Economia Eficiente de Energia com Resfriamento a Seco de Coque Quente

Resfriamento a Seco de Coque Quente (CDQ)

O resfriamento a seco de coque (CDQ - Coke Dry Quenching) é um processo de economia de energia utilizado durante a produção de coque na bateria de fornos de coque. Uma planta de CDQ também é chamada de planta de resfriamento a seco de coque (CDCP - Coke Dry Cooling Plant). No processo tradicional de resfriamento a úmido (CWQ - Coke Wet Quenching), o coque incandescente empurrado do forno de coque é resfriado pela pulverização de água sobre o coque quente. A água usada para resfriamento é vaporizada e liberada na atmosfera. Um problema desse sistema convencional é a perda de energia quando a energia térmica do coque incandescente é convertida em vapor, que é vaporizado e liberado sem aproveitamento. Outra desvantagem é que o processo CWQ também produz poeira de coque no ar, estando associado a altas emissões de CO₂ e perda de energia térmica.

Durante o processo CWQ para resfriamento do coque de forno, o calor sensível do coque quente é dissipado na atmosfera e perdido. Além disso, há emissões atmosféricas (0,5 tonelada de vapor por tonelada de coque, contendo fenol, cianeto, sulfeto e poeira) e grande quantidade de água (cerca de 0,6 m³ por tonelada de coque) é necessária para o resfriamento a úmido. Os contaminantes na água também são descartados no meio ambiente. A Tabela 1 mostra a comparação das propriedades típicas do coque produzido pelos processos CWQ e CDQ.

Tabela 1 Comparação das propriedades típicas do coque produzido pelos processos CWQ e CDQ
Nº	Parâmetros	Unidades	Processo CWQ	Processo CDQ
1	Teor de água	%	2-5	0,1-0,3
2	Teor de cinzas	%	11,35	11,39
3	Componentes voláteis	%	0,5	0,41
4	Tamanho médio de partícula	mm	65	55
5	Taxa de pó de coque (após corte em -15 mm)	%	10	13
6	Porosidade	%	49	48
7	Índice de tambor	%	83,5	85
8	Resistência do coque após reação (CSR)	%	58	60

No processo CDQ, o coque incandescente é resfriado por gás circulante em um sistema fechado, evitando a liberação de poeira de coque no ar. A energia térmica do coque incandescente, que é perdida no processo CWQ convencional, é coletada e reutilizada como vapor no sistema CDQ. Essa tecnologia usa menos combustível fóssil e resulta em menores emissões de CO₂, contribuindo para a prevenção do aquecimento global. Atualmente, as plantas de CDQ têm atraído muita atenção mundial devido à sua eficiente recuperação de energia e característica de redução da poluição ambiental. São consideradas instalações essenciais para contramedidas contra problemas ambientais como aquecimento global por CO₂ e poluição do ar. Em um estudo no qual o cálculo de economia de energia foi realizado com base na operação de um processo CDQ existente, demonstrou-se que 85% do calor residual gerado durante a carbonização do carvão é recuperado pelo processo CDQ.

Histórico

A técnica de CDQ foi introduzida na Suíça pelos irmãos Sulzer na década de 1920. Algumas décadas depois, uma concepção aprimorada do processo CDQ para operação contínua foi produzida pelo Instituto Giprokoks na Rússia. Após testes piloto e piloto/comerciais, a primeira instalação de planta CDQ em escala real foi comissionada em 1965 na Cherepovets Iron and Steel Works, na então URSS. Em 1978, cerca de 50 módulos de CDCP de 56 toneladas por hora estavam em operação na então URSS. Nas últimas duas décadas, o processo CDQ foi gradualmente aceito, embora o processo CWQ ainda seja popular. No entanto, um grande número de plantas CDQ está operando em muitos países. A Figura 1 mostra um módulo de planta CDQ de projeto Giprokoks com capacidade de 56 toneladas por hora.

Figura 1 Módulo de planta CDQ de projeto Giprokoks com capacidade de 56 toneladas por hora

O Japão comprou licença da URSS em 1975 e três instalações japonesas foram comissionadas em 1976-77. Como a capacidade de produção dos fornos de coque está aumentando nos últimos anos, a capacidade de CDQ também foi demandada para se adaptar a essa tendência. Para seguir essa tendência e satisfazer diversos requisitos de clientes, o desenvolvimento de planta CDQ de grande escala compreendendo câmara única (single-chamber CDQ) para resfriamento de grande quantidade de coque ocorreu no Japão. Para CDQ de câmara única, a disponibilidade é fator muito importante porque não há instalações reserva. Para alcançar alta disponibilidade, a operação estável é essencial. Para operador inexperiente, porém, é difícil alcançar a operação estável ajustando diversos parâmetros. Nos últimos anos, nova tecnologia de automação para plantas CDQ também foi desenvolvida. O aumento progressivo na capacidade de câmaras CDQ desde 1975 é mostrado na Figura 2.

Figura 2 Aumento progressivo na capacidade de câmara CDCP desde 1975

Processo CDQ

O coque quente após sua extração é trazido da bateria de fornos de coque para a planta CDQ em balde de abertura inferior mantido no carro de resfriamento. Este balde é erguido na planta CDQ por um dispositivo de elevação/carga até o topo da câmara CDQ e o coque incandescente é descarregado na pré-câmara pelo dispositivo de carga. O coque quente (temperatura em torno de 1.000 °C a 1.100 °C) é resfriado na câmara pelo gás circulante. Na câmara, o gás circulante move-se em contracorrente ao movimento do coque, ou seja, o gás circulante move-se para cima enquanto o coque move-se para baixo pela gravidade.

O gás circulante em uma planta CDCP em operação contínua é um gás misto que consiste principalmente de nitrogênio (N₂) junto com pequenas quantidades de dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H₂). A composição típica do gás circulante é N₂ – 70% a 75%, CO₂ – 10% a 15%, CO – 8% a 10%, e H₂ – 2% a 3%. O coque quente, ao descer na câmara, é resfriado a uma temperatura inferior a 200 °C pelo gás circulante soprado da zona inferior da câmara de resfriamento e é descarregado pela instalação de descarga no fundo da câmara. O tempo de passagem do coque pela câmara é de cerca de 5 a 6 horas. Os parâmetros operacionais típicos para uma planta CDQ de capacidade de 56 toneladas/hora são dados na Tabela 2.

Tabela 2 Parâmetros típicos para planta CDQ de capacidade 56 toneladas/hora
Nº	Parâmetro	Unidade	Valor
1	Capacidade	ton/h	56
2	Temperatura de carga do coque	°C	1.000 – 1.050
3	Temperatura de descarga do coque	°C	200
4	Temperatura de entrada do gás	°C	170
5	Temperatura de saída do gás	°C	800 - 850
6	Geração de vapor	ton/h	25
7	Pressão do vapor	kg/cm²	40
8	Temperatura do vapor	°C	440
9	Volume total de gás	Nm³/h	84.000

O gás de circulação de alta temperatura (em torno de 800 °C a 850 °C) após um processo de troca de calor na câmara de resfriamento passa pelo coletor de pó primário e é enviado à caldeira. O gás de circulação após troca de calor na caldeira é resfriado a cerca de 180 °C. O vapor gerado na caldeira é usado como vapor de processo de uso geral ou convertido em vapor superaquecido de alta pressão para geração de energia elétrica através de turbogerador.

O gás circulante passa pelo coletor de pó secundário para o soprador de circulação de gás, pelo qual sua pressão é aumentada, e sua composição é corrigida pela adição de gás N₂ e então o gás circulante é injetado no fundo da câmara CDQ. Se necessário, um subeconomizador é instalado para diminuir a temperatura do gás de circulação para cerca de 130 °C, melhorando a eficiência de resfriamento da câmara de resfriamento.

Existem algumas instalações auxiliares que incluem dispositivo de corte para separar o coque da câmara, sistema de remoção de poeira para remover a poeira no gás inerte de circulação, e o coletor de pó secundário instalado antes do soprador de circulação. O fluxo de processo do processo CDQ é mostrado na Figura 3.

Figura 3 Fluxo de processo do processo CDQ

Benefícios do Processo CDQ

O processo CDQ tem muitas vantagens em comparação com o processo CWQ convencional. As principais vantagens são descritas abaixo.

Aproveitamento do Calor Sensível do Coque Quente

A energia elétrica pode ser gerada pelo resfriamento a seco de coque sem consumo de combustíveis fósseis. Isso leva à redução das emissões de CO₂. Como exemplo (Figura 4), CDQ com capacidade de 200 toneladas por hora (t/h) pode gerar cerca de 36 MW de energia elétrica. Para a geração da mesma energia elétrica com caldeira a óleo combustível, são necessárias 12 t/h de óleo combustível, resultando em 36 t/h de emissão de CO₂ para a atmosfera. Portanto, uma planta CDQ proporciona vantagens tanto econômicas quanto ambientais. Como recupera o calor sensível do coque, há economia líquida de energia. A economia de energia é de cerca de 0,25 Gcal/tonelada de coque. O processo CDQ permite assim a utilização eficaz de energia que é dispersada na atmosfera no processo CWQ.

Proteção do Meio Ambiente

No CDQ, não há fumaça branca que normalmente é vista saindo da torre de resfriamento no caso do processo CWQ. Essa fumaça branca tem alto teor de poeira. A ausência de fumaça branca no caso do processo CDQ deve-se ao fato de todos os processos serem totalmente fechados. Como resultado, o ambiente de trabalho ao redor dos equipamentos CDQ é melhorado.

Em geral, com o processo CWQ, grande quantidade de poeira de coque (cerca de 300 g/t de coque a 400 g/t de coque) é emitida, contida no vapor emitido ao meio ambiente. O processo recentemente desenvolvido de "resfriamento estabilizador de coque (CSQ)" reduz o volume de emissão de poeira. Mas o processo CDQ é ainda mais eficiente na prevenção de emissão de poeira. O volume de emissão de poeira do CDQ é inferior a 3 g/t de coque (Figura 4). Esse valor melhorou ainda mais com as contínuas melhorias do processo CDQ em andamento.

O processo CDQ também é ambientalmente amigável no que se refere à poluição da água e conservação de água. Isso porque nenhuma água é usada no processo CDQ, contra o processo CWQ onde o meio de resfriamento é água.

Figura 4 Benefícios do processo CDQ

Contribuição do Processo CDQ na Melhoria da Produtividade no AF

A qualidade melhorada do coque produzido pelo processo CDQ leva à melhoria da produtividade no alto-forno (AF). Quanto ao coque produzido pelo processo CDQ, ele tem duas características excelentes em comparação à qualidade do coque produzido pelo processo CWQ. Essas características são: (i) maior resistência mecânica do coque, e (ii) teor de umidade muito baixo no coque (quase zero). Essas características proporcionam certos benefícios no AF, descritos abaixo.

O consumo de combustível no AF é reduzido em alguns por cento, pois não é necessária energia térmica extra para a evaporação da umidade contida no coque. Também contribui para a redução de CO₂ no AF, e uma melhoria na geração de energia na TRT (top pressure recovery turbine) devido ao aumento da temperatura no topo do AF.

Ao usar o coque resfriado pelo processo CDQ, a permeabilidade no AF é melhorada devido à alta resistência do coque. Maior permeabilidade no AF melhora a eficiência da reação de redução no AF, e isso melhora a produtividade de ferro-gusa do AF. AFs usando coque produzido pelo processo CDQ têm operação comparativamente mais estável. Além disso, como a resistência do coque aumenta, o interior do AF pode manter permeabilidade suficiente e, portanto, taxas mais altas de injeção de carvão pulverizado podem ser alcançadas no AF.

Melhoria da Qualidade do Coque

A qualidade do coque é melhorada pelo processo CDQ em comparação ao coque produzido pelo processo CWQ. A qualidade do coque é mais estável devido ao baixo desvio padrão (geralmente em torno de 1,25%). Uma qualidade uniforme do coque ajuda na operação do AF. Isso porque o coque é resfriado gradualmente pelo gás circulante na câmara CDQ, em vez de resfriamento rápido pela pulverização de água com jatos d'água no caso do processo CWQ. Além disso, a reação água-gás é evitada. A melhoria esperada na resistência mecânica (índice de tambor) é de cerca de 1,5% e a melhoria na resistência do coque após reação (CSR) é de cerca de 2,5%. Essa melhoria ocorre porque o coque quente, resfriado gradualmente pelo gás circulante, está livre de poros superficiais e trincas internas geralmente presentes no coque resfriado a úmido.

Geralmente observa-se que a taxa de aumento da resistência do coque é relativamente menor, caso haja alta porcentagem de carvão coqueificável de alta qualidade na mistura de carvão usada para carbonização. O maior uso de carvão coqueificável de baixa qualidade na mistura proporciona vantagem de custo adicional pelo processo CDQ.