerado.
Do ponto de vista econômico, o seguinte estudo também trouxe benefício. De acordo com a fornecedora de gás natural, COMGÁS, a câmara de combustão que encontrava-se na faixa de consumo de 300 000,00 à 50 000,00 m3 de gás por mês, possuía o valor fixo mensal de R$46346,73, valor este que será reduzido ao valor mínimo de R$177,74 pois o consumo de gás natural será necessário apenas
38 para o funcionamento da chama de ignição da câmara de Combustão. Assim sendo, garantindo que sejam poupados mensalmente R$46168,99.
Concluiu-se que se obteve resultado satisfatório através do desenvolvimento deste trabalho, pois foi identificado que o gás proveniente do reator possui Poder Calorífico expressivo e poderá gerar redução de custo com a compra de Gás Natural.
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