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- 1. ANÁLISE EXERGÉTICA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE FERRO GUSA EM ALTOS-FORNOS: OPORTUNIDADES DE REDUÇÃO DE EMISSÃO DE GASES DE EFEITO ESTUFA CLAUDIO SILVA DE SOUSA ORIENTADOR: PROFESSOR DR. RODOLFO JESUS RODRIGUES SILVÉRIO 06.02.2010
- 7. Economia Fonte: IABr 2010 Fonte: www.sindifer.com.br CAPACIDADE INSTALADA INTEGRADA 30.000.000,00 71% NÃO INTEGRADA 12.000.000 29% 42.000.000,00 tgusa NÚMERO DE FORNOS 154
- 8. Meio Ambiente Fonte: MME, 2009 Brasil - Matriz energética
- 9. Meio Ambiente Brasil - Emissões de GEE - geral
- 10. Meio Ambiente Fonte: IEA, 2007 Brasil - Emissões de GEE - Indústria
- 11. Meio Ambiente
- 18. LAYOUT DE UMA USINA SIDERÚRGICA
- 19. PROCESSO E REAÇÕES QUÍMICAS
- 20. REAÇÕES
- 24. DADOS OPERACIONAIS CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS DO ALTO-FORNO ESTUDADO ITENS Produção 300t/dia H útil 15,800 m Diâmetro do cadinho 3,400 m Volume útil 139 m 3 Número de ventaneiras 10 Diâmetro das ventaneiras 90 mm Regeneradores Glendon Volume de escória 120 kg/tgusa Basicidade da escória 0.92 Vazão de ar 11000-13000 Nm 3 Temperatura da coroa 600 o C Pressão de sopro 6,0 - 7,0 mca Consumo de carvão/tgusa 550kg Consumo de coque /tgusa 86kg Consumo de minério 1500kg
- 35. VARIÁVEIS TERMODINÂMICAS Input unidade quantidade Carvão vegetal (cinza) kg/tgusa 669,148 Minério de ferro kg/tgusa 1110,141 Pelotas kg/tgusa 277,535 Granito t/tgusa 18,396 Dolomita t/tgusa 59,786 Ar Nm3/tgusa 1.122,46 Sucatinha de ferro kg/tgusa 183,958 Energia Elétrica kWh/tgusa 0,064 Água Resfriam. m3/tgusa 15,000 Output unidade quantidade Ferro Gusa kg 1000 Escória kg/tgusa 100 Pó de balão kg/tgusa 50 Gás de alto-forno Nm3/tgusa 1780 Sucatas do lingotamento kg/tgusa 20,000 Sucatas do tamboreador kg/tgusa 30 Início Fim Componentes do sistema Temperatura Componentes do sistema Temperatura Carvão vegetal 298 K Gusa Líquido 1623 K Minério de ferro - Hematita 298 K Escória de alto-forno 1623 K Pelotas 298 K Gás de alto-forno 460 K H 2 O - Umidade da carga 298 K Pó e lama de alto-forno 460 K Ar 298 K Sucatinha 298 K Granito 298 K Dolomita 298 K
- 36. Dados Termodinâmicos Análise Química do Carvão Vegetal Carbono Fixo Matérias voláteis Cinzas Umidade 69,93 21,70 4% 5,40 Análises químicas do minério de ferro Fe Mn P Al 2 O 3 SiO 2 CaO 67,66 0,05 0,01 0,77 2,26 0,040 Análises químicas das pelotas Fe Mn P Al 2 O 3 SiO 2 CaO 65,54 0,1 0,032 2,70 2,76 2,80 Análise química do granito SiO 2 Al 2 O 3 90 0,4 Análise química da dolomita CaO MgO 37,45 13,50
- 37. Dados Termodinâmicos Teores dos elementos no ferro gusa Si Mn P C S Fe 0,25 0,07 0,05 4,50 0,02 95,11 Teores dos elementos da escória do alto-forno (%) Al 2 O 3 SiO 2 MgO CaO MnO FeO 15,87 45 4,3 32,06 0,36 2,41 Teor dos elementos constituintes do pó e lama do AF Mn P C Fe Al2O3 SiO2 CaO 0,45 0,05 27,5 59,84 2,15 8,01 2 Composição do gás de alto-forno CO H2 H2O CH4 N2 CO2 22,15 5,46 9,88 1,02 46,73 14,76
- 41. Balanço de energia DATA 11.01.2009 RESULTADOS Balanço Energético em um alto-forno Calores positivos Valor(kcal/tgusa) Calores negativos Valor (kcal/tgusa) 1)Calor sensível do ar úmido (T=1053K): 1)Calor de vaporização da umidade da carga(T=373K) 1.1)Ar seco 274.059,73 1.1)Vaporização da umidade do carvão vegetal 72267,99 1.2)Umidade do ar (8g/Nm3) 6.796,95 1.2)Vaporização da umidade do minério de ferro 0,00 2)Calores de formação do CO, CO 2 e CH 4 do gás de alto-forno(T=460K) 1.3)Vaporização da umidade do ar insuflado 4849,01 1.4)Vaporização da umidade da dolomita 0,00 2.1)CO 21.373,71 2)Entalpia do gusa(T=1300K) 2.2)CO2 12.625,83 2.1)Δ H(Fe) 205549,79 2.3)CH4 2.343,21 2.2)Δ H(Si) 726,07 3)Entalpia da combustão do carbono do carvão vegetal 2.287.269,61 2.3)Δ H(Mn) 83,89 4)Entalpia da redução da hematita 44.394,84 2.4)Δ H(P) 181,51 2.5)Δ H(C) 23349,93 2.6)Δ H(S) 43,28 2.7)Δ HDissolução(P) -0,47 2.8)Δ HDissolução(Si) -2,75 2.9)Δ HDissolução(C) 19,35 3)Entalpia da escória(T=1623K) 54,16 4)Entalpia da reação de Boudouard(T=298K) 1.002.748,73 5. Perdas 1.338.993,39 TOTAL 2.648.863,88 TOTAL 2.648.863,87 Eficiência energética 0,49
- 43. Balanços de exergia DATA: 11.01.2009 Dia 1 RESULTADOS Balanço de Exergia em um alto-forno ENTRADAS/ INPUTS Exergia em MJ/tgusa SAÍDAS/OUTPUT Exergia em MJ/tgusa Carvão Vegetal 24016,87727 Gusa 8380,452922 Minério 72,88132832 Escória 1283,854968 Pelotas 29,94054313 Pó de alto-forno 294,4289011 Ar 278,4717133 Gás de alto-forno 10731,21145 Granito 0,52303001 Destruição dia 1 3711,505444 Dolomita 2,759800998 TOTAL 24401,45369 TOTAL 24401,45369 Eficiência exergética 0,34 DATA: 28.08.2008 Dia 2 RESULTADOS Balanço de Exergia em um alto-forno ENTRADAS/ INPUTS Exergia em MJ/tgusa SAÍDAS/OUTPUT Exergia em MJ/tgusa Carvão Vegetal 20893,54039 Gusa 7074,038644 Minério 60,77636333 Escória 1284,62366 Pelotas 41,33234896 Pó de alto-forno 294,4289011 Ar 232,047536 Gás de alto-forno 10731,21145 Granito 0,458774586 Dolomita 2,331356518 Destruição dia 2 1846,184114 TOTAL 21230,48677 TOTAL 21230,48677 Eficiência 0,33
- 44. Análise dos resultados Inputs de exergia no dia 2 e 1
- 45. Análise dos resultados Output de exergia no dia 2 e 1
- 47. Análise de dados Comparação entre os dias 1 e 2
- 48. Emissões evitadas Dia 1 Dia 2 Emissões 515.673,34 448.611,31 Perdas de exergia 4.851,86 1846,184114 diferença 3.005,68 Emissões evitadas 67.062,03 tCO2/ano Consumo (kg C/tgusa) Emissão (tCO 2 /tgusa) Dia 11 468,40 1.412,793 Dia 29 407,49 1.229,075
Notas do Editor
- Saudações, meu nome é Claudio Silva de Sousa, sou Engenheiro Metalurgista, defendo um estudo com o tema aqui apresentado para obtenção do título de mestre em Eficiência Energética. Peço permissão para agradecer ao Dr. Estéfano Vieira pelo aceite ao convite para fazer parte desta banca bem como aos demais. Agradeço também ao orientedor professor Rodolfo pela parceria. Este trabalho foi conduzido em um alto-forno a carvão vegetal localizado aqui no Espírito Santo e pode ser também aplicado para a produção de gusa a coque. E o fato de que uma operação com maior eficiência exergética reduz as emissões de gases de efeito estufa foi adotado como premissa inicial do trabalho. Cito mais tarde outras relevâncias da pesquisa mas de imediato gostaria de ressaltar que a siderurgia a carvão vegetal brasileira vem, desde a década passada, enfrentando fortes pressões dos órgãos para uma atuação correta em relação aos poluentes ambientais e sempre foi bastante criticada pelas práticas não sustentáveis de consumo de madeira para produção de agente redutor. Recentemente a prática de produção de ferro gusa via carvão vegetal vem sendo avaliada como aquela que mais poderia se aproximar de um modelo suficientemente sustentável. A metodologia da análise exergética tem sido cada vez mais utilizada, sendo que sua aplicação se encontra mais avançada em países europeus que primeiro sofreram os problemas da escassez de recursos.
- Através da aplicação dos conceitos de primeira e segunda lei da termodinâmica efetuar análise exergética o que irá permitir avaliar o efeito da qualidade dos inputs no consumo de carbono e no comportamento operacional do forno e assim possibilitar análise de redução destes inputs e identificando as oportunidades de redução de emissões de gases de efeito estufa.
- Na busca de conhecer todas as publicações possíveis sobre o assunto realizaram-se pesquisa exaustiva nos principais sites, revistas, universidades e instituições nacionais e internacionais de assuntos referentes as palavras chave, ferro gusa, alto-forno, carvão vegetal, siderurgia, termodinâmica, exergia, gás de efeito estufa. Esta pesquisa também auxiliou na identificação da metodologia a ser seguida e os dados operacionais e termodinâmicos necessários para aplicação e execução do modelo.
- A pesquisa é importante pois abrange as esferas acima apresentada. Vou ressaltar a questão do consumo de cv, sustentabilidade e redução de emissões e mdl
- A matriz energética brasileira é a mais limpa do mundo Segundo o professor Luiz Pinguelli Rosa 45% da energia brasileira é de fonte renovável (destaque para a biomassa e a hídrica que nos coloca em uma condição diferenciada perante ao mundo). FRANÇA -78% • JAPÃO – 34% • REINO UNIDO- 22% • USA - 20% • BRASIL: 2,0%
- Não existem muitas pesquisas com relação ao tema proposto porém existe uma série de publicações conceituais e teóricas que disponibilizam metodos para realizar o estudo proposto. Há também aplicações em outros processos industriais como em caldeiras, termoelétricas, construção civil, etc. Porém convém ressaltar que o estudo realizado por Nogami é importante pois é uma comparação com o processo de redução de minério de ferro via coque e a produção via a carvão vegetal. Este estudo abrange o processo integrado desde a fabricação dos agentes redutores (coque em coqueria e carvão vegetal em fornos de carbonização) bem como todos os principais inputs de energia nos sistemas siderúrgicos. A figura
- A formação dos gases no interior do alto-forno se origina pelas principais reações de redução do minério de ferro pelo agente redutor (carvão vegetal ou coque) nas diferentes regiões do reator. Minério de ferro e fundentes são carregados pelo topo do alto-forno e descem pelo efeito da gravidade. Ar quente injetado pelas ventaneiras do alto-forno dá origem a uma região denominada raceway onde ocorre a reação de combustão: oxigênio reagindo com o carbono do carvão gerando o gás CO2 e calor. Monóxido de carbono é gerado com a reação do carbono contido no carvão da carga em descendência pelo CO2 liberado, reação esta conhecida como bourdoard ou reação de formação do gás redutor. A partir daí, gás redutor reduz o oxigênio do minério de ferro reduzindo a Fe e impurezas.
- De posse da revisão bibliografica já realizada estas seriam as princiáis ações a serem exploradas durante a execução desta pesquisa
- Como a primeira lei da Termodinâmica lida com a quantidade de energia e afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, a segunda lei da termodinâmica trata da qualidade de energia que está sujeita à degradação durante um processo como resultado da entropia produção [1].
- A siderurgia como qualquer outra atividade em uma sociedade moderna só é possível com o uso intensivo de uma ou mais formas de energia. Os equipamentos industriais e sistemas transformam formas de energia e uma parte dela sempre é perdida para o meio ambiente durante esse processo. Nosso desafio é otimizar os processos para que esta perda seja sempre mais reduzida possível. Por exemplo: uma lâmpada transforma a eletricidade em luz e calor. Como o objetivo da lâmpada é iluminar, uma medida da sua eficiência é obtida dividindo a energia da luz pela energia elétrica usada pela lâmpada. Da mesma forma pode-se avaliar a eficiência de um automóvel dividindo a quantidade de energia que o veículo proporciona com o seu deslocamento pela que estava contida na gasolina originalmente.
- Novas alternativas em redução de emissão de gases de efeito estufa são desafios para a comunidade científica brasileira. Estudos comprovam que apesar de em 15 anos as emissões brasileiras cresceram 62% (entre 1990 e 2005),
- O GRÁFICO APRESENTA A CONTRIBUIÇÃO DE CADA COMPONENTE DE ENTRADA DE EXERGIA NO SISTEMA. Observamos uma grande diferença para as exergias de entrada do carvão vegetal , em relação ao minério de ferro e demais insumos
- O GRÁFICO APRESENTA A CONTRIBUIÇÃO DE CADA COMPONENTE DE ENTRADA DE EXERGIA NO SISTEMA. Observamos uma grande diferença para as exergias de entrada do carvão vegetal , em relação ao minério de ferro e demais insumos
- Quanto maior o consumo específico de carvão maior a perda de exergia
- Uns dos maiores desafios atuais é aumento da oferta de energia com menor impacto sobre o clima;