Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP
Escola de Minas
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Campus Morro do Cruzeiro
Ouro Preto - Minas Gerais – Brasil
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA METALÚRGICA
“NOVOS PROCESSOS E APLICAÇÕES PARA O BIOGÁS NA
METALURGIA”
Raimundo Antero da Silva Júnior
Raimundo Antero da Silva Júnior
“Novos processos e aplicações para o biogás na metalurgia”
Monografia apresentado ao Curso de Engenharia Metalúrgica da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro Metalurgista
Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, que me sustentou em toda caminhada e me deu forças para trabalhar e buscar sempre algo a mais.
Aos meus queridos pais, Raimundo e Josefina, que são à base da minha formação, fonte de amor incondicional, apoio e esperança.
Aos meus irmãos, Wanderson e João Paulo, as minhas tias, Geralda, Rita e Ana, aos meus avós, Maria, José e Almerita, pela importante e amável presença em minha vida. Aos ensinadores do DEMET, em especial ao professor Paulo Santos Assis pela orientação, apoio e paciência.
RESUMO
A problemática do setor energético brasileiro, enfocada especificamente na ausência de critérios técnicos por parte dos tomadores de decisão para a implantação de infra-estruturas fundamentais para a melhoria da eficiência energética do país. Observa-se a importância crescente do gás natural na maioria das matrizes energéticas dos países, sejam eles desenvolvidos ou em desenvolvimento, motivados pela dispersão da utilização do gás natural em comparação com o petróleo, também, pressões das entidades ambientais que são favoráveis à utilização de uma fonte energética mais limpa. Esse trabalho consiste na premissa de geração gás, Metano até o Pentano, a partir de resíduos animais com a utilização de biodigestores a fim de aplicá-los nos processos metalúrgicos. Evitando assim grandes investimentos para construção de poços de exploração de gás natural (especialistas afirmam que entre a descoberta de um campo de exploração e sua efetiva operação há um período de desenvolvimento e construção que leva entre sete e dez anos) e também controlar a emissão de gases de efeito estufa, pois sabe-se que o CH4 é 24 vezes pior do que o CO2. Baseado nos efetivos de animais de
pequeno, médio e grande porte e considerando a possibilidade de criação desses animais em confinamento, pode-se gerar um gás denominado biogás, esse gás pode ser transformado em gases de redução CO e H2 e aplicado em processos metalúrgicos como
ABSTRACT
It should be observed that Natural Gas Consumption is worldwide increasing; one reason is that environment pressurizes its use, because it generates fewer problems for the nature. If Oil or Natural Gas is used, than the GHG effect will be less for the first. In case of Brazil, there is additional problem that we do not have enough Natural Gas for using in many applications, mainly in Metallurgy field. For instances, in our Country we have only one Direct Reduction Plant that uses Natural Gas. It is responsible for less than 3 % of all primary metal that is produced in Brazil. This paper consists on the premises that from Methane till Pentane from animals manures can be obtained from anaerobic digestion, then this gas can be employed in metallurgical process. This avoids big investment for natural gas exploration and by nature this one spends from 7 till 10 years to be used, after it was discovered. This idea can control the GHG Effect because the Methane production is 24 times worst than CO2. Now, based on the amount of big,
medium and low animals in Brazil and if all of them can be confined, then a big amount of manure can be produced, then from CH4 till C5H12 can be produced from their
manures and transformed in CO and H2, afterwards these will be used in the known
I
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS ... II LISTA DE TABELAS ... III LISTA DE SILGAS ... IV
1. INTRODUÇÃO ... 1
2. OBJETIVO ... 4
3.1.1 Ferro-gusa ... 5
3.1.2 Principais divisões do alto-forno ... 7
3.1.3 Processo de redução do óxido de ferro ... 8
3.1.4 Principais divisões térmicas do alto-forno ... 9
3.2 Injeção de material pulverizado em alto-forno ... 9
3.2.1 Principais vantagens de injeção de carvão em alto-forno... 9
3.2.2 Efeito sobre a temperatura de chama ... 11
3.2.3 Balanço de massa... 12
3.2.4 Balanço térmico ... 2
3.2.5 Efeito das variáveis ... 15
3.3 Redução direta ... 18 3.3.1 Processo de redução a gás ... 19 3.3.2 Gás natural ... 21 3.3.2.1 Reservas de gás natural ... 22 3.3.2.2 Produção de gás natural ... 22 3.3.2.3 Consumo de gás natural ... 23 3.3.3 Reforma de gás natural ... 24 3.4 Biogás ... 28 3.4.1 Biodigestor ... 29
3.4.2 Composição média do biogás ... 31
3.4.3 Poder calorífico do biogás ... 31
3.4.4 Potencial de geração de biogás a partir de excrementos animais ... 32
3.4.5 Funcionamento do biodigestor ... 33 3.4.5.1 Localização ... 33 3.4.5.2 Dimensionamento do biodigestor ... 33 3.4.5.3 Instalação ... 36 3.4.6 Gasômetro ... 37 4. METODOLOGIA ... 38 5. RESULTADOS OBTIDOS ... 39
5.1 Potencial de geração de biogás brasileiro ... 39
5.2 Consumo de carvão mineral injetado em altos-fornos no Brasil ... 41
5.3 Taxa de injeção máxima de biogás em altos-fornos ... 41
5.4 Biogás destinado a redução direta ... 42
5.5 Crédito de carbono... 44
6. CONCLUSÃO ... 47
II LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Gráfico das fontes energéticas...2
Figura 1.2 - Gráfico com a divisão da matriz energética brasileira... Figura 3.1 - Vista interna e nomenclatura utilizada para a descrição de um alto-forno...7
Figura 3.2 - Relação entre a freqüência de arriamentos e a temperatura de chama.12 Figura 3.3 - Efeito da temperatura de sopro na temperatura de chama...16
Figura 3.4 - Efeito do enriquecimento do ar em oxigênio na temperatura de chama...16
Figura 3.5 - Efeito da injeção de carvão pulverizado na temperatura de chama...18
Figura 3.6 - Efeito da injeção de gás natural na temperatura de chama...18
Figura 3.7 - Planta de redução direta, processo MIDREX: a) produção de ferro esponja ou ferro primário “DRI” (direct reduction iron), b) produção de briquete “HBI” (hot briquette iron)...19
Figura 3.8 - Efeito do teor de CO2 contido no gás natural, no fluxo de gás no reformador...26
Figura 3.9 - Efeito do teor de CO2 contido no gás natural, no carregamento térmico do reformador...26
Figura 3.10 - Efeito do teor de CO2 contido no gás natural, no consumo de gás natural...27
Figura 3.11 - Esboço de um sistema de biodigestão...30
Figura 3.12 - Planta de topo de escavação...35
Figura 3.13 - Gasômetro CST de capacidade de 80.000 m3...37
Figura 5.1 - Gráfico do efetivo de animais versus a capacidade de geração de biogás por dia...41
III LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Composição química típica dos principais ferros-gusa comerciais...6
Tabela 3.2 - Reservas mundiais de combustíveis fósseis...10
Tabela 3.3 - Efeito de cinco tipos de injeção em parâmetros do alto-forno, baseado em modelo matemático...10
Tabela 3.4 - Propriedade do gás natural em função da sua composição...24
Tabela 3.5 - Parâmetros do balanço de massa e energia...24
Tabela 3.6 - Reações de reforma...25
Tabela 3.7 - Composição do biogás...30
Tabela 3.8 - Potencial de geração de biogás a partir de excremento animal...31
Tabela 3.9 - Cálculo da produção de biogás...32
Tabela 3.10 - Procedimento para cálculo de volume de carga...33
Tabela 3.11 - Preço da manta de PVC...34
Tabela 3.12 - Dimensões do biodigestor...32
Tabela 5.1 - Potencial de geração de biogás por animal...40
Tabela 5.2 - Plantas de redução direta no mundo...44
IV LISTA DE SILGAS
AF – alto-forno
CC – crédito de carbono
DRI – direct reduction iron (ferro esponja)
GCO2e – Geração equivalente de CO2 por tonelada de gusa com injeção de biogás
(kg/tgusa)
HBI – hot briquette iron (briquette) ICP – injeção de carvão pulverizado Pag – produção anual de gusa
PCIBG – poder calorífico inferior do biogás
PCIGN – poder calorífico inferior do gás natural
Tie – Ganho equivalente de CO2 por tonelada de gusa, devido a injeção de biogás
TRH – tempo de retenção hidráulica (dias) VB – volume do biodigestor (m3)
VBGR – volume de biogás remanescente
VC – volume da carga [dejetos + água] (m3/dia) Vcc – Valor monetário do crédito de carbono, €/t CO2e
VMR – volume de metano remanescente
1 1. INTRODUÇÃO
Devido ao estágio e grau de desenvolvimento da sociedade, é impossível imaginar o mundo sem o uso do aço. A produção de aço é um forte indicador do estágio de desenvolvimento econômico de um país, pois o seu consumo cresce proporcionalmente à construção de edifícios, execução de obras públicas, instalação de meios de comunicação e produção de equipamentos. Os materiais provenientes desse sistema de produção já se tornaram corriqueiros no cotidiano, porém, fabricá-los exige técnica que deve ser renovada constantemente, por isso o investimento contínuo das siderúrgicas em pesquisa (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2010).
A problemática do setor energético brasileiro, enfocado especificamente na ausência de critérios técnicos por parte dos tomadores de decisão para a implantação de infra-estruturas fundamentais para a melhoria da eficiência energética do país. Observa-se a importância crescente do gás natural na maioria das matrizes energéticas
Estudos indicam que as reservas de gás natural do Brasil são da ordem de 800 bilhões de metros cúbicos e que essa quantidade seria suficiente para abastecer o país pelos próximos 50 anos, contudo, as reservas exploradas são de apenas 37,5 %, devido à falta de investimentos no setor. Enfim, causando uma falta de gás natural para ser utilizado em muitas atividades, principalmente no campo metalúrgico (REDAÇÃO TERRA, 2010).
A demanda energética mundial indica que as fontes de energia não-renováveis estão quase totalmente exauridas, já as fontes de energia renováveis estão sendo consumidas a uma taxa elevada. Porém os avanços da tecnologia no campo energético vêm proporcionando alternativas economicamente, ambientalmente e tecnicamente viáveis, de acordo com figura 1.1, como: energia solar, nuclear, hidrelétrica e biomassa, por exemplo, (MEENAKSHI, 2008).
2 Figura 1.1 - Gráfico das fontes energéticas. Adaptado (MEENAKSHI, 2008)
A importância dos combustíveis da biomassa para o abatimento do carbono lançado na atmosfera como CO2, CO e CH4 é reconhecida pelas nações que participam das reuniões
internacionais relativas ao clima. Propostas de modalidades de incentivo ao uso da biomassa nos países em desenvolvimento, com compensações a cargo dos países industrializados, têm sido apresentadas, mas ainda não se chegou a consenso sobre a questão, apesar do reconhecimento geral do agravamento do efeito estufa. A queda do preço do petróleo, a partir de meados da década de 80, favorecendo o transporte internacional de mercadorias, contribuiu fortemente para o aumento da emissão dos gases de efeito estufa em todos os setores da atividade produtiva, tanto pela emissão por veículos de transporte quanto pelo consumo de combustíveis fósseis na indústria. Entretanto, com o agravamento e intensificação das discussões acerca dos problemas ambientais é previsível o retorno e ampliação do uso da biomassa (vide figura 1.2) energética, particularmente no Brasil.
A agricultura e a pecuária contribuem para as emissões antrópicas de gases de efeito estufa, como metano (CH4), monóxido de carbono (CO), óxido nitroso (N2O) e óxidos
de nitrogênio (NOx). O aumento da concentração desses gases na atmosfera tem sido
3 O Brasil possuía o maior rebanho comercial de gado do mundo em 2007 segundo o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos - USDA (United States Department of Agriculture). Portanto, o país cria a possibilidade de geração de biogás, metano até o pentano, a partir de resíduos animais com a utilização de biodigestores a fim de aplicá-los nos processos metalúrgicos. Evitando assim grandes investimentos para construção de poços de exploração de gás natural (especialistas afirmam que entre a descoberta de um campo de exploração e sua efetiva operação há um período de desenvolvimento e construção que leva entre sete e dez anos) e também controlar a emissão de gases de efeito estufa.
4 2. OBJETIVO
Gerais:
Este trabalho teve por objetivo desenvolver um primeiro estudo de uso de biogás na produção de ferro gusa e ferro esponja na siderurgia.
Específicos:
Fez-se uma breve revisão bibliográfica sobre os processos de produção em altos-fornos e plantas de redução direta, geração de gás em biodigestor.
Verificou-se a disponibilidade de gás produzida a partir de resíduos dos animais quadrúpedes para o seu emprego nos processos de redução direta e alto-forno.
Definiu-se a quantidade de gás que poderia ser usada em altos-fornos para a substituição de carvão mineral como elemento de injeção.
Definiu-se o volume de gás a ser usado em reformadores de gás para o seu emprego na redução direta.
Estimaram-se os possíveis créditos de carbono que poderiam ser obtidos a partir da substituição de gás natural, carvão mineral e carvão vegetal por biogás.
5 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Alto-forno
O alto-forno é um reator metalúrgico que opera em regime de contracorrente, isto é, a carga sólida (pelota, sínter, minérios, fundentes, coque ou carvão vegetal) descende ao longo do reator, enquanto que o fluxo gasoso ascende desde a zona de combustão até o topo do forno, provocando interações térmicas, físicas e químicas mutuamente.
O bom desempenho de um alto-forno está forte e intimamente ligado à boa qualidade das matérias-primas e do bom controle do processo, principalmente no descreve a distribuição dos gases e distribuição da carga ao longo da operação. Alterações na permeabilidade da carga, por exemplo, advindas da crepitação, deterioração e segregação dos componentes da carga, alteram as dimensões e posicionamento da zona coesiva, modificam a distribuição radial do fluxo gasoso e o descimento da carga sólida, na zona de preparação. Mudanças na permeabilidade da carga, por sua vez, afetam as distribuições de gases e de líquidos, e, por conseguinte, os perfis de temperatura e o fluxo de gotejamento de gusa e de escória; e por carona, a intensidade de desgaste do revestimento refratário do cadinho (SILVA et al., 2008).
3.1.1 Ferro-gusa
Ferro primário produzido em altos-fornos é a principal matéria-prima para a fabricação do aço. No mundo, de todo o ferro primário produzido, 80% são de ferro-gusa.
A produção de ferro gusa ocorre a partir da redução dos óxidos presentes no minério de ferro através da ação do carbono presente no combustível adicionado a carga total do alto-forno que reage com ar quente injetado através das ventaneiras e produz gás redutor CO, que irá reduzir a carga metálica no alto-forno.
São basicamente três classes de insumos carregados em um alto-forno: minérios (ferro, manganês), fundentes (calcário, sílica) e carvão (vegetal ou mineral).
A redução se processa em altas temperaturas, à medida que o minério desce em contra-corrente aos gases redutores que ascendem o reator. Esses gases, provenientes da combustão parcial do carbono, gerando CO e da dissociação da água, gerando H2, são
6 pré-aquecido e o carbono de termo-redutor. O processo de redução resulta na formação de escória, gás de alto-forno, poeira, além do produto principal, ou seja, ferro-gusa. A composição química do ferro-gusa produzido é função da qualidade das matérias-primas carregadas no alto-forno e das condições de processamento. As matérias-matérias-primas e os combustíveis contêm gangas e elementos indesejáveis, cuja remoção é feita ao longo de diversas etapas de processamento siderúrgico, via fase gasosa, caso do CO e H2, ou, na maioria dos casos, por meio da escória (SILVA et al., 2008).
Segundo a INTERNATIONAL PIG IRON ASSOCIATION, o mercado de ferro gusa compreende três tipos principais: o ferro-gusa básico, usado principalmente na produção de aços em aciarias elétricas; o ferro-gusa utilizado na fabricação de peças de ferro fundido cinzento, também conhecido como ferro-gusa de fundição e o ferro-gusa nodular, que é utilizado na fabricação de ferro fundido dúctil. O ferro-gusa contém pelo menos 92% Fe e elevados teores de C e outros elementos conforme análise típica mostrada pela tabela 3.1.1.
Tabela 3.1 - Composição química típica dos principais ferros-gusa comerciais (INTERNACIONAL PIG IRON ASSOCIATION, 2009).
Tipo de gusa % Si % Mn % P % S % C Aciaria máx. 1,5 % 0,5 – 1,0 % máx. 0,12 % máx. 0,05 % 3,5 – 4,5 %
Fundição 1,5 – 3,5 % 0,5 – 1,0 % máx. 0,12 % máx. 0,05 % 3,5 – 4,5 %
7 3.1.2 Principais divisões do alto-forno
As principais divisões dos altos-fornos podem ser observadas de acordo com a Figura 3.1 e serão descritas abaixo:
Figura 3.1 - Vista interna e nomenclatura utilizada para a descrição de um alto-forno (SILVA et al., 2008)
CADINHO: tem forma cilíndrica e sua função é coletar o gusa e a escória à medida que se formam. É geralmente revestido com blocos de C (que tem boa condutibilidade e baixo coeficiente de dilatação).
RAMPA: tem forma tronco-cônica; é a zona de fusão dos materiais. Pode ser revestida de refratário sílico-aluminoso (existem numerosas fileiras de caixas de resfriamento em cobre), ou em grafita (usa-se o resfriamento externo por meio de chuveiros, devido à vantagem de menor manutenção e resfriamento mais uniforme).
Inclinação: altos-fornos modernos ≅ 76 a 82o.
VENTRE: região cilíndrica sobre a rampa. Em alguns perfis de altos-fornos não há ventre, a rampa unindo-se diretamente a cuba.
8 descida, mas devido à formação da escória e a conseqüente propensão à criação de depósitos, que tenderiam a se agarrar às paredes.
GOELA: revestida internamente de placas de desgaste que protegem o refratário (42 a 44% Al2O3) do impacto da carga durante o enfornamento.
TOPO: é a parte superior do forno que se localizam os dispositivos de carregamento (cones: grande e pequeno; distribuidor e suportes da ponte de “skips”), os de saída de gases e as plataformas de acesso a todos esses equipamentos. VENTANEIRAS: é através delas que o ar pré-aquecido é soprado.
Posição: ≅ 3 m do fundo do cadinho
Número: Altos-fornos grandes (10 a 14 m de diâmetro): 30 a 38 Material: cobre eletrolítico
GENERADORES (COWPERS): utiliza-se uma parte dos gases que saem dos altos-fornos para pré-aquecer o ar, antes de enviá-lo às ventaneiras; com isso, obtém-se uma considerável economina de combustível sólido (CANDIDO, 2006).
3.1.3 Processo de redução do óxido de ferro
O minério de ferro, o agente redutor (coque ou carvão vegetal) e os fundentes (calcário ou dolomito), descem em contracorrente em relação aos gases, provenientes da queima do C com o oxigênio do ar aquecido soprado pelas ventaneiras.
Durante o aquecimento, a composição dos integrantes da mistura vai se alterando (secagem e calcinação) até realizarem-se as reações de redução, quando o oxigênio combinado com o Fe do minério, passa sob a forma de óxidos de carbono, a fazer parte dos gases.
9 Os gases devem ceder o seu calor sensível aos materiais carregados e o seu poder de
redução deve ser utilizado ao máximo, no interior do forno.
O alto-forno pode ser considerado como um trocador de calor e de materiais entre a carga descendente, inicialmente sólida, depois pastosa e mais tarde, líquida e o gás redutor, que sobe em contracorrente (CANDIDO, 2006).
3.1.4 Principais divisões térmicas do alto-forno
Pode-se dividir o alto-forno em três partes térmicas basicamente:
Na primeira parte, a temperatura cresce de 200 oC a 800-1000oC, a carga perde sua umidade e inicia-se a calcinação dos carbonatos e a redução dos óxidos de Fe; Na segunda parte, no final da cuba e início da rampa, é completada a redução; o
material torna-se plástico e depois fluido, e o gusa e a escória começam a gotejar através do coque;
OBS.: O Ferro (Fe) puro funde a 1535oC; ao absorver Carbono (C) esta temperatura decresce até o eutético, a 1153oC.
Na terceira, ocorre a combustão do coque diante das ventaneiras e a separação da escória que sendo mais leve, flutua sobre o gusa no cadinho (CANDIDO, 2006). 3.2 Injeção de material pulverizado em alto-forno
A injeção de material pulverizado, por exemplo, a injeção de carvão pulverizado (ICP), em altos-fornos tem com objetivo a redução do custo do gusa, existem outras vantagens mas a vantagem mais relevante é a que tange a economia de combustível (ASSIS, 1993).
3.2.1 Principais vantagens de injeção de carvão em alto-forno
I - Para empresas que possuem déficit de coque é vantajoso, economicamente, adquirir carvão e prepará-lo para injeção em relação à aquisição de coque;
10 III - A injeção elimina o investimento em coqueria para empresas que pretendem aumentar a produção de gusa. Segundo GATHERGOOD uma tonelada de coque obtida em um coqueria nova custa US$ 250 dólares/t enquanto que uma tonelada de carvão pulverizado custa em torno de US$ 70 dólares/t. Para uma taxa de substituição de 0,85 (para cada kg de carvão injetado economiza-se 0,85 kg de carvão do topo), a ICP leva a uma economia de cerca de US$ 168/t, em relação ao coque;
IV - Com a ICP pode-se utilizar carvões de baixo custo e não coqueificáveis, com teores de cinza de até 18%. As reservas de antracito e lignita são elevadas como mostra tabela 3.2;
Tabela 3.2 - Reservas mundiais de combustíveis fósseis (ANP, 2010)
Combustíveis Unidade Reserva Produção (ano) Vida Útil (ano)
Carvão Mt 1.017.679 4.503 226
Petróleo Mbarril 1.300.000 28.800 45,2
Gás Natural Mm3 187.000.000 3.000.000 62,3
V - A injeção de carvão, devido ao seu efeito refrigerante, leva a um abaixamento da temperatura de chama. Desejado então, manter a temperatura de chama nos níveis normais é necessário aumentar a temperatura de sopro, reduzir a injeção de vapor, enriquecer o ar soprado com o oxigênio. Os efeitos das injeções de combustíveis sobre a temperatura de chama e “coke-rate” são mostrados na tabela 3.3;
O efeito combinado da injeção de carvão, aumento da relação minério/coque, supressão do vapor injetado, juntamente com o aumento da temperatura de sopro, ocorre uma diminuição do consumo de coque e aumento da produtividade (ASSIS, 1993).
Tabela 3.3 - Efeito de cinco tipos de injeção em parâmetros do alto-forno, baseado em modelo matemático. Adaptado (ASSIS, 1993)
Parâmetro Unidade Valor
Alteração na Temperatura de chama oC Alteração no “coque-rate” (kg/t)
Injeção pelas ventaneiras
11
2 – Antracito kg/t gusa +100 -162 -91,0
3 - Carvão volátil kg/t gusa +100 -218 -76,1
4 – Óleo kg/t gusa +100 -321 -98,4
5 - Gás Natural kg/t gusa +100* -513 não existe
Continuação tabela 3.3
Parâmetro Unidade Valor
Alteração na Temperatura de chama oC Alteração no “coque-rate” (kg/t)
Sopro
1 – Umidade g/Nm3 +10 -58 +7,7 2 – Temperatura OC +100 +83 -15,5 3 - EO2 % +1 +54 -1,4 Legenda da tabela 3.3:EO2: enriquecimento do ar em oxigênio * ou + 132 Nm3/t gusa
** consumo específico de carvão vegetal enfornado 3.2.2 Efeito sobre a temperatura de chama
A temperatura de chama (Tch) é, por definição, a temperatura na qual os gases saem da
zona de combustão. Esta temperatura é calculada através de balanços de massa e térmico da zona de combustão. Normalmente, neste cálculo são consideradas condições adiabáticas, ou seja, as perdas térmicas não são levadas em conta. Desse modo, a temperatura de chama calculada é sempre maior que a real (ASSIS, 1993).
Na realidade, quando se controla a temperatura de chama calculada, controla-se a temperatura de chama real, existindo entre elas uma diferença que permanece aproximadamente constante ao longo do tempo.
O controle da temperatura de chama calculada ou real é de grande importância na operação do alto-forno. Seu valor afeta os níveis térmicos no interior desse reator real e com isso tem influência sobre:
Temperatura do gusa e escória;
12 De acordo com a figura 3.2, pode-se visualizar a importância da temperatura de chama para evitar problemas de escoamento gasoso, esse gráfico mostra a freqüência de arriamentos de carga “versus” temperatura chama.
Figura 3.2 - Relação entre a freqüência de arriamentos e a temperatura de chama (ASSIS, 1993)
3.2.3 Balanço de massa
De acordo com o princípio de conservação de massa, aplicado à zona de combustão do alto-forno, estabelece que:
ENTRADA MASSA = SAÍDA MASSA
Com a utilização desse princípio para o carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, nas diversas formas em aparecem, permite determinar as quantidades de CO, H2 e N2, que
deixam a zona de combustão, em função do volume e composição do ar soprado e da taxa de injeção e composição química do carvão pulverizado. A referência adotada para especificar o volume de ar e a taxa de injeção arbitrária, podendo ser Nm3, e kg por tonelada de gusa ou por hora. Entretanto, deve-se lembrar que a referência usada para o volume de ar deve ser a mesma utilizada para a taxa de injeção (ASSIS, 1993).
Considerações:
1 - Gases na saída: CO, H2 e N2
2 Referências:
1 - Tonelada Gusa
2 - Hora
3.2.4 Balanço térmico
O estabelecimento do balanço térmico se baseia no princípio de conservação de energia. No desenvolvimento do balanço térmico são feitas as seguintes considerações:
I) Não ocorrem perdas térmicas, ou seja, a zona de combustão é adiabática. Desse modo, a temperatura calculada será superior, à real, entretanto, isto não representa um grande inconveniente, pois ambas servem como referência para operação do forno. Normalmente, o que se deseja é manter constante a temperatura de chama, (ASSIS, 1993);
II) O carbono do combustível, que é carregado no topo, chega à zona de combustão, aquecido. Sua temperatura uma fração de temperatura de chama. Isto é razoável, pois o aquecimento do carbono é feito pelos gases que são gerados na zona de combustão. Nos cálculos, adota-se uma temperatura do carbono equivalente a 70% da temperatura e chama, ambas, expressas em Kelvin. Esta relação é baseada em estudos de petrografia de coque, colhido na região das ventaneiras do alto-forno (ASSIS, 1993).
III) Os voláteis do combustível carregado no topo são totalmente liberados durante o seu percurso no forno até a zona de combustão (ASSIS, 1993).
Baseando-se nestas suposições e tomando como referência à temperatura de 298K, podem-se listar as entradas e saídas de calor da zona de combustão. Tem-se:
ENTRADA DE CALOR = SAÍDA DE CALOR
Entradas de calor:
• Calor de resfriamento do ar da temperatura de sopro até 298K;
• Calor de resfriamento do carbono carregado pelo topo até 298K;
• Calor da reação exotérmica.
14
C
(s)+ ½ O
2= CO
(g)Saídas de calor:
• Calor de aquecimento dos gases, que saem da zona de combustão, de 298K até a temperatura de chama;
• Calor de decomposição da umidade do ar e do carvão injetado:
H
2O
(g)= ½ O
2+ H
2(g)• Calor de vaporização da umidade do ar e do carvão injetado:
H
2O
(l)= H
2O(g)• Calor de decomposição dos voláteis do carvão injetado
CO
2(g)= C
(s)+
O2(g)CH
4(g)= C
(s)+ 2
H2(g)O equacionamento de cada uma das parcelas de entrada e saída de calor, a partir dos resultados do balanço de massa, permite obter uma expressão para cálculo da temperatura de chama, em função da temperatura de sopro, umidade e enriquecimento do ar em oxigênio, taxa de injeção de carvão pulverizado (ASSIS, 1993).
A estimativa da temperatura de chama, poder ser obtida através da seguinte expressão: Tchama = 1267,9 + 0,9742Ts + 57,64 E – 7,146U – 2 TICP (1)
Tchama = temperatura de chama (OC)
TS = temperatura de sopro do ar (OC)
E = enriquecimento do ar em oxigênio (%) U = umidade do ar (g/Nm3)
15 A expressão (1), fornece os valores de temperatura de chama com uma precisão de cerca de 10°C (ASSIS,1993).
As faixas de validade da expressão (1) são:
• Temperatura de sopro: 600 a 1300°C;
• Enriquecimento do ar em oxigênio: 0 a 3%;
• Umidade do ar: 0 a 30g/Nm3;
• Taxa de injeção de carvão pulverizado: 0 a 200 kg/tonelada de gusa.
Para obtenção dos valores acima foram considerados ainda os seguinte parâmetros:
• Volume de ar: entre 1200 a 1400 Nm3/t de gusa.
• Composição do carvão injetado: 4% de umidade, 70% de carbono fixo e 25% de voláteis;
• Composição dos voláteis (em massa): 41% de CO, 37% de CO2, 11,9% H2 e 10,1%
CH4.
Caso algum destes valores seja alterado, as constantes que aparecem na expressão (1) também devem sofrer modificações. É claro que um modelo de cálculo da temperatura adiabática de chama deveria ser desenvolvido para cada caso, considerando todos os parâmetros e variáveis acima como dados de entrada do modelo. Na ausência desde modelo, a equação poderia ser usada, evidentemente tendo em vista as limitações citadas (ASSIS, 1993).
3.2.5 Efeito das variáveis
Os efeitos da temperatura de sopro, umidade assim como, umidade e enriquecimento do ar em oxigênio e da taxa de injeção de carvão pulverizado sobre a temperatura de chama são vistos nas figuras 5, 6, 7 e 8.
16 Desse modo, o aumento em uma das parcelas de entrada de calor, implica, necessariamente, em uma elevação na saída de calor. A parcela que é elevada é o calor de aquecimento dos gases que saem da zona de combustão e isso se dá através de um aumento de temperatura destes gases, como pode ser verificado na figura 3.3.
Figura 3.3 - Efeito da temperatura de sopro na temperatura de chama (ASSIS, 1993)
17 Figura 3.4 - Efeito do enriquecimento do ar em oxigênio na temperatura de chama
(ASSIS, 1993)
Como a injeção de carvão a injeção de carvão provoca uma redução das entradas e um aumento nas saídas de energia, para se continuar obedecendo ao princípio de conservação de energia deve ocorrer uma queda na temperatura de chama. Vide figura 3.5.
Figura 3.5 - Efeito da injeção de carvão pulverizado na temperatura de chama (ASSIS, 1993)
18 Figura 3.6 - Efeito da injeção de gás natural na temperatura de chama
(CANDIDO, 2006)
3.3 Redução direta
O nome redução direta provém da possibilidade de produção de aço ‘diretamente’ do minério de ferro, sem a produção do produto intermediário ferro-gusa.
A vantagem da redução direta está, acima de tudo, na produção direta de ferro-esponja sólido, independente do forno ou processo usado: forno de cuba, técnica de leito fluidizado, forno rotativo, forno de soleira rotativa ou método de redução por fusão. Apesar da maioria do aço ser produzido em altos-fornos e convertedores, a redução direta, combinada com fornos elétricos, tem se tornado muito importante.
No processo do alto-forno, o gás redutor é produzido no próprio forno a partir do coque enquanto o processo de redução direta utiliza gás natural, que é transformado em gás redutor, em uma unidade de "reforming" fora do forno de redução.
Plantas de redução direta são uma alternativa promissora ao método clássico de fabricação de aço para países sem suprimento de carvão coque.
No processo de redução direta, ferro-esponja sólido (também chamado "ferro diretamente reduzido" ou DRI) é produzido removendo-se o oxigênio do minério. As
19 técnicas de redução direta variam de acordo com os agentes usados e dos recipientes metalúrgicos no qual a redução é feita. Hoje em dia, processos diretos de redução são tipicamente classificados de acordo com os agentes redutores e incluem:
Processo de redução a gás;
Processo de redução com agentes redutores sólidos. 3.3.1 Processo de redução a gás
O processo de redução direta, utilizando gás natural como redutor, que será comparado com o alto-forno a carvão vegetal, é, hoje, a principal tecnologia em uso no mundo. Essa tecnologia é responsável por mais de 90% dos projetos de redução direta no mundo (MIDREX, 2005). Existem dois concorrentes principais para fornecimento dessa tecnologia: MIDREX e HyLSA. Particularmente, está sendo baseada a análise no processo MIDREX que é responsável por 2/3 dos projetos de redução direta no mundo,veja figura 3.7 (MIDREX, 2005).
Figura 3.7 - Planta de redução direta, processo MIDREX: a) produção de ferro esponja ou ferro primário “DRI” (direct reduction iron), b) produção de briquete “HBI” (hot briquette iron) (MIDREX, 2005)
No processo, os óxidos de ferro, na forma de pelotas ou de granulados, são carregados no topo do forno vertical (ou forno de cuba) através de um silo. À medida que o minério desce por gravidade dentro do forno de cuba, é aquecido e reduzido (o oxigênio é retirado do ferro) pelos gases em corrente ascendente, a uma temperatura entre 760º C e 930º C e com alta concentração de H2 e CO. Esses gases reagem com o Fe2O3 do
20 minério de ferro e o convertem em ferro metálico, liberando H2O e CO2 (MENEZES,
2007).
Uma diferença importante entre a redução direta e o processo convencional no alto-forno é que, no primeiro caso, se produz ferro sólido, enquanto que, no alto-alto-forno, se produz ferro no estado fundido. Por isso, as temperaturas no alto-forno são consideravelmente mais altas. O alto-forno que opera em lotes, esse processo permite um sistema de alimentação contínua no forno elétrico com a alimentação de até 100% da carga metálica necessária (MENEZES, 2007).
Operando de forma contínua, a energia é economizada. Ao manter a temperatura constante, é melhorada a transferência de calor do banho e as reações metalúrgicas acontecem mais rapidamente (MENEZES, 2007).
Além do hidrogênio ‘puro’ outro agente redutor empregado é o gás constituído pela mistura entre o CO e o H2 obtido da reforma do gás natural (praticamente CH4) com
vapor d’água segundo: CH4 + H2O = 3 H2 + CO
Essa reação, endotérmica, conjuntamente com a reação seguinte: CH4 + CO2 = 2 H2 + 2 CO
Também são usadas para explicar a regeneração de parte do gás já utilizado.
O hidrogênio ‘puro’ só é economicamente viável como redutor quando o preço do metal compensar o seu alto custo; o gás natural já tem emprego garantido na indústria e, por isto, só é usado como insumo na redução direta quando se dispõe dele em abundância. As limitações de disponibilidade de carvão coqueificável, a possibilidade de aproveitamento de outros tipos de agentes redutores, o desejo de se trabalhar com flexibilidade e escalas reduzidas de produção são aspectos tecnológicos e econômicos que contribuíram para o desenvolvimento deste processo principalmente, no caso do ferro.
21 como redutores; o W e o Mo
(
metais com ponto de fusão muito elevado),
são produzidos pela redução com hidrogênio.3.3.2 Gás natural
O gás natural pode ser definido como uma mistura de hidrocarbonetos leves que, sendo constituída em sua maior parte de metano, permanece no estado gasoso à temperatura ambiente e pressão atmosférica, (CONPET, 2010). Na natureza, ele é encontrado em rochas porosas no subsolo, podendo estar associado ou não ao petróleo. Normalmente, apresenta baixos teores de contaminantes, como nitrogênio, dióxido de carbono e compostos de enxofre. Sendo mais leve que o ar, o combustível dissipa-se facilmente na atmosfera em casos de vazamento.
O gás natural é uma alternativa ao petróleo e, conseqüentemente, de grande importância estratégica. Suas reservas provadas são significativas, o que permite o consumo mundial por pelo menos 65 anos (PBGÁS, 2010), além de estarem dispersas em mais de 90 países. Ressalta-se ainda que o gás natural é o combustível fóssil mais limpo e mais seguro, com um custo de produção baixo.
Em linhas gerais, a cadeia produtiva do gás natural pode ser dividida em cinco atividades interligadas: exploração, produção, processamento, transporte e distribuição. O gás natural apresenta diversas vantagens em relação aos demais combustíveis, principalmente no que se refere ao meio ambiente. Ele é um produto com presença reduzida de contaminantes. Seu processo de queima gera baixo teor de óxido de enxofre, fato que não ocorre com os demais combustíveis, o que o torna isento da produção de particulados, tais como cinza e fuligem.
Além disso, como ele é um gás leve, dispersa-se na atmosfera mais rapidamente em casos de vazamentos sem a necessidade de indução mecânica. BERMANN (2002), ressalta que em substituição aos demais combustíveis fósseis, o gás natural provoca uma grande redução nas emissões de gás carbônico (aproximadamente, 32% menos que o óleo combustível e 41% menos que os combustíveis sólidos como o carvão).
22 no descobrimento do poço durante a pesquisa. Com a utilização do gás natural apesar de todas as vantagens desse combustível em comparação ao petróleo, não ocorre alteração na matriz energética, ou seja, continua-se a dependência dos combustíveis fósseis não-renováveis. Ora, o proposto nesse trabalho é justamente essa mudança de fonte energética reforçando o papel da biomassa e conseqüentemente da bionergia como alternativa futura, não tão distante.
3.3.2.1 Reservas de gás natural
Em 2009, as reservas provadas mundiais de gás natural somaram 187,5 trilhões m³, registrando um crescimento de 1,2% em comparação com os valores do ano anterior. As reservas localizadas nos países da Opep, que concentraram 48,7% do total, apresentaram crescimento, entre 2008 e 2009, de 1,1%, somando 91,2 trilhões m³ neste ano.
Entre 2008 e 2009, o Brasil registrou crescimento de 0,6% das reservas provadas de gás natural, chegando a 366 bilhões m³. O País está em 39º lugar na lista dos detentores de reservas provadas de gás natural.
Os países que concentraram a maior parte das reservas provadas de gás natural do mundo foram: Rússia, Irã e Catar, que responderam por 23,7%, 15,8% e 13,5% do total de reservas provadas, respectivamente. A Arábia Saudita, maior detentora de reservas de petróleo, foi o quinto país (atrás do Turcomenistão) no ranking de reservas provadas de gás natural, com 4,2% do total (ANP, 2010).
3.3.2.2 Produção de gás natural
Em 2009, a produção mundial de gás natural alcançou 3 trilhões m³, apresentando queda de 2,4% em relação a 2008. Os países da Opep tiveram crescimento de 1,2% em sua produção, enquanto os não-Opep caíram 3,1%. A participação da Opep passou de 16,4% para 17%.
23 maior produtora de gás natural do mundo em 2009, quando atingiu 973 bilhões m3 (32,5% do total mundial).
A produção também decresceu nas Américas Central e do Sul (2,3%) e na África (4,9%). A América do Norte e a região Ásia-Pacífico cresceram 1,4% e 4,9%, respectivamente (ANP, 2010).
O Brasil, com uma produção de 21,1 bilhões m³, registrou uma queda de 2,1% comparativamente a 2008, subindo para a 29ª posição entre os maiores produtores mundiais de gás natural. Os Estados Unidos produziram o maior volume de gás natural registrado em 2009 (19,8% do total), seguido da Rússia (17,6%) e do Canadá (5,4%) (ANP, 2010).
3.3.2.3 Consumo de gás natural
O consumo mundial de gás natural foi de 2,9 trilhões m³ em 2009, 2,3% a menos que em 2008. Os consumos das diferentes regiões do mundo, de acordo com a ordem de importância, foram: Europa e ex-União Soviética (36% do total mundial, com consumo 7% menor que em 2008, sendo que 13,3% correspondeu à Rússia, segundo maior consumidor mundial); América do Norte (27,6% do total, com 1,5% de decréscimo em relação a 2008, sendo que 22% referem-se somente aos Estados Unidos, maior consumidor mundial); Ásia-Pacífico (16,9% do total, com 3,2% de crescimento em relação a 2008); Oriente Médio (11,8% do total, com consumo 4,1% maior que em 2008, o maior crescimento relativo regional); Américas Central e do Sul (4,6% do total mundial, com decréscimo de 4,5% em relação a 2008); e África (3,2% do total mundial, com consumo 2,2% menor que em 2008).
O consumo de gás natural, assim como o consumo de petróleo, reflete as características econômicas estruturais e conjunturais das diferentes regiões do mundo, mas também é fortemente influenciado pela distribuição geográfica das reservas.
24 3.3.3 Reforma de gás natural
Quando se fala em redução direta logo, se pensa em óxido de ferro, contudo, o gás natural utilizado para reduzir a carga metálica tem tanta importância quanto à matéria prima metálica, provavelmente cause mais efeito no projeto da planta do que o óxido de ferro. Veja na tabela 3.4, algumas propriedades importantes do gás natural em função da sua composição.
Tabela 3.4 - Propriedade do gás natural em função da sua composição. Adaptado (MIDREX, 2010)
Composição Fórmula Poder Calorífico Superior - PCI (kcal/Nm3)
Poder Calorífico Inferior - PCI (kcal/Nm3) Metano CH4 9545 8603 Etano C2H6 16830 15419 Propano C3H8 24205 22324 Butano C4H10 31910 29558 Pentano C5H12 39511 36689 Hexano C6H14 44798 41505 Dióxido de Carbono CO2 0 0 Nitrogênio N2 0 0 Vapor de Água H2O 0 0
Com tratamento adequado, plantas de MIDREX podem usar, praticamente, qualquer gás natural, então não há limite de composição definido. È mais importante discutir sobre os efeitos das diferentes composições de gás natural na planta de redução direta. Um balanço de massa e energia pode ser elaborado em função dos efeitos causados pelas variações de composição do gás natural, os parâmetros considerados podem ser visualizados na tabela 3.5.
25
Parâmetros Constantes Parâmetros Variáveis
Gás reformado %CO2, %CH4 e H2/CO Fluxo de gás
Taxa de produção e Produtos de qualidade Temperatura do gás do processo Recuperação de calor Temperatura do gás de topo Continuação tabela 3.5
Parâmetros Constantes Parâmetros Variáveis
Temperatura do gás reformado Pressão resultante na entrado compressor Utilização (eficiência do forno) %N2 na redução do gás
Pressão na entrada (compressor de gás)
O metano é constituinte primário do gás natural. Tipicamente o gás natural contém 90% ou mais de metano. Um gás natural com 100% de metano seria completamente aceito operacionalmente. Contudo, a maior parte dos gases naturais contém algum etano, propano e butano. Normalmente hidrocarbonetos mais pesados se apresentam em baixas concentrações.
O dióxido de carbono oxidante é um oxidante da reação de reforma e inerte na reação de combustão. A reforma de gás no processo MIDREX é uma reação dos hidrocarbonetos presentes no gás natural com agentes oxidantes (dióxidos de carbono e vapor de água) produzindo monóxido de carbono de acordo com a tabela 3.6.
Tabela 3.6 - Reações de reforma. Adaptado (MIDREX, 2010)
Reação de reforma Entalpia da reação para Metano
CnH2n +2 + nH2O = (2n + 1)H2 + nCO 2198,2 kcal/Nm3 metano
CnH2n +2 + nCO2 = (n + 1)H2 + 2nCO 2637,1 kcal/Nm3 metano
26 Na figura 3.9, pode-se observar que a reforma do gás com CO2 é termodinamicamente
mais favorável do que a reforma com vapor de água. Portanto, o aumento da quantidade de carbono no gás natural provoca um aumento de carregamento energético no reformador. Em um reformador no qual a transferência de calor é limitada, um aumento de 10% do teor de carbono no gás natural resultará em 5% de decréscimo da capacidade do reformador.
Figura 3.8 - Efeito do teor de CO2 contido no gás natural, no fluxo de gás no
27 Figura 3.9 - Efeito do teor de CO2 contido no gás natural, no carregamento
térmico do reformador (MIDREX, 2010)
28 Figura 3.10 - Efeito do teor de CO2 contido no gás natural, no consumo de
gás natural (MIDREX, 2010)
Enfim, a vantagem do aumento do teor de carbono está na redução do volume de gás soprado, exigida pelo sistema, portanto, aumentando a margem de operação do compressor de gás. E as desvantagens estão na redução do poder calorífico do gás natural, é um combustível inerte e precisa ser aquecido até a temperatura do fluxo de gás, reduz a capacidade do reformador e exige alimentação de gás com alto teor de água para atingir determinada razão de H2/CO no gás reformado.
3.4 Biogás
O biogás é um combustível gasoso com conteúdo energético elevado, semelhante ao gás natural, composto principalmente por hidrocarbonetos de cadeia curta e linear. Pode ser utilizado para a geração de energias elétrica, térmica ou mecânica na propriedade rural, contribuindo para a redução dos custos de produção (AGRICULTURA, 2010).
29 são fontes de energia não-renováveis, ou seja, uma vez que são esgotados, não tem volta. Além disso, o carvão e o petróleo são altamente poluidores, contaminam o ar e criam chuva acida quando queimados, contaminam o solo, o mar, os rios e as águas subterrâneas durante o processo de extração e como conseqüência dos freqüentes vazamentos, e produzem os “gases de efeito estufa” que contribuem para o aquecimento global. Como se isso fosse pouco, ainda temos as guerras e conflitos internacionais que são causadas pela briga pelo controle das fontes de petróleo.
Por todas essas razões, é imprescindível para a sustentabilidade do ser humano e do nosso planeta, ampliar o uso das energias renováveis, tais como energia solar, eólica, hidráulica e biomassa. As energias renováveis são provenientes de ciclos naturais de conversão da radiação solar, que é a fonte primária de quase toda energia disponível na terra. Por isso, são praticamente inesgotáveis e não alteram o balanço térmico do planeta. No caso da biodigestão, temos a produção de biogás, um combustível renovável, produzido a partir dos resíduos agropecuários, que são um tipo de biomassa (AGRICULTURA, 2010).
3.4.1 Biodigestor
A busca pelo aumento de produtividade agropecuária leva à análise dos diversos elementos da cadeia de criação para identificar pontos com potencial de melhoria. Tradicionalmente, o esterco animal tem dado pouco ou nenhum retorno para o produtor. Aliás, nos casos de criação concentrada, esse resíduo é um problema grave, freqüentemente atuando como vetor de doenças e contaminando a água e o solo. Entretanto, com o tratamento adequado, o esterco animal pode trazer importantes benefícios para o produtor (WINROCK, 2010).
A tecnologia de digestão anaeróbia, ou biodigestão, permite o aproveitamento integral do esterco animal. Com manejo e instalações adequadas, é possível integrar a biodigestão no processo produtivo da criação animal, proporcionando ao produtor três importantes benefícios:
1) Produção de biofertilizante; 2) Produção de biogás;
30 No biodigestor, o esterco de animais e restos de vegetais são transformados em biofertilizante, valioso adubo orgânico, e em gás metano que pode substituir as fontes de energia necessárias na roça. O biodigestor é o local onde ocorre a fermentação da biomassa; isto pode ser um tanque, uma caixa, ou uma vala revestida e coberta por um material impermeável. O importante é que, com exceção dos tubos de entrada e saída, o biodigestor é totalmente vedado, criando um ambiente anaeróbio (sem a presença de oxigênio) onde os microorganismos degradam o material orgânico, transformando-o em biogás e biofertilizante. A transformação da matéria orgânica em gás é possível pela sua fermentação anaeróbia (sem a presença do ar).
Este processo pode ser dividido em três estágios com três distintos grupos de microrganismos. O primeiro estágio envolve bactérias fermentativas, compreendendo microrganismos anaeróbios e facultativos. Neste estágio, materiais orgânicos complexos (carboidratos, proteínas e lipídios) são hidrolizados e fermentados em ácidos graxos, álcool, dióxido de carbono, hidrogênio, amônia e sulfetos. As bactérias acetogênicas participam do segundo estágio, consumindo os produtos primários e produzindo hidrogênio, dióxido de carbono e ácido acético. Dois grupos distintos de bactérias metanogênicas participam do terceiro estágio, o primeiro grupo reduz o dióxido de carbono a metano e o segundo descarboxiliza o ácido acético produzindo metano e dióxido de carbono.
Apesar de parecer complexo, este processo de fermentação ocorre naturalmente e continuamente dentro do biodigestor, desde que o sistema for manejado corretamente, de acordo com a figura 3.11.
31 O sistema de biodigestão é composto por:
1. Curral ou depósito de esterco;
2. Caixa ou tonel de entrada, onde o dejeto é misturado com água antes de descer para o biodigestor;
3. Tubulação de entrada, permitindo a entrada da mistura ao interior do biodigestor;
4. Biodigestor - revestido e coberto por manta plástica;
5. Tubulação de saída de biofertilizante, levando o material líquido já fermentado à caixa de saída;
6. Tubulação de saída de biogás, canalizando-o para fogão, motor, etc;
7. Caixa de saída, onde é armazenado o biofertilizante até ser aplicado nos cultivos.
3.4.2 Composição média do biogás
A composição do biogás varia de acordo com a natureza da matéria-prima fermentada e ao longo do processo de fermentação, veja tabela 3.7.
Tabela 3.7 - Composição do biogás (WINROCK, 2010)
Gases Percentagem
Metano 55 a 65%
Dióxido de Carbono 35 a 45%
Nitrogênio 0 a 3%
Gás Sulfídrico 0 a 1%
3.4.3 Poder calorífico do biogás
O poder calorífico do biogás varia conforme a composição apresentada de 4.713 a 5.500 kcal (WINROCK, 2010). Em relação a outras fontes de energia, 1 m3 de biogás equivale a:
32 0,45 litros gás de cozinha;
1,5 quilos de lenha;
0,79 litros de álcool hidratado.
3.4.4 Potencial de geração de biogás a partir de excrementos animais
Os dejetos provenientes de vários animais possuem um determinado potencial de geração de biogás por kg de esterco, como mostrado na tabela 3.8.
Tabela 3.8 - Potencial de geração de biogás a partir de excremento animal. Adaptado (WINROCK, 2010)
Espécies m3 de biogás/kg de esterco
Poedeiras 0,1 Frangos de Corte 0,09 Suínos 0,075 Caprinos 0,065 Bovinos de Corte 0,04 Bovinos de Leite 0,049 Codornas 0,049
A maneira como é calculada a produção de biogás pode ser observado na tabela 3.9. Tabela 3.9 - Cálculo da produção de biogás. Adaptado (WINROCK, 2010)
Valor Operação
1 Total de Dejeto /
dia Kg Anotar Valor
2 Total de Biogás /
dia m
3
/dia Multiplicar linha 1 pelo valor de m
3
biogás / kg dejeto da tabela acima para o tipo de animal
3 Total de Biogás /
mês m
3
/mês Multiplicar linha 2 por 30
4 Equivalente em Botijão de Cozinha botijões / mês
Dividir coluna 3 por 33 (33m3 de biogás = 1 botijão de gás de cozinha)
5 Equivalente em
Eletricidade
kwh /
mês Dividir coluna 3 por 0,6 (0,6 m
3
= 1kwh)
33 também, segundo CNPGL (1984) a quantidade de excremento produzido em média por animal é da ordem de 25 kg /dia, logo, pode-se efetivamente calcular o volume de biogás produzido.
3.4.5 Funcionamento do biodigestor
3.4.5.1 Localização
O biodigestor deverá ser localizado de forma, levando em consideração três pontos: fácil acesso do local de acumulo de esterco, fácil acesso aos locais de aplicação do biofertilizante, proximidade ao local de uso do biogás. Em biodigestores de manta, o biogás terá pouca pressão e poderá ser conduzido até, no máximo, 50 metros. Quando for possível, aproveite a declividade natural do terreno para facilitar a carga e a descarga do biodigestor. Instale o biodigestor longe de arvores, pois as raízes, com o tempo poderão crescer e furar o biodigestor. Como medida de segurança, mantenha uma distancia de no mínimo 10 metros entre o biodigestor e quaisquer edificações.
3.4.5.2 Dimensionamento do biodigestor
Existem vários modelos de biodigestores. Os mais simples possuem um único estágio, alimentação contínua e sem agitação. O tempo de retenção dos dejetos depende da capacidade das bactérias em degradar a matéria orgânica. Um método prático de estimar o tamanho do biodigestor é dado pela fórmula abaixo.
VB = VC x TRH
Onde:
VB = Volume do biodigestor (m3)
VC = Volume da carga [dejetos + água] (m3/dia) TRH = Tempo de retenção hidráulica (dias)
TRH é de 35 dias para dejetos de bovinos e suínos, 45 dias para dejetos de caprinos e ovinos, 60 dias para cama de frango
34 Tabela 3.10 - Procedimento para cálculo de volume de carga. Adaptado (WINROCK, 2010) Animal Dejeto por animal (kg) Número de animais Total de dejetos (kg) Proporção de água Volume de água Volume de carga Boi (preso à noite) 7 1 Bezerro (preso à noite) 2 1 Caprino (preso à noite) 0,5 4,5 Suíno (confinado) 4 1,3 Total
VOL. DO BIODIGESTOR = VC (Vol. de Carga) x TRH (Dias de fermentação)
Relação dos materiais necessários
Tonel de plástico (volume igual ao VC);
Manta plástica de revestimento PVC flexível 0,8 mm; Manta plástica de cobertura PVC flexível 1,0 mm;
Tubulação PVC 150 mm para esgoto (branca) para entrada de dejetos e saída de biofertilizante;
Tubulação e conexões PVC 40 mm para água (marrom) para condução do biogás; Caixa de alvenaria ou fibra para armazenamento do biofertilizante.
A tabela 3.11 mostra os preços da manta de PVC em função do dimensionamento do biodigestor.
Tabela 3.11 - Preço da manta de PVC. Adaptado (WINROCK, 2010)
Volume (m3) Área Total (m2) Preço Total (setembro 2005 R$ 17,50/m2)
3 43 R$ 752,00
35
15 99 R$1.732,00
20 127 R$ 2.222,00
30 161 R$ 2.817,00
A caixa de carga poderá ser um tonel de plástico ou um tanque de concreto, dependendo do volume da carga diária. Não se recomenda o uso de tonéis de metal porque enferrujam rapidamente. A caixa de descarga serve também como armazenamento do biofertilizante; recomenda-se dimensioná-lo para três vezes o volume da carga diária. Veja a planta de escavação do biodigestor, mostrada na figura 3.12, onde se pode observar as dimensões da escavação pela planta de topo.
Figura 3.12 - Planta de topo de escavação (WINROCK, 2010)
E tabela 3.12, mostra as medidas de escavação para diversos volumes de biodigestor. Tabela 3.12 - Dimensões do biodigestor. Adaptado (WINROCK, 2010)
Volume Profundidade Comprimento
36 3 1,0 3,5 1,2 3,0 0,7 7 1,0 6,0 2,0 4,8 0,8 15 1,4 7,0 2,5 5,5 1,0 20 1,5 8,0 3,0 6,0 1,0 30 1,5 10,0 3,5 8,0 1,5 3.4.5.3 Instalação
A instalação do biodigestor é extremamente simples, e pode ser executada de acordo com os passos abaixo.
1. Escavar um buraco no solo, com as medidas definidas no passo Dimensionamento; 2. Escavar um buraco menor, na saída do biodigestor, para acomodar o tonel ou caixa de saída de biofertilizante;
3. Abrir a manta plástica de PVC sobre o buraco;
4. Colocar tubos e colar mangas da manta no biodigestor; 5. Fixar o perímetro da manta plástica, enterrando-o; 6. Instalar tubulação de biogás;
7. Iniciar carga.
Atenção: Perigo de explosão
37 Observação: por estar o biogás sob pressão, mesmo havendo pequeno vazamento através da manta, o ar não entrará no interior do biodigestor. De qualquer forma, é importante ficar atento a vazamentos e concertá-los assim que forem detectados.
3.4.6 Gasômetro
Um gasômetro é um equipamento industrial que detém de maneira segura qualquer tipo de gás a uma temperatura constante e com pressão controlada. Geralmente, esses equipamentos industriais são parte de uma grande operação de tubulações, usados principalmente para ajudar a manter a pressão de gás dentro do sistema. No entanto, os gasômetros também são empregados para armazenar o gás para uso posterior.
A idéia de usar esse tipo de máquina vem sendo aplicada desde o início de 1800. Na época, William Murdoch desenvolveu sistemas de iluminação utilizando gás como fonte de energia. Para armazenar o gás necessário, ele desenvolveu um recipiente que pudesse manter o sistema de pressão seguro e que ele pudesse acompanhar o uso do gás com um dispositivo de leitura.
Os tipos de gasômetros simples usam um grande recipiente cheio de gás e água. O gás escoa para o topo do recipiente e da água funciona como um tampão no fundo para manter a pressão. Dois tubos são colocados no interior da instalação, destinados a empurrar gás e forçar o gás a escapar para fora do recipiente. Ao ajustar a quantidade de água dentro do reservatório, o gás é empurrado para fora do sistema de tubulação. O gás pode ser recarregado em um recipiente, que se move novamente para cima.
O primeiro projeto de gasômetro foi desenvolvido durante o século 20. A principal vantagem deste sistema é que a pressão é mantida a um nível que permite que o gás circule a uma velocidade muito rápida. Basicamente, assim que o gás está passando dentro do sistema, ele fluirá do recipiente para o local necessário quase imediatamente.
38 Figura 3.13 - Gasômetro CST de capacidade de 80.000 m3 (ARCELLORMITAL,
2010)
4. METODOLOGIA
Nesta pesquisa as metas a atingidas dizem respeito à introdução a projetos que tangem as áreas de energia, siderurgia e mitigação de problemas ambientais.
O trabalho proposto é inédito no mundo no tocante ao aproveitamento de gás na siderurgia. Logo, a contribuição aqui detalhada, pretende-se iniciar com uma revisão bibliográfica mais extensa no que tange aos processos Redução Direta com ênfase no sistema de reforma de gás, assim com o alto-forno e resposta a injeção de gás através das ventaneiras. Quanto à logística e custos de produção do gás, foram levantados dados atualizados e feita uma primeira analise critica dos mesmos. Salientando, que um trabalho adicional é feito com enfoque nas capacidades de gasômetros e estudos de possíveis usos dos resíduos gerados no biodigestor.
De posse de dados brasileiros, com relação aos efetivos de quadrúpedes, assim como a geração de matéria-prima (esterco) e, também previsão de geração do gás de interesse, estimar-se-á uma distribuição de gás para altos-fornos e possíveis unidades de redução direta que poderiam ser implementadas em alguns distritos nacionais, que porventura ofereçam as condições que viabilizem tais processos.
39 A estimativa no caso de altos-fornos é feita, considerando o potencial de produção atual de ferro-gusa a coque no Brasil, a taxa de injeção máxima de biogás nos altos-fornos, bem como o estudo de um reformador usando o biogás, ao invés do gás natural.
Do potencial total do gás, é feito a distribuição volumétrica do gás, considerando os limites determinados anteriormente para altos-fornos, apenas levando em conta a temperatura de chama. Assim, a quantidade remanescente de gás é levado a um reformador e estudada a quantidade de biogás a ser usada para produzir o mínimo de gás na produção de ferro esponja.
Finalmente são elencados alguns fatores e variáveis importantes neste processo inédito no mundo para uso do biogás na siderurgia. Entre eles, a questão do setor energético, o emprego no campo, o desmatamento e finalmente os possíveis créditos de carbono que poderiam ser originados com o advento deste projeto.
5. RESULTADOS OBTIDOS
5.1 Potencial de geração de biogás brasileiro
A partir dos dados contidos na tabela 5.1, pôde-se calcular o potencial de geração de biogás em função dos efetivos animais do Brasil.
Tabela 5.1 - Potencial de geração de biogás por animal. Adaptado (SILVA JUNIOR et al, 2010).
Espécie m3 de biogas/kg esterco Esterco gerado
Bovino 0,045 25kg/dia, por 500 kg peso vivo
Suíno 0,075 4,5kg/dia, por 100 kg de peso vivo
Galinha 0,09 0,031kg/dia, até o abate em 42 dias
Adicionalmente, considerando os dados abaixo, tem-se:
Efetivo de Bovinos: 199.752.014 cabeças de gado (IBGE, 2010);
Efetivo de Suínos: 34.064.019 de suínos (IBGE, 2010);
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BIOGÁS GERADO BOVINO = 199.752.014 x 25 x 0,045 = 224.721.015,8 m3/dia (1)
BIOGÁS GERADO SUÍNO = 34.064.019 x 4,5 x 0,075 = 11.496.606,4 m3/dia (2)
BIOGÁS GERADO GALINHA = 1.244.260.918 x 0,031 x 0,09 = 3.471.487,9 m3/dia (3)
Portanto, a capacidade total considerada, representada pela equação (4), de geração de biogás é obtida através do somatório das equações (1), (2) e (3). E, a equação (5) é obtida considerando-se 350 dias de produção.
BIOGÁS GERADO = 239. 689.110,1 m3/dia (4)
BIOGÁS GERADO = 239. 689.110,1 x 350 = 83.891.188.535 m3/ano (5)
Considerando a composição média de 60 % de metano, tem-se que a produção de metano a partir de biogás proveniente de bovinos, dado pela equação (6), é de:
Metano: 60% (média) tabela 3.7.
METANO GERADO = 239.689.110,1 x 0,6 = 143.813.466,1 m3/dia (6)
A quantidade de metano gerado por ano pode ser obtida, de acordo com a equação (7), considerando-se uma média de produção por ano de 350 dias:
METANO GERADO = 239.689.110,1 x 0,6 x 350 = 50.334.713.121 m3/ano (7)
41 Figura 5.1 - Gráfico do efetivo de animais versus a capacidade de geração
de biogás por dia (SILVA JUNIOR et al, 2010)
5.2 Consumo de carvão mineral injetado em altos-fornos no Brasil
Consumo de carvão mineral (Cons. de Carvão), injetado em altos-fornos no Brasil, pode ser estimado (equação 8), considerando uma taxa de injeção média de 150 kg/t de gusa, assim como, uma produção anual de gusa de 30 milhões de toneladas a coque (ASSIS, 2010)
CONS. DE CARVÃO = 150 (kgcarvão/tgusa) x 30.000.000 (tgusa) = 4.500.000 tcarvão/ano (8)
5.3 Taxa de injeção máxima de biogás em altos-fornos
Nessa etapa, calcula-se a quantidade máxima de biogás que poderá ser injetada para substituição do carvão mineral importado, em altos-fornos. Aqui o ideal seria proceder a um balanço térmico da zona de combustão, para verificar a substituição do carvão pulverizado. Uma alternativa para este cálculo seria determinar a quantidade máxima de biogás que poderia ser injetado no alto-forno, substituindo 100 % o carvão mineral (considerando 60 % carbono fixo, 20 % CO2, 5 % H2O). Calcula-se o volume de gás
CO + H2 (considerando aqui a soma dos CO, H2 dos voláteis e depois, determina-se a
