Processo FINEX: Produção Avançada de Ferro Gusa usando Finos de Minério e Carvão Não-Coqueável

Processo FINEX para Produção de Ferro Gusa

O processo de redução-fundição FINEX foi desenvolvido pela Primetals Technologies, Áustria, e pelo fabricante de aço sul-coreano Posco. O processo FINEX é uma alternativa comercialmente comprovada para produção de ferro gusa (HM) além da rota do alto-forno (BF), consistindo de BF, planta de sinter e forno de coque. Este baseia-se no uso direto de carvão não-coqueável. O processo FINEX pode usar diretamente finos de minério de ferro sem qualquer tipo de aglomeração.

No processo FINEX, o minério de ferro fino é pré-aquecido e reduzido a DRI (ferro reduzido direto) fino em sistema de reator de leito fluidificado de três estágios com gás de redução produzido do gasificador-fundidor. Os reatores de leito fluidificado permitem ao processo FINEX usar minérios finos em vez de minério em caroço ou pelotas.

Como resultado, o processo não requer nem coqueria nem aglomeração de minério. Briquetagem do minério pré-reduzido e do carvão, injeção de carvão pulverizado e carregamento controlado do gasificador-fundidor (MG) resultam em taxa de combustível melhorada. O DRI fino produzido no sistema de reatores de leito fluidificado é compactado e carregado na forma de HCI (ferro compactado a quente) no gasificador-fundidor para produzir ferro gusa (HM). O HCI carregado é reduzido a ferro metálico e fundido. O calor necessário para redução metalúrgica e fusão é suprido pela gasificação do carvão com oxigênio (O2) de alta pureza. O processo FINEX é ambientalmente amigável, usando finos de minério de ferro e carvão de baixo custo.

Gás de Exportação e Trabalhos Iniciais

O processo FINEX usa O2 de alta pureza, resultando em gás de exportação com apenas baixas quantidades de nitrogênio (N2). Como seu valor calórico líquido (CV) é mais de duas vezes o do gás de topo do BF, pode ser parcialmente reciclado para trabalho de redução ou usado para geração de calor ou energia.

Desenvolvimento Histórico

Pesquisa básica em escala de laboratório foi feita com unidade de bancada de 15 t/dia de 1992 a 1996. Os resultados foram usados para operações de teste de planta piloto de 150 t/dia em 1999. A planta de demonstração FINEX de 0,6 Mtpa foi construída nas obras de Pohang da Posco e iniciou produção em junho de 2003. Esta planta tem três reatores de leito fluidificado. Desde fevereiro de 2004, a planta demonstrou produção constante acima de 0,7 Mtpa de ferro gusa. A Posco comissionou a primeira planta comercial FINEX de 1,5 Mtpa em abril de 2007. Baseado nos resultados bem-sucedidos, Posco e Primetals decidiram desenvolver planta FINEX de 2,0 Mtpa em Pohang, colocada em operação em janeiro de 2014.

Matérias-Primas Principais

Carvão e minério de ferro são as duas principais matérias-primas. Os principais critérios para avaliação inicial de carvões ou misturas adequados ao processo FINEX são: (i) teor de C fixo mínimo de 55%, (ii) teor de cinzas máximo de 25%, (iii) teor de matéria volátil (VM) inferior a 35%, e (iv) teor de enxofre (S) inferior a 1%. Além destas características gerais, o carvão deve atender requisitos relacionados à estabilidade térmica para permitir formação de leito de char estável no gasificador-fundidor. A estabilidade térmica de carvões potenciais é verificada usando procedimentos especiais de teste em laboratório.

O processo FINEX pode operar sem coque devido à menor carga de carga no leito de char do gasificador-fundidor e uso de O2. Em caso de mudança na qualidade do briquete de carvão e flutuações no grau de redução, alguma brisa de coque (menos de 30 mm) tipicamente é usada antes e após parada ou em caso de diminuição da temperatura do HM para manter produtividade e diminuir taxa de combustível. A operação atual fornece nível constante de brisa de coque para minimizar estes efeitos. A qualidade da brisa de coque usada no FINEX não é adequada para operação em BF e tem resistência de cerca de 60% do coque de BF. Para operação com zero brisa de coque, várias otimizações operacionais são essenciais como otimização do aglutinante e desenvolvimento de tecnologia de pré-aquecimento de briquete de carvão. Características do carvão para FINEX e comparação com BF são mostradas na Fig 1.

Fig 1 Características do carvão para processos FINEX e BF

No caso de minério de ferro, em geral, 100% de finos de sinter são carregados nos reatores de leito fluidificado. 30-50% de alimentação de pelotas também pode ser usado. Tipos e mistura de minério são decididos baseados em propriedades químicas e físicas como teor total de Fe, estrutura de composição e tamanho de grão. Como na produção de HM por BF, o teor de Fe determina a produtividade. A proporção de mistura deve considerar qualidade do minério e custo. Como maior teor de alumina (Al2O3) na escória é mais tolerável no FINEX que no BF, minérios com maior Al2O3 também podem ser usados. Normalmente, não há limitação na estrutura de material de alimentação de hematita e goethita para reatores de leito fluidificado. Flexibilidade de minérios adequados ao FINEX mostrada na Fig 2.

Fig 2 Flexibilidade de minérios de ferro para processo FINEX

O Processo

O processo FINEX distingue-se pela produção de HM de alta qualidade baseada em finos de minério de ferro carregados diretamente e carvão como redutor e fonte de energia. A característica-chave é que a produção de ferro ocorre em duas etapas separadas. Em série de três reatores de leito fluidificado, o minério de ferro fino é reduzido a DRI, que é então compactado (HCI) e transportado a um gasificador-fundidor por transportador de ferro gusa. Carvão e briquetes de carvão carregados no gasificador-fundidor são gasificados, fornecendo energia para fusão além do gás de redução. O fluxograma do processo FINEX é mostrado na Fig 3.

Fig 3 Fluxograma do processo FINEX

O ferro gusa é produzido em duas etapas. Na primeira, finos de minério são pré-aquecidos e reduzidos a DRI fino em reatores de leito fluidificado em três estágios. O primeiro reator (R3) serve principalmente para pré-aquecimento dos finos. Finos de minério são carregados na série de reatores junto com fundentes como calcário e/ou dolomita. O minério carregado move-se descendente através dos três reatores onde é aquecido e reduzido a DRI por meio do gás redutor obtido da gasificação do carvão no gasificador-fundidor. Este gás flui em contracorrente ao movimento do minério.

Conforme a rota do minério, um sistema de transporte pneumático transporta os finos à torre de reatores de leito fluidificado. O minério fino é carregado na série de reatores. O gás de redução gerado no gasificador-fundidor flui através de cada reator em contracorrente à direção do minério (de R1 a R3). A temperatura e composição típicas do gás de redução nos três reatores são dadas na Tabela 1.

Tabela 1: Atmosfera de gás típica para reator de leito fluidificado de três estágios para processo FINEX
Parâmetro/Componente	Unidade	R1	R2	R3
Temperatura	°C	760	750	480
CO	%	45,4	39,3	32,7
CO2	%	20,4	29,2	26,7
H2	%	17,2	16,9	14,3
H2O	%	5,4	7,3	7,8
N2	%	11,6	6,6	18,4
CH4	%	Nil	Nil	Nil

O minério de ferro fino é fluidizado pelo fluxo de gás e reduzido progressivamente em cada reator. Após saída do ferro reduzido do reator final, este é compactado para produzir HCI. O HCI é transportado via sistema de transporte a quente ao topo do gasificador-fundidor onde é carregado diretamente junto com carvão. Redução final e fusão do HCI então ocorre.

Conforme a rota do carvão, carvões não-coqueáveis e briquetes são carregados diretamente no gasificador-fundidor através de sistema de lock-hopper. Após o carvão cair no leito de char, ocorre desgasificação. Os hidrocarbonetos liberados, ambientalmente nocivos, são imediatamente dissociados a CO e H2 devido às altas temperaturas superiores a 1.000°C na cúpula do gasificador-fundidor. O2 injetado na parte inferior gasifica o carvão, gerando calor para fusão e produzindo gás de redução altamente valioso composto principalmente de CO e H2. Este gás, que sai da cúpula, é primeiro limpo em ciclone a quente antes de entrar nos reatores de leito fluidificado. Após fusão do DRI, o procedimento de vazamento é realizado exatamente da mesma maneira que na prática padrão de BF. A qualidade do HM do FINEX é similar à do HM produzido em BF.

Gás de Exportação do FINEX

O gás de exportação FINEX é um subproduto valioso. O gás limpo saindo do topo dos reatores pode ser usado para diversas aplicações: produção de DRI, geração de energia e geração de gás de síntese para indústria química. A composição típica dos diferentes gases produzidos no FINEX é dada na Tabela 2.

Tabela 2 Composição típica dos Gases
Composição do Gás	Unidade	CO	CO2	H2	N2
Gás de Escape	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Gás de Produto	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Gás de Cauda	%	17-18	65-66	10-11	2-3

O fluxo de gás no processo FINEX é mostrado na Fig 4.

Fig 4 Fluxo de gás no processo FINEX

Valores típicos de consumo específico para materiais e utilidades no processo FINEX são: (i) combustível seco ~720 kg/t HM, (ii) minério de ferro ~1.600 kg/t HM, (iii) aditivos (calcário e dolomita) ~285 kg/t HM, (iv) O2 ~460 Nm³, (v) N2 ~270 Nm³, (vi) energia ~190 kWh/t HM, (vii) refratários ~1,5 kg/t HM.

Características do HM produzido pelo FINEX: (i) C ~4,5%, (ii) Si ~0,7%, (iii) Mn ~0,07%, (iv) P ~0,07%, (v) S ~0,04%, (vi) temperatura ~1.500°C.

Características do gás de exportação: (i) CO ~34%, (ii) CO2 ~43%, (iii) H2 ~13%, (iv) H2O ~3%, (v) CH4 <1%, (vi) N2/Ar ~6%, (vii) H2S <100 ppm, (viii) poeira 5 mg/Nm³, (ix) pressão 0,1 kg/cm², (x) temperatura ~40°C, (xi) CV entre 1.300-1.500 kcal/Nm³. Cerca de 1,9 Gcal de gás de exportação produzido por tonelada de HM.

Aspectos Ambientais

O processo FINEX tem possibilidade de recuperar CO2 de alta pureza para captura e armazenamento de carbono (CCS). Além do armazenamento, o CO2 recuperado pode ser usado para recuperação avançada de petróleo e outros usos econômicos. Isso é possível pelo uso de O2 de alta pureza no gasificador-fundidor para gasificação do carvão, resultando em gás de exportação com baixas quantidades de N2. Isso permite remoção de CO2 em alta concentração do gás de reciclagem e geração, após purificação adicional, de CO2 de alta pureza com teor superior a 95%. As taxas de emissão de CO2 para FINEX sem CCS e com CCS são 99% e 55% respectivamente comparadas à taxa média de emissão no processo BF.

O FINEX é um processo baseado em carvão para redução de minério a ferro, subsequentemente fundido a HM. Certas quantidades de substâncias ambientalmente nocivas são inevitáveis baseadas na mistura de matérias-primas. Como o FINEX captura a maioria dos poluentes em estado inerte na escória e os hidrocarbonetos liberados são destruídos na cúpula do gasificador-fundidor, as emissões de substâncias nocivas são muito baixas. Valores de emissões por tonelada de HM para poeira, SOx e NOx são ~58 g/t, ~32 g/t e ~94 g/t respectivamente.

Vantagens do Processo FINEX

As vantagens incluem: (i) utilização de finos de minério de ferro de baixo grau como alimentação de óxido, (ii) uso de carvões não-coqueáveis como redutor, (iii) controle independente de redução e fusão, (iv) economia vantajosa com custos de capital e operacionais significativamente reduzidos, (v) benefícios ambientais, (vi) flexibilidade na seleção de matérias-primas e operação (ex: minérios com maior Al2O3), (vii) produção de HM similar à qualidade do BF, (viii) gás de exportação com CV superior utilizável para diversos fins (geração de energia, produção de DRI, produtos químicos), (ix) alternativa comercialmente comprovada, (x) aplicação em brownfield em usina integrada dá sinergias com BF.