Processo HIsarna de Produção de Ferro: Aço Ultra-Baixo Carbono

Processo HIsarna para Produção de Ferro

O processo HIsarna é um processo de redução por fundição para produzir ferro líquido diretamente de finos de minério de ferro e carvão. Representa uma nova forma potencialmente mais eficiente de produzir ferro e está sendo desenvolvido para redução substancial das emissões de carbono do processo de produção de ferro. É uma iniciativa do consórcio ULCOS (ultra low carbon dioxide steelmaking) de siderúrgicas europeias e é uma combinação da tecnologia HIsmelt da Rio Tinto e da tecnologia Isarna desenvolvida na Tata Steel Ijmuiden. Elimina o pré-processamento de matérias-primas necessário pelo processo de alto-forno. O processo consiste na pré-redução de finos de minério de ferro no forno conversor ciclone (CCF) da tecnologia Isarna e na fundição por redução de ferro no vaso de redução por fundição (SRV) do processo HIsmelt. O nome do processo deriva da combinação dos nomes das duas tecnologias ("HI" de HIsmelt e "sarna" de Isarna, uma palavra celta para ferro). O processo reduz tanto carbono quanto custos. O processo HIsarna ocorre em um reator especial que tem um forno ciclone estreito no topo de um conversor mais largo.

O processo combinado é cerca de 20% mais eficiente energeticamente e produz menos emissões de gases de efeito estufa por tonelada de ferro gusa quente comparado à tecnologia média atual de alto-forno, principalmente porque não requer sinterização de minério e produção de coque. O ferro gusa quente produzido pode ser processado em aço em um forno de oxigênio básico convencional.

O processo HIsarna consiste em um reator no qual o minério de ferro é injetado no topo. O minério é liquefeito em um ciclone de alta temperatura e goteja para o fundo do reator onde o carvão em pó é injetado. O carvão em pó reage com o minério fundido para produzir ferro líquido, que é o material base para produzir aço de alta qualidade. Os gases que saem do reator HIsarna são principalmente dióxido de carbono (CO2) concentrado.

Conceito Global do HIsarna

O conceito global do HIsarna envolve contato contracorrente de dois estágios entre o minério de ferro e o gás de processo. O processo basicamente envolve contato contracorrente de dois estágios entre os finos de minério de ferro e o gás de processo. Em ambos os estágios, a temperatura operacional está acima da temperatura de fusão. No estágio 1, minério fundido parcialmente reduzido é produzido, que escorre para baixo do CCF para o SRV. Os dois estágios são altamente integrados em sentido físico e ambas as etapas do processo são realizadas em um único reator de fundição (Figura 1).

A primeira tentativa de aplicação de tecnologia de ciclone para redução de minério de ferro foi tentada na Koninklijke Hoogovens nos anos 1960, mas foi abandonada. Outra tentativa séria foi feita em 1986, mas devido à crise econômica, o projeto foi colocado em espera até o início dos anos 1990. O projeto foi revivido quando o fornecimento de coque tornou-se escasso em meados dos anos 1990. A tecnologia CCF foi então desenvolvida em escala piloto com capacidades de 15 a 20 toneladas por hora (tph) de alimentação de minério. A tentativa foi novamente interrompida em 1999 devido à implementação bem-sucedida de injeção de carvão pulverizado nos altos-fornos.

O HIsmelt foi originalmente iniciado pela CRA (agora Rio Tinto) nos anos 1980 em uma planta piloto de 2 tph em Maxhütte, Alemanha, seguida por uma planta piloto de 8 tph em Kwinana, Austrália Ocidental, nos anos 1990. Em 2001, a Rio Tinto fez parceria com Nucor Steel, Mitsubishi e Shougang Steel para construir uma planta comercial HIsmelt com capacidade de cerca de 800.000 toneladas de ferro gusa quente por ano em Kwinana. A planta foi construída de 2003 a 2005, operou de 2005 a 2008 e produziu cerca de 400.000 toneladas de ferro gusa quente. A planta sofreu uma série de problemas com equipamentos auxiliares que causaram baixa disponibilidade e danificaram os refratários. No entanto, a taxa de produção e disponibilidade melhoraram constantemente, e no quarto trimestre de 2008 a planta produzia até 1.800 toneladas de ferro gusa quente por dia com 90% de disponibilidade. Este nível de produção correspondeu à taxa de projeto da planta ao fundir hematita, e o processo foi considerado comprovado.

Em 2004, a União Europeia pressionou a indústria siderúrgica a reduzir sua pegada de carbono e, por isso, o consórcio ULCOS foi fundado. Durante o período de 2005 a 2007, a tecnologia de ciclone foi selecionada como uma das quatro tecnologias de alto potencial. Uma resposta teórica foi encontrada para os problemas anteriores da parte pós-ciclone do forno ciclone e o ULCOS trouxe para o projeto a tecnologia HIsmelt por meio de um acordo com a Rio Tinto para ter uma combinação de tecnologia ganha-ganha. Isso levou a um projeto de planta piloto apoiado pelo ULCOS na Europa. Esta combinação de duas tecnologias resultou no processo HIsarna.

No CCF, a pré-redução e fusão de finos de minério ocorre em um ciclone de fundição. Minério de ferro e oxigênio são injetados na unidade CCF na presença de gás quente do fundidor. O processo originou-se do "alto-forno convertido" (CBF) desenvolvido nos anos 1986 a 1989. No processo CBF, minério lump é altamente pré-reduzido em um forno de eixo com redução final e fusão ocorrendo em um banho de ferro no qual carvão fino é gasificado. O processo pode evitar a produção de coque, mas não a aglomeração de minério e problemas ambientais relacionados. Para eliminar ainda mais a aglomeração de minério no processo, o CCF foi desenvolvido, no qual um ciclone de fusão é aplicado para pré-redução e pré-fusão de minério fino.

O processo HIsarna combina pré-aquecimento e pirólise parcial do carvão em um reator, um ciclone de fusão para fusão de minério e um SRV para redução final de minério e produção de ferro. O ciclone de fusão e o SRV são altamente integrados e operados como um único forno de fundição. Minério fino e fundente são alimentados no ciclone de fusão junto com oxigênio. O oxigênio de alta pureza é usado para combustar o gás de escape do SRV entrando pela parte inferior do ciclone. A combustão, preferencialmente completa, gera uma quantidade considerável de calor. Este calor é usado para fundir o minério de ferro e aquecê-lo à temperatura do SRV, que é de cerca de 1.450 °C. O processo HIsarna é realizado em um vaso de fundição (Figura 2) que é uma combinação de CCF e SRV.

O processo HIsarna não necessita de carvões metalúrgicos, podendo usar carvões térmicos mais amplamente disponíveis (de menor custo). Em termos de minério de ferro, o processo tem a capacidade de rejeitar fósforo para a escória. Cerca de 90% do fósforo reporta-se à escória, resultado direto de sua condição relativamente oxidante (a escória contém cerca de 5% a 6% de FeO). Embora a tolerância ao fósforo não seja um grande problema em algumas partes do mundo, isso abre a possível exploração de certos minérios de ferro que normalmente foram considerados com teor de fósforo muito alto. Uma segunda possibilidade para minérios não convencionais que podem ser usados é o minério magnetita titanífera. Este minério de ferro é caracterizado por altos níveis de dióxido de titânio e teor de ferro de cerca de 55% a 60%.

O minério de ferro contendo altos níveis de alumina não é adequado para a rota do alto-forno, devido às pobres propriedades do sinter e redução da produtividade do alto-forno. O processo HIsarna tem a capacidade de operar com escória de alta alumina porque o alto FeO na escória é um fundente natural. Estas características colocam o HIsarna em uma posição muito forte com relação ao uso de minérios de ferro de alta alumina.

Etapas Sequenciais do Processo HIsarna

Finos de minério de ferro e oxigênio puro são injetados na porção CCF do vaso de fundição, onde o gás de escape quente da porção SRV do vaso de fundição é queimado pelo oxigênio. Os finos são separados do gosto pelo fluxo centrífugo do gás. O calor assim gerado é usado para fundir e reduzir parcialmente o minério. A reação de redução que ocorre é dada pela equação: Fe2O3 (s) + 2CO (g) = 4FeO (l) + 2CO2 (g). Minério fundido parcialmente reduzido escorre para baixo por gravidade para o SRV abaixo. O produto do ciclone consiste na mistura fundida de Fe3O4 e FeO. A temperatura esperada neste estágio é de cerca de 1.450 °C e o grau de pré-redução é de cerca de 20%.

No topo do SRV, a utilização do calor da pós-combustão (conversão de CO em CO2) é essencial para o processo. O calor da pós-combustão é capturado pelo respingo de escória que circula através do freeboard. O respingo também protege os painéis de resfriamento da chama de pós-combustão.

O carvão é injetado em alta velocidade com um gás de arraste (normalmente nitrogênio) no banho. O objetivo principal do processo neste estágio é dissolver o carbono que é usado na etapa de fundição. As condições de injeção de carvão são críticas. A temperatura do banho de metal é de cerca de 1.400 °C a 1.450 °C com nível de silício próximo de zero no metal. Outras impurezas como manganês também estão presentes em níveis muito baixos. Fósforo e titânio particionam amplamente para a fase de escória como óxidos.

O minério fundido neste estágio dissolve-se diretamente na escória. A mistura metal-escória é gerada pela pluma de injeção de carvão. Esta mistura metal-escória cria uma grande área interfacial metal-escória para fundição. O carbono dissolvido no metal reage com o oxigênio do minério e uma quantidade significativa de gás CO é formada. Esta reação é representada pela equação: FeO(l) + C(s) = Fe(l) + CO(g). Esta reação é altamente endotérmica e ocorre na parte inferior do vaso. Uma fonte de calor é necessária para manter esta parte do vaso em equilíbrio. Os óxidos de ferro na escória são reduzidos na interface escória/metal. O carvão injetado fornece o carbono e cria mistura suficiente. Devido a esta mistura, o teor de FeO da escória é relativamente baixo e o nível de FeO na escória é tipicamente de 5% a 6%.

O gás CO da fundição, junto com o gás de arraste (nitrogênio) e os produtos de desvolatilização do carvão, constitui um fluxo ascendente de gases combustíveis quentes. Este movimento ascendente de gases gera uma grande quantidade de respingo, com metal e escória ciclando através da porção superior do vaso de fundição como gotículas. Oxigênio é introduzido na seção superior através de lanças e o calor é gerado pela combustão. O calor é transportado por estas gotículas da região superior para a região inferior do vaso de fundição. O número de gotículas passando pela zona de combustão quente é tão grande que o aumento médio de temperatura por passagem em cada gotícula é inferior a cerca de 10 °C. Isso permite que o calor mova-se para baixo sem comprometer o gradiente de potencial de oxigênio no sistema (relativamente oxidante no topo e fortemente redutor no fundo).

O gás parcialmente queimado saindo da porção SRV do vaso de fundição fornece o gás combustível quente necessário para a porção CCF do vaso de fundição. Este gás tipicamente está a uma temperatura de cerca de 1.450 °C a 1.500 °C e tem um grau de pós-combustão de cerca de 50%. A pós-combustão (PC) é definida pela equação: % PC = 100(% CO2 + % H2O) / (% CO + % CO2 + % H2 + % H2O). O objetivo é alcançar quase 100% de pós-combustão no topo do ciclone, caso em que o gás de escape deve ser CO2 altamente concentrado e livre de nitrogênio. Isso torna o processo bem adequado para combinação com armazenamento de CO2.

Os produtos das reações se separam em duas camadas fundidas (uma camada superior de escória e uma inferior de ferro gusa quente). Ambas as camadas podem ser vazadas individualmente, e o ferro gusa quente é enviado para processamento adicional no processo de produção de aço.

O gás de escape residual do processo HIsarna é livre de nitrogênio, pois o processo é baseado em oxigênio. O gás totalmente utilizado tem quase nenhum valor calórico remanescente. O tratamento do gás de escape do processo é mostrado na Figura 3. O tratamento pode ser sem CCS (captura e sequestro de dióxido de carbono) ou com CCS.

Planta Piloto

Uma planta piloto HIsarna de 8 toneladas de ferro gusa quente por hora (tHM/h) com capacidade de 60.000 toneladas de ferro gusa quente/ano foi projetada e desenvolvida com sucesso na Tata Steel Ijmuiden e várias campanhas foram realizadas desde 2011. O projeto foi desenvolvido em conjunto pela Tata Steel e pela empresa de mineração Rio Tinto. Testes e desenvolvimento adicionais foram realizados junto com parceiros adicionais, incluindo ArcelorMittal, ThyssenKrupp, Voestalpine, SSAB, LKAB e Paul Wurth. Além das empresas parceiras, a União Europeia forneceu financiamento significativo para a planta. A Figura 4 mostra o fluxograma da planta piloto.

Houve cinco campanhas. A primeira partida na primeira campanha não foi bem-sucedida. As outras quatro campanhas foram bem-sucedidas. Antes do início de cada campanha de testes, queimadores pré-aquecem o reator da planta HIsarna a uma temperatura de cerca de 1.200 °C. Para a partida rápida do processo, uma primeira carga de ferro gusa quente foi transportada em uma panela de 50 toneladas do alto-forno para a planta piloto HIsarna. Uma vez que o metal foi vazado na planta piloto, o intervalo máximo de tempo foi calculado com base na temperatura e composição medidas do ferro gusa quente. Dentro deste intervalo, o processo teve que ser iniciado para evitar o risco de "cadinho congelado".

O primeiro vazamento bem-sucedido de ferro líquido foi em 20 de maio de 2011. A taxa de injeção alcançada foi 60% da capacidade. Dados disponíveis da operação mostraram que o processo operou como esperado, mas mais horas de operação são necessárias para confirmar isso. O número de horas de operação ficou abaixo da expectativa. No entanto, o objetivo de mostrar que a teoria funciona na prática, ou seja, produzir ferro líquido sem pré-processamento de matérias-primas, foi alcançado.

A segunda campanha ocorreu de 17 de outubro de 2012 a 4 de dezembro de 2012. O objetivo de produzir ferro líquido por um período mais longo e sustentado foi alcançado. Produção a 80% da capacidade de projeto foi alcançada por períodos de 8 a 12 horas. Na última execução, a capacidade total de projeto de 8 tph foi atingida.

A terceira campanha ocorreu de 28 de maio de 2013 a 28 de junho de 2013. O objetivo de produzir ferro líquido por períodos sustentados e realizar testes com vários tipos de matérias-primas foi alcançado. Pela primeira vez, aço foi produzido a partir de ferro líquido HIsarna.

A quarta campanha ocorreu de 13 de maio de 2014 a 29 de junho de 2014. O objetivo de produção sustentada e estável por vários dias foi alcançado no final e testes de vários tipos de matérias-primas foram realizados.

A quinta campanha ocorreu em outubro de 2017. Foi uma campanha de teste de seis meses realizada provando que ferro líquido pode ser produzido por longas horas de operação. Para a preparação desta campanha, a instalação passou por uma grande revisão. Um duto de gás de escape completamente novo foi instalado, aumentando a altura da planta em mais de 10 m (ponto mais alto de 37 m). Ao lado da planta piloto, uma instalação completa de moagem de carvão e secagem e peneiramento de minério e cal foram construídas. Transportadores fechados foram instalados para transportar as matérias-primas do armazenamento para os pontos de injeção da instalação. A capacidade de armazenamento de matérias-primas foi dobrada e um laboratório de análise de gás foi adicionado. O sistema de monitoramento eletrônico foi completamente reprogramado. Estima-se que esta campanha custou cerca de EUR 25 milhões.

Durante a campanha de seis meses, testes foram feitos usando sucata de aço. Os resultados mostraram que até 53% do material usado no processo pode ser sucata. Então, a concentração foi na identificação da mistura ideal de matérias-primas, procurando opções para reciclar escória de aço, testando uso de CO2 para injetar matérias-primas, e verificando se o CO2 pode ser capturado e armazenado, o que pode resultar em redução das emissões em 80%. Esta foi a fase final da campanha. Nesta fase, sucata de aço e biomassa foram usadas e redução de CO2 de mais de 50% foi alcançada.

Após o sucesso desta campanha, a próxima etapa pretende projetar, construir e testar uma planta piloto em maior escala com investimento estimado de EUR 300 milhões. Prevê-se que isso terá que passar por vários anos de testes, 2 a 3 vezes o tamanho da planta piloto atual na Tata Steel Ijmuiden. Em novembro de 2018, foi anunciado que a nova planta piloto em grande escala será construída em Jamshedpur, Índia. A planta planeja ter capacidade para produzir 400.000 toneladas de ferro gusa quente por ano. A próxima escala planejada terá capacidade com escala até 1 milhão de toneladas de ferro gusa quente por ano eventualmente. A nova planta não sinaliza o fechamento da planta piloto atual na Tata Steel Ijmuiden. A Figura 5 mostra o desenho do incinerador e as dimensões de escala do reator CCF-SRV.

Após a implementação em escala industrial, alega-se que o HIsarna produzirá pelo menos 20% menos emissões de CO2 e usará pelo menos 20% menos energia comparado ao processo convencional de produção de aço. Também é idealmente adequado para CCS devido à ausência de nitrogênio nos gases, à compressibilidade do gás devido ao teor suficiente de CO2 e à natureza de fluxo de gás de passagem única. Levando em conta o CCS, até 80% de redução de CO2 pode ser alcançada comparado ao processo convencional de produção de aço. Além da economia de energia e carbono, e portanto redução de custos, o HIsarna pode eliminar 90% do fósforo do processo para a escória. Isso permite o uso de minério de ferro barato, de alto fósforo, que normalmente não é aceito no processo convencional de alto-forno.

Características e Benefícios Importantes do Processo HIsarna

A combinação CCF e SRV é uma combinação ganha-ganha de tecnologias. As características e benefícios importantes do processo HIsarna incluem: (i) o calor para reduzir e fundir o minério de ferro é produzido através de oxigênio; (ii) a tecnologia elimina os processos de conversão de minério de ferro em sinter ou pelota e de conversão de carvão coquizável em coque; (iii) a tecnologia pode usar matérias-primas de baixa qualidade; (iv) o monóxido de carbono formado no SRV é usado para criar gases quentes que fornecem calor para a reação ocorrendo no CCF; (v) a tecnologia é 20% mais eficiente energeticamente e 20% menos intensiva em CO2; (vi) o CO2 produzido é puro e pode ser capturado, armazenado e usado, podendo levar a maior redução nas emissões de CO2 (redução de 80% na pegada de carbono); (vii) a tecnologia pode melhorar significativamente o desempenho de sustentabilidade da produção de aço; (viii) a tecnologia usa nitrogênio como gás de arraste para dissolver carbono no ferro gusa quente; (ix) a tecnologia não precisa de processos intensivos em energia e altamente poluentes; (x) a captura de carbono do processo é altamente eficiente; (xi) pode usar biomassa ou gás natural em vez de carvão e reduzir as emissões de CO2; (xii) os investimentos e custos operacionais também são menores devido ao uso de ampla gama de matérias-primas; (xiii) o processo necessita de custos de investimento de capital significativamente menores e produz ferro gusa quente a custos operacionais significativamente menores.

A atratividade do processo HIsarna reside no fato de combinar benefícios ambientais e econômicos. O processo proporciona fácil capacidade de capturar uma alta proporção (até 80%) de CO2 para armazenamento geológico. O processo usa carvões térmicos em vez de carvões metalúrgicos e usa materiais de alimentação de minério de ferro de baixa qualidade. Há redução de 60% a 80% nas emissões de poeira, NOx, SOx e CO.