Planta de Subprodutos de Coqueria: Otimizando Captura de Gás e Eficiência Energética

Visão Geral

A planta de subprodutos (by-product plant) é parte integrante do processo de coqueria por subprodutos. Durante a produção de coque por carbonização do carvão em bateria de fornos de coque, grande quantidade de gás é gerada pela vaporização da matéria volátil do carvão. O gás é gerado durante a maior parte do período de coquização, com composição e taxa de evolução variando, completando-se normalmente quando a carga atinge 700 °C. Este gás é o gás de coque bruto (raw coke oven gas), processado na planta de subprodutos.

Funções da planta: (1) processar o gás bruto para recuperar químicos valiosos do carvão; (2) condicionar o gás para uso como combustível limpo e ambientalmente amigável.

Tratamento Inicial do Gás

Ao sair das câmaras do forno, o gás bruto é borrifado com licor de lavagem (flushing liquor) para reduzir temperatura a nível manejável e condensar componentes de maior ponto de ebulição. Resfriamento adiabático por evaporação do licor leva o gás a ~80 °C, saturado com água. Temperatura baixa o suficiente para manuseio nos coletores principais (gas collecting mains).

Da coletora principal, o gás flui à coletora de sucção (suction main). A quantidade de licor borrifado excede a necessária para resfriamento; o excesso forma corrente líquida na coletora. Neste ponto, duas correntes: condensado líquido e gás. Passam por válvula borboleta de controle antes de deixar a área da bateria. Válvula mantém pressão ligeiramente positiva na coletora para condições seguras nas câmaras.

A corrente líquida arrasta alcatrão condensado e outros compostos. Flui por gravidade à coletora de sucção junto com o gás. Separados por pote de drenagem (drain pot / down comer) na coletora de sucção. Licor e gás seguem separadamente à planta de subprodutos.

Composição do Gás Bruto Saturado

• ~46–48% vapor de água.
• Hidrogênio, metano, nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, parafinas altas, hidrocarbonetos insaturados (etano, propano, etc.), oxigênio.
• Contaminantes (dão características únicas): componentes de alcatrão, gases ácidos de alcatrão (fenóis), gases básicos de alcatrão (bases piridínicas), BTX (benzeno, tolueno, xileno), óleo leve, aromáticos, naftaleno, amônia (NH₃), sulfeto de hidrogênio (H₂S), cianeto de hidrogênio (HCN), cloreto de amônio, dissulfeto de carbono.

Funções da Planta de Subprodutos (Tratamento do Gás)

• Resfriar gás para condensar vapor d'água e contaminantes.
• Remover aerossóis de alcatrão (evitar incrustação de linhas/equipamentos).
• Remover amônia (evitar corrosão de gasodutos).
• Remover naftaleno (evitar incrustação por condensação).
• Remover óleo leve para recuperação/venda de BTX.
• Remover sulfeto de hidrogênio (atender regulamentos de emissão na combustão do gás de coque).

Além de tratar o gás, a planta deve condicionar o licor de lavagem retornado à bateria e tratar efluentes do processo de coqueria.

Fig. 1 – Diagrama de blocos típico da planta de subprodutos

Planta de Processamento de Alcatrão e Licor

Processa o licor de lavagem que circula entre a planta e a bateria, e o efluente gerado (umidade do carvão + água quimicamente ligada).

Funções principais:

• Separação contínua e rápida de corrente de licor de lavagem adequada (crítico para resfriar gases de saída do forno).
• Separar licor de amônia limpo e livre de alcatrão para processamento posterior.
• Separar alcatrão limpo, essencialmente livre de água e sólidos.

Equipamentos de reserva (stand-by) para decantação e recirculação do licor são norma.

Licor flui a decanteres de alcatrão: alcatrão separa da água, bombeado a armazenamento para destilação ou venda. Sólidos pesados separam da camada de alcatrão → lodo do decanter. Licor aquoso bombeado de volta à bateria; parte sangrada do circuito = "licor excedente" ou efluente da coqueria. Contém amônia; após remoção adicional de partículas de alcatrão, é destilado (stripped) em coluna (still) com adição de álcali (ex.: NaOH) para decompor compostos de amônia. Vapor de amônia da coluna vai ao gás de coque (upstream da remoção de NH₃) ou a coluna é integrada ao sistema de remoção de amônia. Destino final da amônia removida (gás + efluente) é o mesmo. Efluente da coluna (stripped effluent) é descartado ou tratado em estação biológica on-site para remover amônia residual, fenol e cianetos.

Processos de Tratamento do Gás

Resfriador Primário de Gás (Primary Gas Cooler)

Resfria gás bruto para remover vapor d'água e reduzir volume. Dois tipos básicos:

• Tipo spray (contato direto): gás resfriado por contato direto com spray de água recirculada; água de resfriamento resfriada externamente em trocadores.
• Tipo tubular horizontal (indireto): gás resfriado indiretamente fluindo através de tubos horizontais com água de resfriamento bombeada. Água não contacta gás → pode ser resfriada em torre de resfriamento.

Ao resfriar, água, alcatrão e naftaleno condensam. Condensado coletado no sistema do resfriador primário e enviado à planta de alcatrão/licor.

Precipitadores Eletrostáticos de Alcatrão (Tar Precipitators)

Alcatrão vapor condensado forma aerossóis carregados pelo fluxo de gás. Contaminam/foulam processos downstream, linhas e bicos de queima. Precipitadores usam eletrodos de alta tensão para carregar partículas e coletá-las por atração eletrostática. Podem ser instalados antes ou depois do exaustor.

Exaustor (Exhauster)

Fornece força motriz para induzir fluxo do gás da bateria através da planta. Importância primordial: controle preciso da pressão na coletora principal, afetando emissões (ex.: emissões de portas). Falha do exaustor → ventilação imediata de todo gás bruto à atmosfera via flares da bateria.

Remoção de Amônia

Necessária pela natureza corrosiva. Resulta em sulfato de amônio, produto vendável.

• Processo com ácido sulfúrico: contato do gás com solução de H₂SO₄. Variações: absorvedor (spray de ácido no gás) ou saturador (gás borbulha em banho de ácido). H₂SO₄ reage com NH₃ formando (NH₄)₂SO₄, cristalizado, seco, vendido como fertilizante.
• Processo de lavagem com água (water wash): gás lavado com água, dissolve NH₃ (+ H₂S, HCN). Solução bombeada a coluna de amônia (ammonia still) onde vapor remove NH₃. Vapores podem: formar sulfato de amônio (como acima), condensar para solução forte de amônia, incinerar, ou conversão catalítica a N₂ + H₂ (reciclados ao gás de coque).
• Processo PHOSAM (US Steel): absorve NH₃ com solução de fosfato monoamônico. Produz amônia anidra vendável.

Resfriador Final de Gás (Final Gas Cooler)

Remove calor de compressão do gás adquirido ao passar pelo exaustor. Necessário pois eficiências de muitos processos melhoram a temperaturas menores. Colocado upstream de lavadores de amônia (water wash). Resfria por contato direto com meio (água ou óleo de lavagem).

Aspecto crítico: ao resfriar abaixo da temperatura de saída do resfriador primário, naftaleno condensa. Cristaliza facilmente do meio de resfriamento e foula equipamentos se não removido. Em resfriadores a óleo, naftaleno dissolve no óleo; side-stream do óleo é destilado a vapor para remover naftaleno. Se água é usada, naftaleno condensado é absorvido usando alcatrão (entrainado na água com blowdown contínuo, ou camada de alcatrão por onde água flui; alcatrão trocado continuamente com alcatrão fresco da planta de alcatrão/licor).

Remoção de Naftaleno

Em vaso de lavagem (gas scrubbing vessel) usando óleo de lavagem (wash oil). Vaso pode ser de leito empacotado (packed) ou "void" (spray de óleo em vários estágios). Óleo regenerado por destilação (stripping) do naftaleno com vapor em coluna. Em algumas plantas, integrado à remoção de óleo leve. Naftaleno recuperado como corrente de óleo mais pesado, misturado ao alcatrão produzido.

Óleo Leve (Light Oil / Benzol Oil)

Mistura de químicos similares, principalmente BTX. Remoção usa óleo de lavagem (processo similar ao naftaleno). Óleo leve destilado da wash oil em coluna (still) e condensado → óleo leve bruto (crude light oil). Pode ser vendido para refino off-site ou refinado na própria planta (várias etapas de destilação na light oil plant). Pode ser deixado no gás de coque (aumenta poder calorífico).

Desulfurização do Gás de Coque

Remoção de H₂S. Processos principais: vácuo, amônia, lavagem (wash), sulfiban, claus. O processo específico determina posição no trem de gás.