Otimização da Produção de Ferro Reduzido Direto (FRD) Usando Gás de Coqueria como Redutor

Ferro reduzido direto (FRD) é tecnicamente definido como minério de ferro que foi reduzido a metal sem fundi-lo. Um processo de produção de FRD é aquele no qual o ferro metálico sólido é obtido diretamente do minério de ferro sólido sem submeter o minério ou o metal à fusão. Os principais processos de produção de FRD são baseados em gás ou carvão. O material de alimentação em um processo de FRD é minério de ferro dimensionado a 10-30 mm ou pelotas de minério de ferro produzidas em uma usina de pelotização.

Na usina baseada em gás, o reator onde ocorre a reação de redução é um forno de eixo (shaft furnace). O forno de eixo opera no princípio de contra-corrente, onde o material de alimentação portador de ferro move-se para baixo no forno por gravidade e é reduzido pelos gases redutores que fluem para cima. Em um processo baseado em gás, combustíveis gasosos são usados. Estes combustíveis devem ser capazes de reformar ou craquear para produzir uma mistura de H2 (hidrogênio) e CO (monóxido de carbono). Gás natural com alto teor de metano é o gás mais comumente usado. O gás natural é reformado para enriquecer com mistura de H2 e CO e esta mistura de gás reformada e enriquecida é pré-aquecida.

O gás de coqueria (GDC) é subproduto do processo de coqueria em bateria de fornos de coque subproduto. O GDC consiste em uma mistura complexa de vários gases. Sua composição tipicamente consiste em 55% H2, 6% CO, 25% CH4 (metano), mais pequenas porcentagens de CO2 (dióxido de carbono), H2O (umidade), alcatrões pesados, hidrocarbonetos voláteis e impurezas de enxofre. Também contém algum N2 (nitrogênio). O GDC é tipicamente usado como gás combustível para várias aplicações de aquecimento dentro da usina siderúrgica, e o GDC excedente é usado para produzir vapor, energia elétrica ou é queimado em flare. O uso de GDC para produção de FRD sempre foi de interesse, mas o desafio tem sido converter o metano em CO e H2 e a limpeza dos alcatrões e hidrocarbonetos voláteis. Cada tonelada de coque produzida gera GDC suficiente para produzir uma tonelada de FRD.

A produção de FRD na rota siderúrgica integrada baseada na utilização do GDC subproduto disponível é um fenômeno muito recente. O uso de GDC tem várias vantagens tanto do ponto de vista econômico quanto ambiental.

O uso de GDC excedente como gás redutor para produzir FRD recupera 97% da energia disponível, comparado a recuperar 30% a 40% queimando o GDC para produzir energia elétrica.

Os dois principais processos, Midrex e HYL, adotaram duas abordagens diferentes para o uso de GDC na produção de FRD baseado em gás.

Processo Midrex

A Midrex começou a analisar métodos de uso de gás de coqueria na redução direta na década de 1970. O problema principal envolvia a presença de hidrocarbonetos insaturados, alcatrões e líquidos, bem como altos níveis de metano e compostos de enxofre no gás bruto. Os estudos mais antigos focaram no condicionamento do gás para uso como componente de gás de alimentação para um reformador Midrex.

Baseado em desenvolvimentos em tecnologia de oxidação parcial, a Midrex decidiu investigar a possibilidade de uso desta tecnologia para condicionar GDC como gás redutor apropriado para o processo MXCOL. No entanto, a desvantagem da oxidação parcial sempre foi a adição necessária de vapor aos reagentes para reduzir a formação de fuligem resultante das reações com oxigênio.

Por volta de meados de 2011, a Praxair desenvolveu uma tecnologia de oxidação parcial que oferecia comercialmente.

Esta tecnologia de oxidação parcial tem características únicas que oferecem o potencial de fazer oxidação parcial de hidrocarbonetos, livre de fuligem, sem injeção de vapor. Quando esta tecnologia é combinada com uma câmara de reação térmica estendida na qual um fluxo de GDC pré-aquecido é injetado, o gás de produto deixando o reator é adequado para uso como fonte redutora para redução direta. Todo este agrupamento de equipamentos, incluindo compressão de gás, pré-aquecimento e reação, constitui o sistema de reator térmico (TRS).

O TRS emprega a tecnologia da Praxair para oxidação parcial de GDC. O sistema produz um jato de oxigênio de velocidade extrema quente in-situ que arrasta rapidamente GDC pré-aquecido, reforma o metano, quebra hidrocarbonetos pesados e destrói os alcatrões sem necessidade de catalisador. O gás de síntese reformado então sai do TRS e é alimentado no forno de eixo para produzir FRD.

Durante testes em escala piloto, mais de 96% de destruição de alcatrão foi alcançada junto com reforma otimizada de metano. Além disso, condições operacionais foram desenvolvidas para evitar geração líquida de fuligem.

Estes resultados de testes em escala piloto foram escalados em uma planta de demonstração em escala 1/20 nas extensivas instalações de pesquisa da Midrex em Charlotte, NC. Os resultados típicos obtidos nas operações de teste de demonstração do GDC são dados na Tabela 1.

Tabela 1: Resultados típicos obtidos nas operações de teste de demonstração do GDC

Componente	Análise GDC Entrada TRS	Análise Gás de Síntese Saída TRS
CO	4 a 6%	22 a 28%
CO2	1 a 3%	1 a 3%
H2	55 a 65%	55 a 65%
H2O	0,4 a 0,8%	0,5 a 2,5%
CH4	20 a 30%	0,5 a 3,0%
N2	2 a 4%	3 a 8%
BTX	0,3 a 2,0%	0,0%
HHC	0,2 a 0,6%	0,0%
Fuligem	—	0,01 mg/Nm³

As duas principais opções de TRS disponíveis para uso de GDC são com fluxograma MXCOL e com reformador Midrex.

• Uso de GDC com o processo MXCOL — O processo MXCOL foi originalmente desenvolvido para utilizar gás de síntese de gaseificadores de carvão para produzir FRD. O processo incorpora o uso de um sistema de remoção de CO2, tipicamente usando tecnologia de remoção baseada em solução de amina, e um aquecedor de tubos radiantes para aquecer o gás redutor e gás de síntese antes do busto do forno. Fluxograma típico do processo MXCOL com uso de GDC é dado na Figura 1.

• Uso de GDC com reformador Midrex — O TRS pode suplementar o suprimento existente de gás de síntese necessário para cada tonelada de FRD. Adição de GDC diretamente no fluxograma padrão do processo Midrex pode ser realizada adicionando o gás à zona de transição ou ao gás de busto, como mostrado no item 1 da Figura 2. Ao fazer isso, as temperaturas da zona metálica e a atividade de reforma da zona metálica destroem e convertem os alcatrões e hidrocarbonetos voláteis no GDC. No entanto, o problema é que quando a taxa de adição de GDC atinge um ponto crítico, a usina atinge uma condição de combustível de exportação em que mais gás de topo é gerado do que o reformador pode consumir. O GDC também pode ser usado como combustível de queimador (2), mas o efeito líquido é que o GDC fornecido aos queimadores gerará uma quantidade de exportação de gás de topo. A adição de GDC no gás de busto (3) ou gás de alimentação (4) pode ser feita usando um TRS, o que também requer a adição de um sistema de remoção de CO2 para controlar o combustível de exportação que resultaria da adição de GDC.

Processo HYL

Conforme o status atual da tecnologia, o processo HYL ZR (auto-reformação) foi desenvolvido para permitir a redução de minérios de ferro em forno de eixo sem equipamento externo de reforma de gás. Este esquema de processo tem a capacidade de produzir FRD de alto carbono, o que permite aos produtores obter benefícios máximos do carbono no processo de produção de aço. A aliança recente entre Tenova HYL, Techint e Danieli traz um novo nome de marca para este processo. O processo agora é conhecido como 'Energiron'.

Em regiões onde o gás natural é caro ou tem baixa disponibilidade, o processo pode ser facilmente configurado para operar usando GDC, gás de síntese de gaseificadores de carvão e outras fontes de hidrocarbonetos.

Como todos os gases redutores são gerados na seção de redução, aproveitando o efeito catalítico do ferro metálico dentro do forno de eixo, a eficiência de redução ótima é atingida neste processo. Assim, um reformador externo de gás redutor não é necessário.

O esquema básico do Energiron permite a utilização direta de gás natural. Claro, usinas Energiron também podem usar equipamentos convencionais de reforma a vapor-gás natural, que há muito caracterizam o processo. Outros agentes redutores como GDC, hidrogênio, gases de gaseificação de carvão, petcoke e combustíveis fósseis similares, entre outros, são também fontes potenciais de gás redutor dependendo da situação particular e disponibilidade. O fluxograma do processo está na Figura 3.

Adicionalmente, a usina de redução direta pode ser projetada para produzir FRD de alto carbono, FRD a quente, que pode ser alimentado diretamente a um forno a arco elétrico adjacente através do Sistema HYTEMP ou a unidades de briquetagem para produzir HBI ou qualquer combinação destes produtos.

A eficiência energética global do processo ZR é otimizada pela integração de alta temperatura de redução (acima de 1050 °C), reforma 'in-situ' dentro do forno de eixo, bem como por menor utilização de equipamentos térmicos na usina. Portanto, o produto leva a maior parte da energia fornecida ao processo, com perdas mínimas de energia para o ambiente.

O processo permite atingir teores de carbono até 5,5%, devido ao potencial de cementação melhorado dos gases dentro do reator e a maior parte do carbono está presente na forma de carboneto de ferro.

Embora as composições químicas de GDC e gás natural (GN) sejam bastante diferentes, o GDC pode ser usado diretamente no processo ZR com a mesma configuração básica; na verdade, a composição do gás entrando no reator é muito similar, como indicado na Figura 4 para ambos ZR baseado em gás natural ou ZR baseado em GDC. Requisito típico de GDC para produção de FRD, baseado no processo HYL-ZR, é cerca de 9,5 GJ/t FRD, para FRD de 94% de metalização e 4% de carbono.