Fabricação de ferro por alto-forno e emissões de óxido de carbono

Fabricação de ferro por alto-forno e emissões de óxido de carbono

É amplamente reconhecido que o dióxido de carbono (CO2) na atmosfera é o principal componente que influencia o aquecimento global através do efeito estufa. Desde 1896, a concentração de CO2 na atmosfera aumentou 25%. A indústria siderúrgica é conhecida como uma indústria intensiva em energia e como uma importante emissora de CO2. Assim, as mudanças climáticas são identificadas pela indústria siderúrgica como um grande desafio ambiental. Muito antes das conclusões do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas em 2007, os principais produtores de ferro e aço reconheceram que são necessárias soluções de longo prazo para combater as emissões de CO2 da indústria de ferro e aço. Portanto, a indústria siderúrgica tem sido altamente proativa na melhoria do consumo de energia e na redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE).

No ambiente atual de mudanças climáticas, dentro da indústria siderúrgica, há um esforço constante para reduzir os custos de energia, reduzir as emissões e garantir a máxima reutilização de energia dos resíduos. Nos processos tradicionais de produção de ferro e aço, a emissão de CO2 é inevitável, principalmente para o processo de alto-forno (BF), que requer carbono (C) como combustível e agente redutor para converter o óxido de ferro ao estado metálico e, portanto, é o principal processo de geração de CO2 em uma siderúrgica integrada. A política climática é, de fato, um importante impulsionador para o desenvolvimento da tecnologia de fabricação de ferro pela BF.

Criticamente, entre os desafios enfrentados pela operação de BF está a descarbonização. Passos significativos foram dados pela indústria de ferro e aço para aumentar a eficiência térmica da operação de BF, mas, em última análise, há um limite rígido na descarbonização, associado à necessidade de C como redutor químico. Desde a década de 1950, esforços significativos de P&D (pesquisa e desenvolvimento) foram realizados para tornar mais eficiente a tecnologia de fabricação de ferro BF. Esses esforços de P&D incluem (i) melhor qualidade de coque e sinterização, (ii) enriquecimento de oxigênio (O2), (iii) injeção de outros redutores como carvão pulverizado e gás natural, (iv) distribuição de carga e (v) tecnologias de medição e assim por diante sobre. Na década de 1950, a taxa de redutor era de cerca de 1.000 quilogramas por tonelada de metal quente (kg/tHM), e desde então foi reduzida por um fator de 2 por causa dos esforços de P&D e da implementação dos resultados dos esforços de P&D.

O consumo de agente redutor no BF convencional é hoje em torno de 500 kg/tHM aproximando-se apenas 5% acima dos menores valores termodinâmicos possíveis sob operação do BF clássico. O processo BF é agora um processo altamente desenvolvido operando próximo aos limites termodinâmicos de eficiência. Não há grandes melhorias óbvias que sejam fundamentalmente esperadas para reduzir sua demanda de C ou melhorar significativamente sua eficiência térmica, mas, uma vez que o BF é o gerador de emissões predominante, os esforços para mitigar o impacto ambiental da indústria, necessariamente, devem ser focada no processo de fabricação de ferro BF.





Tecnologias inovadoras de fabricação de ferro são necessárias para uma redução ainda maior do consumo de C ou da emissão de CO2. Diversas tecnologias têm sido propostas para a redução ainda maior do uso de C fóssil e a redução da emissão de CO2 no próprio processo de BF. Estes incluem (i) reciclagem de CO do gás de topo de BF, (ii) uso de biomassa, (iii) substituição de CO por H2 como agente redutor, (iv) uso de ferro reduzido direto C-lean (DRI), ferro briquetado (HBI), ou ferro de baixa redução (LRI), (v) uso de materiais compostos de C, (vi) uso de energia elétrica pobre em C e (vii) captura e armazenamento de CO2 (CCS) etc. No entanto, o A abordagem necessária é propor melhorias incrementais que ofereçam passos para reduzir as emissões ou produzir mais a partir do potencial existente no processo atual.

É inevitável que, ao considerar tais tecnologias, uma série de temas transversais em torno da economia e das emissões gerais de CO2 precisem ser considerados. Por exemplo, o uso de CO2 e gases de processo como matéria-prima química pode exigir a compra adicional de combustíveis para os fornos de reaquecimento, o que pode impactar nos custos das obras integradas, na qualidade do aço e nas emissões totais de CO2. Qualquer solução a ser levada em consideração precisa ter o potencial de alcançar uma otimização multicomponente desses aspectos individuais.

Os principais desafios enfrentados pela futura operação do BF são, portanto, (i) reduzir significativamente os gastos de capital e operacionais para gerar um retorno sustentável dos gastos de capital ao longo do ciclo econômico e (ii) reduzir as emissões efetivas de CO2 a um ponto ainda inferior ao determinado pela termodinâmica química de o processo convencional baseado em coque. Para enfrentar esses desafios, é essencial identificar uma série de oportunidades tecnológicas. Estes são descritos abaixo.

Principais tecnologias de reciclagem de gás e captura de carbono

A redução da entrada C é limitada pelo equilíbrio de redução do gás no BF. A diminuição da entrada C pode ser alcançada diminuindo a taxa de redução direta (uma reação endotérmica) fortalecendo a redução de gás dentro do BF através da descarbonização e recirculação do gás de topo por injeção no forno. Fluxograma típico de alto-forno com reciclagem de gás de topo (TGR) é mostrado na Fig 1.

Fig 1 Fluxograma típico de alto-forno com reciclagem de gás superior

Qualquer solução para descarbonização da rota BF requer algum elemento de captura de C. Para alcançar uma redução substancial de CO2 (superior a 50%), a aplicação da tecnologia CCS é necessária, embora haja um consenso geral na indústria de que reduções superiores a 80% não são possíveis. Uma variação encorajadora na captura de C é a reciclagem de gás superior no processo de fabricação de ferro pelo processo BF. É a tecnologia mais promissora que pode reduzir significativamente a emissão de CO2 e consiste na reciclagem de CO e H2 do gás que sai do BF pelo topo.

A tecnologia TGR baseia-se principalmente na redução do uso de C fóssil (coque) pela reutilização dos agentes redutores (CO e H2) após a remoção do CO2 do gás de topo. Isso leva a menores requisitos de energia. As principais tecnologias do TGR-BF são (i) depuração de CO2 do gás de topo e injeção do balanço reduzindo os componentes do gás de topo CO e H2 nas ventaneiras do fuste e lareira do BF, (ii) menor entrada de C fóssil devido à menor quantidade de coque (iii) uso de O2 puro em vez de jato de ar quente na ventaneira da lareira, ou seja, remoção de nitrogênio (N2) do processo e (iv) recuperação de CO2 puro do gás superior para armazenamento subterrâneo.

A maioria dos esquemas de captura C geralmente está associada ao armazenamento, mas a utilização também pode ser considerada. Essa conexão entre captura e utilização de C destaca uma importante área de pesquisa que atualmente é de interesse em torno da integração de processos. Em comparação com aspectos como coleta, transporte e armazenamento, a área de integração de processos por retrofit de um BF existente com um sistema de captura C tem recebido pouca consideração.

Espera-se que para a maioria dos locais onde os BFs estão operando, a captura de C seja comissionada ao lado de BFs que operam há muitas décadas. Existe a possibilidade de um nível significativo de interferência no processo associado a aspectos como qualidade do gás, pressão, protocolos operacionais e a otimização relativa da planta de utilização de BF e C. O retrofit e a operação subsequente devem ser alcançados sem comprometer a eficiência operacional ou a qualidade do produto dos ativos existentes.

Nesta área de integração de processos, as técnicas avançadas de simulação e modelagem de processos devem ser implantadas para otimizar a combinação de um sistema integrado de captura BF e C. Nesse sentido, é necessária uma combinação de modelagem termofluida, com cinética de processo e por meio de modelagem econômica de processo, alinhada ao entendimento dos principais parâmetros do processo de fabricação de ferro. Dado esse foco, a aplicação da captura de C às operações de BF existentes pode ser realizada.

Redução de hidrogênio

O importante desafio ambiental para o processo de BF é o uso de C como redutor químico. Isso tem um limite termodinâmico rígido, abaixo do qual uma redução adicional de C não é possível sem uma mudança significativa no processo. Uma dessas mudanças de processo é uma mudança parcial de C para hidrogênio (H2) como redutor. Exemplos de agentes redutores com alto teor de H2 são resíduos de plástico (CnHm) ou gás natural (com componente principal CH4). H2 já é usado em processos de redução direta para a produção de DRI e, portanto, há uma compreensão básica dos mecanismos e termodinâmica química, mas há uma oportunidade para mais pesquisas e inovações de processos em torno da extensão em que o equilíbrio entre redução de H2 e C redução pode ser deslocada dentro do forno.

O uso de resíduos plásticos (WP) para promover a redução de H2 no BF é feito através da injeção de WP no BF. WP é injetado como um sólido através das ventaneiras de forma semelhante ao carvão pulverizado (PC). Normalmente é feito como uma co-injeção de WP e carvão no BF. A energia de combustão do WP é geralmente pelo menos tão alta quanto a do PC normalmente injetado, e sua maior proporção de H2 para C significa que menos CO2 é produzido dentro do BF a partir dos processos de combustão e redução de minério de ferro. Além disso, há menor consumo de energia, uma vez que H2 é um agente redutor mais favorável do que C. A injeção de WP aumenta a concentração de H2 do gás bosh. Uma vez que a taxa de reação química de redução de H2 é maior que a de CO, a extensão da reação de Boudouard diminui à medida que o gás bosh H2 aumenta. CO2 e H2O estão presentes na parte superior do BF devido à redução de óxidos de ferro.

Para promover a redução de H2 no alto-forno, outro método está sendo investigado por meio do Projeto COURSE50 no Japão, cujo trabalho começou em 2008. Este projeto é uma tentativa de reduzir as emissões de CO2 desenvolvendo ainda mais a técnica de injeção de gás redutor no BF poço, em combinação com a amplificação de H2 pela reforma do gás de coqueria. A tecnologia de redução de H2 proposta por este projeto consiste no aumento de H2 por (i) reforma gasosa do gás de coqueria, (ii) tecnologia de redução de minério de H2 e (iii) tecnologia de coqueificação para alto-forno de redução de H2. Neste projeto, o gás redutor é injetado no eixo BF. A partir do balanço de momento de dois gases, verificou-se que a área de penetração do gás de injeção no eixo é proporcional à taxa de injeção de gás e a redução do minério de ferro é promovida pelo H2. Entretanto, como a redução de H2 é uma reação endotérmica, atenção especial é necessária para a manutenção da temperatura no topo do forno.

Materiais de rolamento de carbono alternativos

Os materiais alternativos de rolamento C são aglomerados compostos C (CCA) ou compostos de ferro C (CIC). Estes são aglomerados de material carbonáceo e mistura de óxido de ferro e são uma espécie de coque formado contendo ferro metálico. O material carbonáceo pode ser finos de coque, carvão, carvão vegetal, finos ricos em C, biomassa, resíduos de plástico, etc., enquanto o óxido de ferro pode ser minérios de ferro de baixo teor, finos ricos em ferro, etc. Composto C materiais devido ao efeito catalítico das partículas de ferro têm uma reatividade notavelmente alta com o gás CO2 em comparação com o coque metalúrgico. Normalmente, os materiais compósitos C reagem com o gás CO2 a partir de uma temperatura em torno de 150 graus C inferior à do coque metalúrgico.

A reação de redução de minério é promovida por materiais compósitos C devido (i) à maior reatividade desses materiais e (ii) ao fato de que a reação de perda de solução desses materiais começa a partir de uma temperatura mais baixa. A utilização de tais aglomerados não só ajuda a mitigar a emissão de CO2, mas também ajuda na economia de coque e energia. A distância próxima entre ferro e C em tais aglomerados melhora significativamente a cinética da reação. Os outros benefícios que podem ser visualizados com a utilização de tais aglomerados são (i) possibilidade de utilização de finos in-plant ricos em ferro e/ou C, (ii) menor temperatura de gaseificação devido ao efeito de acoplamento entre a reação de gaseificação e o óxido de ferro (wustita ) redução, e (iii) menor dependência de CO2 e processos de preparação de minério intensivos em energia.

O método de produção de materiais compósitos C consiste em britagem, mistura e briquetagem de materiais de rolamento de ferro de baixo custo e carvão não coqueificável ou levemente coqueificável, seguido de aquecimento e carbonização em um forno de cuba. A resistência desses materiais é uma propriedade importante para a alimentação BF, e a resistência no mesmo nível do coque metalúrgico pode ser alcançada, mesmo a partir de matérias-primas de baixa qualidade, pelo efeito de densificação da briquetagem e controle de temperatura comparativamente de alta precisão no forno de cuba .

Os materiais de rolamento C também podem ser introduzidos no processo BF de várias maneiras. No processo de sinterização, a biomassa ou WP pode substituir parcialmente o coque brisa. Os finos na planta podem ser usados ​​como fonte de C e ferro. Na produção de coque, foram feitas tentativas para adicionar biomassa, bem como WP à mistura de carvão de coque. Materiais alternativos que contêm carbono podem ser carregados no BF a partir do topo junto com materiais de carga como pedaços ou os finos ou biomassa da planta ricos em C podem ser injetados no BF através das ventaneiras.

Reciclagem de gás de combustão em fogões a gás BF

Uma nova tecnologia conhecida como “reciclagem de gases de combustão” (FGR) está em desenvolvimento para os fogões a quente. Esta tecnologia envolve a conversão dos fogões, da combustão de ar-combustível para oxi-combustível, aumentando a porcentagem de CO2 do gás de combustão. A temperatura da chama gerada será moderada pela recirculação dos gases residuais para os queimadores do fogão. A comparação esquemática de operações convencionais de fogões a ar-combustível e operações aprimoradas de oxi-combustível empregando a reciclagem de gases de combustão é mostrada na Fig 2.

Fig 2 Comparação esquemática de operações convencionais de fogões a ar-combustível e operações aprimoradas de oxi-combustível empregando a reciclagem de gases de combustão

A operação FGR de fogões pode ser baseada em massa constante ou fluxo de volume constante dos produtos de combustão. O fluxo de massa constante garante que a transferência de calor por convecção não seja alterada em relação às operações convencionais de ar-combustível, e a reciclagem do gás de combustão quente reduz a necessidade de energia de combustão dos fogões. A opção de fluxo de volume constante surge devido ao aumento da densidade dos produtos de combustão, quando os gases de combustão são reciclados. Neste modo, a recuperação de calor pode ser combinada com maiores taxas de gaseificação do queimador e isso se converte em temperaturas mais altas de sopro quente e um potencial para menor consumo de coque no BF.

Considerando o potencial de captura de C, o teor de CO2 do gás de combustão é praticamente duplicado em comparação com as práticas convencionais de aquecimento para os fogões. Em termos de massa, o gás de combustão contém 0,8 toneladas de CO2/tonelada de metal quente (HM), o que representa mais de um terço dos níveis de emissão específicos atuais. A geração do O2 necessária para facilitar isso reduz marginalmente os benefícios de captura de C em virtude da energia consumida para operar a planta de separação de ar. Isto reduz o potencial líquido de redução das emissões em cerca de 6 %.

A reciclagem de gases de combustão nos fogões elimina o uso de ar e gás de coqueria no processo de combustão. Assim, a geração de óxidos de enxofre e óxidos nitrosos é substancialmente reduzida. Os objetivos específicos desta nova tecnologia em desenvolvimento incluem (i) confirmação de um teor de CO2 de 40 % a 50 % no gás de combustão modificado, (ii) verificação da recuperação de calor residual e aumento da eficiência térmica dos fogões, e (iii) confirmação de que as novas condições de operação mantêm ou aumentam a temperatura do jato quente entregue ao BF e, portanto, evita impactos negativos na operação do BF.