Granulação Seca de Escória de Alto-Forno: Impulsionando Recuperação de Energia e Sustentabilidade

Cerca de 300 kg de escória líquida é produzida como subproduto na produção de uma tonelada de ferro-gusa em alto-forno (BF). Esta escória está a ~1.500 °C e tem calor sensível de ~400 MCal/ton. Escória de BF rica em CaO, SiO₂, Al₂O₃, MgO — componentes similares ao cimento Portland.

Quando escória líquida de alta temperatura é resfriada rápido o suficiente, apresenta grande porcentagem de fase vítrea com alta atividade cimentícia, podendo ser usada como produto de maior valor, especialmente para substituição de cimento Portland. Também boa forma de reduzir emissão de CO₂, pois fabricação de cimento também produz grande quantidade de CO₂.

Granulação Úmida Convencional

Para obter fase vítrea, escória líquida submetida a granulação por água. Hoje, resfriamento rápido em planta de granulação fechada é estado da arte. Resfriamento rápido na água previne cristalização e fragmenta escória em partículas pequenas por tensão térmica. Escória congela em granulado amorfo = escória de BF granulada. Taxa de não cristalização da escória granulada por água pode atingir 95%. Por outro lado, fase vítrea obtida por resfriamento lento no ar é limitada.

Porém, granulação por água consome grandes volumes de água (1.000–1.500 L perda evaporativa/ton escória) e pode gerar névoa ácida causando poluição do ar. Também necessidade de gestão adequada de água e secagem da escória granulada. Não só calor sensível perdido, mas necessário unidade de secagem upstream para uso na indústria cimenteira. Secagem consome energia térmica até 72 MCal/ton escória.

Desenvolvimento da Granulação Seca com Recuperação de Calor

Na área de granulação seca com recuperação de calor, processos em desenvolvimento em vários países.

Progresso na Europa

• Merox Ltd (Suécia), subsidiária de empresa estatal: escória granulada golpeando filme descendente com partículas de escória previamente solidificadas. Filme fragmentado em grânulos que caem em leito fluidizado multiestágio de onde calor recuperado. Afirma-se > 60% do calor sensível recuperado como vapor; produto com alto teor vítreo adequado para cimento.
• British Steel (Tata Steel), Redcar (UK), anos 1990: primeiros testes granulação seca. Distância copo atomizador-parede ~10 m para evitar escória fundida aderir. Partículas com qualidade e estrutura amorfa como granulação úmida encontradas; método seco pareceu viável. Mas scale-up não feito.
• Vitkovice (Rep. Tcheca), 2002–2004: granulator menor para vazão 20 kg/min escória líquida, sem recuperação de calor. Testes bem-sucedidos.
• Siemens VAI + Montanuniversität Leoben: novo rig laboratorial DSG (Dry Slag Granulation) instalado para P&D. Parceiros: voestalpine, ThyssenKrupp, FEhS-Institut. Financiado por BMWi. DSG evita aspectos negativos da granulação úmida. Objetivos: produzir escória granulada para cimento com propriedades similares ao método úmido (> 95% vítreo) e obter ar quente do resfriamento para recuperação de calor. Baseado no princípio "Copo Rotativo" (Davy), onde escória fundida atomizada por copo rotativo a velocidade variável. Partículas fundidas congelam durante voo para parede do granulator antes de cair em leito fluidizado desenvolvido por partículas solidificadas.
• Rig laboratorial em Leoben projetado com base em testes FEhS e modelagem Siemens VAI para melhores parâmetros operacionais para escória granulada alta qualidade e maiores temperaturas saída de ar. ~300 kg escória fundida no "Flash-Reactor" por ensaio. Escória vazada em potes revestidos refratário para evitar perdas. Pote manipulado em unidade basculante próxima ao granulator. Alimentação medida/controlada por células de carga. Escória entregue ao centro do granulator passando por canal e tubo refratário vertical. Após atomização, gotas resfriam rapidamente durante voo para parede, espalhadas pelo copo giratório rápido. Superfície da partícula deve solidificar neste curto tempo de voo antes de cair em leito fluidizado desenvolvido por partículas granuladas.

Trabalho na Austrália

Pesquisa CSIRO demonstrou em escala laboratorial e piloto que granulação seca produz escória adequada como substituto de cimento; calor liberado capturado por pequeno volume de ar → adequado para recuperação de calor de alta qualidade. Projeto planejado para desenvolver tecnologia, com ênfase em capturar calor residual do resfriamento da escória e desenvolver know-how para scale-up piloto-industrial. Parte da contribuição da indústria siderúrgica australiana ao Programa CO2 Breakthrough da World Steel Association. Objetivo: desenvolver processo granulação seca que produza escória alto valor e permita captura/recuperação do calor residual, demonstrando benefícios tecnoeconômicos, energéticos e sustentabilidade em escala piloto. Também visava escalar tecnologia e demonstrar em testes de planta.

Conceito integrado de granulação seca e recuperação de calor demonstrado com sucesso através de instalação piloto protótipo no CSIRO. Processo desenhado performou bem, operação suave sob condições variáveis e altas taxas de vazamento de escória. Muitos testes com escórias industriais de BF; produtos granulados coletados, caracterizados, avaliados quanto a propriedades cimentícias. Avaliação por laboratório terceirizado: escórias granuladas secas têm boas propriedades cimentícias, adequadas para produção de cimento.

Avaliação tecnoeconômica indicou vantagens significativas da granulação seca sobre úmida em custo capital e operacional. Visitas a plantas para coletar dados de vazamento e medir temperaturas de escória/ferro-gusa em Whyalla (One Steel) e Port Kembla (BlueScope). Dados avaliados para implementação de granulação seca; resultados documentados.

Modelagem CFD (dinâmica de fluidos computacional) avançada do processo realizada com sucesso. Modelo CFD para transferência de calor e mecânica dos fluidos na atomização por disco giratório montado e validado com dados experimentais do piloto CSIRO. Plano de negócios preliminar para estágios subsequentes desenvolvido.

Trabalho no Japão

Três esquemas em investigação:

• Sumitomo Metals: granulação seca onde jato de escória quebra ao impingir em tambor rotativo. Partículas caem em leito fluidizado onde calor recuperado. Visa produzir escória particulada para substituir areia de rio e recuperar ~55% do calor em ar quente.
• Mitsubishi Heavy Industries + Nippon Kokan KK: granulação de escória de conversor (BOF) usando jato de ar potente para fragmentar jato de escória. Partículas solidificam no ar; calor recuperado por radiação do spray e leito fluidizado onde caem. Produto usado como agregado construção.
• Kawasaki Steel: recuperação de calor de escória BF. Granulação por agitação mecânica; recuperação por radiação e depois por partículas granuladas em leito fluidizado. Produto usado como agregado construção.

Granulação Seca com Atomizador Copo Rotativo a Jato de Ar

Processo essencialmente: atomizar escória líquida e resfriar partículas rapidamente para produzir escória vítrea. Atomização por atomizador copo rotativo a jato de ar. Partículas resfriam no ar e mais no leito fluidizado. Ambos fornecem resfriamento rápido para formação de produto vítreo. Leito fluidizado método conveniente para conter partículas, prevenindo aglomeração de partículas quentes além de resfriamento rápido.

Partículas com diâmetro médio ~2 mm produzidas pelo atomizador → forma fácil manuseio. Testes mostraram: partículas resfriadas rápido o suficiente para teor vítreo > 95%. Pouca lã de escória produzida. Princípio do atomizador copo rotativo na Figura 1.

Figura 1: Princípio do atomizador copo rotativo

Vantagens do Atomizador Copo Rotativo a Jato de Ar

• Controle fino fácil. Tamanho partícula controlado variando velocidade do copo ou vazão do jato de ar. Produz faixa de tamanho relativamente estreita. Problema de copo rotativo em contato com escória fundida não é limitação e pode ser resolvido com design cuidadoso e escolha correta de materiais.
• Potência necessária consideravelmente menor que atomizador twin-fluid. Twin-fluid precisa > 20x potência para atomizar escória a partículas similares. Pode afetar economia global de recuperação de calor em até 5%.
• Trajetória das partículas para fora e para cima. Movimento para cima permite uso onde altura restrita entre ponto de entrega de escória e solo, como em alto-forno onde escória fornecida do piso da casa de vazamento (~7 m acima do solo).

Atomizador opera girando filme fino de escória que se estende radialmente da borda do copo. À medida que filme se estende, quebra por conta própria. Presença de jato de ar anelar ao redor do copo auxilia quebra induzindo ondas instáveis no filme. Jato de ar produz partículas menores de tamanho mais uniforme e deflete partículas para cima produzindo spray em forma de cone movendo-se para fora do atomizador.

Recuperação de Calor da Escória

• À medida que spray de partículas move-se para fora, calor perdido por radiação ao vaso e convecção ao ar movendo-se através do vaso. Tempo de voo curto (~0,1 s) → temperatura cai apenas ~100–200 °C.
• No impacto com parede, calor transferido da escória à parede. Testes mostram: se parede mantida relativamente fria, partículas não aderem, quicam imediatamente ou caem após tempo muito curto. Tempo de contato < 0,1 s; redução de temperatura ~150 °C.
• Mais calor perdido por radiação e convecção à medida que partículas caem da parede no leito fluidizado primário.
• Restante da recuperação nos leitos fluidizados, por transferência apenas ao ar de fluidização ou adicionalmente por tubos de caldeira imersos ou outras superfícies de transferência. No leito, ar de fluidização e sólidos saem à mesma temperatura dos sólidos no leito. Temperatura do leito secundário deve ser escolhida cuidadosamente. Se temperatura bulk muito alta, calor recuperável desperdiçado; se muito baixa, utilidade do ar quente na descarga reduzida.

Trabalho Experimental

Trabalho experimental com objetivo inicial de investigar se atomização produziria partículas pequenas com estrutura vítrea. Atomizador copo rotativo a jato de ar construído: copo 100 mm diâmetro, faixa velocidade 500–1.500 rpm. Vazões de escória: 0,2–0,5 kg/s. Testes restritos a ~2,5 min por capacidade limitada (~30 kg) do forno laboratorial de fusão de escória.

Testes iniciais provaram: processo funciona; partículas pequenas com 95% teor vítreo produzidas. Testes adicionais para investigar tamanhos e trajetórias de spray.

Calor sensível na escória fundida relativo a 30 °C ao sair do BF a 1.500 °C ~ 400 MCal/kg. Do fluxo total, ~14% transbordaria acumulador de escória a desperdício. Dos 86% restantes, 32% do calor não recuperável porque:

• Calor latente de cristalização não liberado quando escória vítrea formada
• Produto sólido descarregado do processo a 250 °C
• Perdas no acumulador de escória

Assim, apenas 58,5% do calor sensível da escória descarregada do BF pode ser recuperado.

Desafio Principal e Conclusão

Principal desafio: garantir congelamento rápido da escória para atingir ponto de transformação muito rápido. Caso contrário, escória solidificada não totalmente vítrea mas parcialmente cristalina → inadequada para cimento. Resfriamento com ar muito mais difícil devido capacidade calorífica substancialmente menor que água. Além disso, ar aquece ao fluir pelo leito agitado; diferença de temperatura piora o processo.

Campanhas iniciais mostraram resultados promissores quanto a teor vítreo, distribuição granulométrica, forma das partículas. Aumento significativo de temperatura de gás de saída medido. Com dados, otimização do processo e scale-up para investigações futuras realizáveis. Usando granulação seca em usinas integradas, moinhos ganham acesso ao calor sensível da escória de BF. Energia recuperada usada para produção de vapor/eletricidade ou outros pré-aquecimentos úteis. Potencial: recuperar 20 MW térmico ou ~6 MW geração elétrica de alimentação de 1 ton/min escória. Sem necessidade de sistema secagem upstream, energia e CO₂ economizados. Em resumo, granulação seca de escória de BF permite processamento subsequente ambientalmente amigável e sustentável para um dos grandes potenciais de recuperação de calor em BF moderno.