Injeção de Gás de Coqueria no Alto-Forno: Eficiência e Redução de CO2

A indústria de ferro e aço é uma das principais consumidoras de energia e, portanto, responsável por altas emissões de dióxido de carbono (CO2). Apesar da notável redução nas emissões específicas de CO2 pela maioria das usinas siderúrgicas, a quantidade total de emissões de CO2 cresce mundialmente devido ao aumento contínuo da produção de aço, que atingiu 1606 milhões de toneladas em 2013. Atualmente, a indústria siderúrgica enfrenta demanda crescente para minimizar o consumo de energia e emissões de gases, especialmente nos processos de redução de minério. O uso eficiente de gases subprodutos é essencial para a rentabilidade da operação da usina devido aos altos volumes de energia e custos envolvidos. A injeção de gás de coqueria (GDC) no alto-forno moderno é uma das medidas eficazes para a indústria siderúrgica alcançar redução de ferro com baixo carbono, economia de energia e redução de emissões.

O coque é insumo essencial no processo de redução de ferro e é produzido pelo aquecimento de carvão em fornos de coque. Para produzir coque, o carvão é aquecido na ausência de oxigênio para expelir a matéria volátil. O GDC é produzido como subproduto do processo no caso de baterias de fornos de coque subproduto normalmente instaladas em usinas siderúrgicas. A quantidade específica de GDC gerada durante a coqueria em fornos subproduto varia de 290 a 340 Nm³/t de carga de carvão, dependendo da matéria volátil na carga.

O GDC é atualmente utilizado, após sua limpeza de alcatrão, naftaleno, benzeno bruto, amônia e enxofre, para aquecimento de fogões de alto-forno, fornos de ignição em usinas de sinterização, fornos de aquecimento em laminadores e geração de energia elétrica em usinas termelétricas.

O GDC tem composição consistindo em cerca de 55%-58% H2, 25%-27% CH4, 6%-7% CO e pequenas porcentagens de CO2, N2, hidrocarbonetos e outros elementos. Como a composição do GDC é rica em hidrogênio, tem atraído muita atenção nos últimos anos para sua utilização nos processos de redução.

O GDC também pode atuar como redutor no alto-forno. A injeção de GDC é um processo que envolve a injeção de grandes volumes de gás de coqueria na zona de corrida (raceway) de um alto-forno (AF). Isso fornece não apenas uma fonte suplementar de carbono, mas também acelera a produção de ferro gusa, além de reduzir a necessidade de coque metalúrgico para reações no alto-forno. A tecnologia de injeção de GDC também reduz as emissões absolutas de CO2 e SO2 do alto-forno.

Testes com injeção de gás no alto-forno foram realizados nos EUA em meados da década de 1990.

Em um esforço para economizar energia e reduzir custos, a USS (US Steel) desenvolveu um sistema em suas instalações Mon Valley, localizadas próximo a Pittsburgh, Pensilvânia, que lhes permitiu usar GDC em seus altos-fornos. Embora outros siderúrgicos na América do Norte tenham tentado isso, a USS foi a primeira a usar com sucesso GDC em altos-fornos. Para isso, a USS limpa completamente o gás, aumenta sua pressão e usa tubos de injeção (tuyeres) modificados. A implementação deste projeto custou cerca de USD 6 milhões e resultou em economia anual de USD 6,1 milhões, dando um payback simples de pouco menos de um ano. Além da economia de custos, a injeção de GDC no alto-forno também contribuiu para a redução no consumo de energia e emissões de CO2.

A injeção de GDC no alto-forno influencia as condições na zona de corrida e a redução do minério de ferro. A combustão de hidrocarbonetos do GDC na frente dos tubos de injeção pelo oxigênio do sopro resulta no desenvolvimento de gases monóxido de carbono e hidrogênio, que aumentam o potencial de gás redutor em detrimento do N2. Cálculos teóricos e ensaios comerciais realizados sobre a substituição de gás natural por GDC no AF mostraram menor consumo de coque e maior produção de ferro gusa. A alta eficiência do GDC deve-se ao fato de conter 3,5 a 4 vezes menos hidrocarbonetos comparado ao gás natural. Isso melhora a combustão no cadinho do tubo de injeção, ativa a coluna de coque e aumenta a utilização dos gases no fornot. Observou-se que maior volume e maior poder calorífico do gás de topo do AF podem ser gerados através da injeção de GDC no alto-forno. Também a temperatura média devido à injeção de GDC aumenta com a distância da ponta da lança.

Deve-se notar que as condições na zona de corrida são muito complexas e também influenciam as condições no tubo de injeção e, portanto, a combustão dos gases redutores. Além disso, o aumento de temperatura é maior no caso de injeção de GDC devido a uma combustão mais completa e ao alto poder calorífico do gás (cerca de 4000 a 4400 kcal por metro cúbico normal).

O GDC injetado no nível do tubo de injeção é normalmente acompanhado por enriquecimento de oxigênio do ar quente de sopro. O GDC precisa ser comprimido para injeção e, portanto, requer uma unidade compressora, o que significa aumento no consumo de energia. A injeção de oxigênio no ar de sopro reduz o fluxo específico do gás, causando redução na temperatura de topo e aumento na temperatura adiabática da chama na zona de corrida (RAFT) nos tubos de injeção. Esses efeitos são compensados pela injeção de GDC. Assim, uma injeção combinada de oxigênio e GDC no nível do tubo de injeção aumenta a produtividade do alto-forno. Cada 1% de enriquecimento de oxigênio do ar quente melhora a produtividade em 2,0% a 2,5%. Um diagrama esquemático típico de injeção de GDC em alto-forno é dado na Figura 1.

A injeção de GDC no alto-forno é praticada em alguns países com diferentes taxas de injeção variando de cerca de 30 a 280 Nm³/tHM. Em alguns altos-fornos, o GDC é injetado apenas ocasionalmente porque sua disponibilidade gratuita na usina integrada é limitada. A flexibilidade da utilização do GDC pode ser aprimorada pois o gás pode ser movido entre o alto-forno e algum outro usuário do gás disponível, dependendo da necessidade do momento. Assim, o gás injetado no alto-forno substitui agentes redutores alternativos que teriam que ser comprados de fontes externas.

Além disso, relata-se que o nível máximo de injeção de GDC no tubo de injeção do alto-forno é considerado 0,1 t GDC/tHM de acordo com as condições termoquímicas. A razão de substituição coque/GDC alcançada normalmente é 0,4-0,45 kg/Nm³ (cerca de 0,98 t coque/t GDC) comparado a 0,8-0,85 kg/Nm³ para gás natural (GN).

Um modelo matemático foi desenvolvido pela MEFOS, Suécia, para um tubo de injeção em alto-forno para simular a combustão ao injetar gás redutor. A modelagem matemática sobre a injeção de GDC nos tubos de injeção do alto-forno indicou que melhores condições de combustão e maiores taxas de injeção são alcançadas usando duas lanças de injeção comparado a uma lança. Injeção de GDC com lança única resultou em: (i) visão muito inhomogênea de temperatura e velocidade, (ii) o fluxo atinge o final da zona de corrida com alta velocidade, (iii) temperaturas mais altas no final da zona de corrida, e (iv) nenhum superaquecimento do tubo de injeção. Injeção de GDC com duas lanças resultou em: (i) profundidade de penetração significativamente diminuída, (ii) distribuições mais homogêneas de temperatura, velocidade e concentração de gás, (iii) combustão mais uniforme similar à injeção de óleo pesado, e (iv) nenhum superaquecimento do tubo de injeção. Outros pontos relacionados ao uso de uma ou duas lanças em um alto-forno típico são:

• Ao usar uma lança de injeção, a quantidade máxima de injeção é 10.000 Nm³/h. Se a quantidade de injeção for maior, parte do gás não combustará no tubo de injeção, mas entrará no alto-forno não queimado.
• Para duas lanças de injeção, a quantidade máxima de injeção aumenta para 15.000 Nm³/h, devido a melhores condições de combustão. As condições são melhores pois a velocidade de entrada do gás é menor, a turbulência no tubo de injeção é aumentada, e mais gás de coqueria entra em contato com o sopro, ou seja, a área de reação é maior.
• O efeito da variação dos ângulos de injeção das lanças nos resultados previstos não é óbvio.

Um esquema de um sistema típico de lança de tubo de injeção é mostrado na Figura 2. Inclui duas lanças de injeção para injeção de GDC, inseridas no tubo de sopro, um tubo de sopro e um tubo de injeção de cobre.