Turbina de Recuperação de Pressão de Topo para Gás de Alto-Forno: Otimizando Eficiência Energética

Altos-fornos modernos em usinas siderúrgicas operam com alta pressão de gás de topo. O gás de alto-forno (GAF) saindo do AF no topo ainda mantém pressão de cerca de 1,6 a 3 kg/cm² (manométrica) e tem temperatura de cerca de 200 °C. Este GAF que sai no topo de um AF é limpo para remover poeira e o gás limpo é usado na usina siderúrgica como combustível para aquecimento a uma pressão relativamente baixa. No processo, grande quantidade de energia de pressão é perdida através da válvula. A turbina de recuperação de pressão de topo (TRT) do gás de alto-forno é um mecanismo que utiliza a energia de calor e pressão do GAF de topo para acionar uma turbina. O trabalho gerado pela turbina é transferido a um gerador e convertido em energia elétrica. A TRT gera energia explorando uma propriedade conhecida de todos os gases: a expansão do volume do gás com a redução de sua pressão. O sistema compreende equipamento de coleta de poeira, uma turbina a gás e um gerador.

A TRT é basicamente uma medida de economia de energia no AF que utiliza a energia de pressão residual do gás de topo do AF para gerar energia elétrica. Uma unidade TRT pode produzir cerca de 15 a 60 kWh/t de ferro gusa (FG). Sua produção pode atender cerca de 30% da energia necessária por todos os equipamentos (incluindo o soprador de ar) do AF. O GAF saindo da unidade TRT ainda pode ser usado como combustível na usina siderúrgica.

Durante o processo de produção de ferro, GAF com alta pressão e temperatura é produzido no alto-forno. Na prática convencional, a energia do GAF é desperdiçada pela redução de pressão na válvula de septo. Equipar unidade TRT é a melhor maneira de recuperar as energias de pressão e térmica do GAF. A unidade TRT é normalmente instalada downstream do equipamento de limpeza de gás para um alto-forno. Normalmente é econômico equipar com TRT os altos-fornos com capacidades maiores que 1.000 m³.

O sistema TRT é um sistema de geração de energia, que converte a energia física do gás de topo de AF de alta pressão em eletricidade usando uma turbina de expansão. Embora a diferença de pressão seja baixa, os grandes volumes de gás tornam a recuperação economicamente viável. A tecnologia-chave da TRT é garantir a operação estável e de alta eficiência da turbina de expansão em condições de gás de alto-forno empoeirado, sem prejudicar a operação do AF.

Existem vários parâmetros-chave para uma unidade TRT que determinam o desempenho da TRT e a potência de saída dela. Estes parâmetros-chave são:

• Volume de gás de topo do AF
• Pressão do GAF no topo do alto-forno
• Queda de pressão através da usina de limpeza de gás (ULG)
• Temperatura do GAF após a ULG
• Pressão do GAF na saída da TRT
• Qualidade do GAF no topo do alto-forno
• Eficiência da TRT
• Eficiência do gerador acoplado à TRT

O gás de topo do alto-forno tipicamente contém cerca de 5 g/Nm³ de poeira e deve passar por uma usina de limpeza de gás (ULG) para reduzir a quantidade de poeira para abaixo de 5 mg/Nm³. A redução no teor de poeira é necessária para operação adequada da TRT.

Sistemas de gás de topo de AF com unidades TRT são categorizados como sistemas úmidos e secos de limpeza de gás, dependendo do método que usam para remover partículas de poeira. Sistemas secos usam menos água e eletricidade. Eles têm menor queda de pressão e a temperatura do gás é mais alta em cerca de 50 °C comparado com o sistema tipo úmido. Com limpeza de gás tipo seco, o sistema TRT pode tipicamente produzir 30% mais energia com possibilidade de gerar até 60% mais energia. Sistemas secos são, portanto, considerados ter economia mais favorável.

Existem dois tipos de turbinas: radiais e axiais. Atualmente, turbinas axiais são amplamente usadas em TRT porque são mais apropriadas para lidar com grande volume de vazão. A TRT é geralmente uma turbina de expansão multi-estágio de tipo variável com design de fluxo axial de reação e normalmente provida de carcaça bipartida horizontal e velocidade de governador de 3.000 rpm. A TRT normalmente adota gerador síncrono de excitação sem escovas. O gerador é geralmente projetado adequadamente para operar sob todas as condições de carga impostas pela turbina à qual será conectado. O gerador da TRT geralmente gera a 6,6 kV e então elevado a 33 kV através de transformador elevador 6,6kV/33 kV.

A estabilidade da pressão de topo é de importância chave. A pequena flutuação da pressão de topo é vantajosa para a operação do AF. A pressão de topo é controlada pela abertura ou fechamento das pás do estator do 1º estágio da turbina de acordo com o aumento ou diminuição do volume de GAF. Com turbina convencional, uma válvula de governador também era usada em combinação para controlar a pressão de topo. Uma válvula de governador, no entanto, induz uma perda de pressão maior em comparação com as pás do estator e, assim, era desvantajosa em vista de recuperação de potência e prevenção de ruído. Portanto, no sistema amplamente usado agora, a válvula de governador é eliminada e a pressão de topo é controlada apenas pelas pás do estator do 1º estágio.

O diagrama de fluxo esquemático típico para sistemas TRT úmidos e secos é mostrado na Figura 1.

Após a poeira ser coletada pelo equipamento de limpeza de gás, o GAF limpo é levado à turbina através de uma válvula borboleta de entrada e uma válvula de gargalo de entrada. Válvulas de bypass normalmente fechadas e válvula de desligamento de emergência normalmente aberta são usadas para casos de emergência.

Na TRT, o trabalho mecânico gerado pela turbina é transferido a um gerador para energia elétrica. GAF com baixa pressão e temperatura entra na linha de gás através da válvula de gargalo de saída.

A operação da TRT pode ser dividida em duas fases: (i) fase de partida e (ii) fase de operação normal. Na fase de partida, todas as preparações, como subsistema hidráulico, devem ser verificadas. Então, um sinal para partida da TRT é enviado ao operador do AF. Se o operador concordar com a solicitação, a válvula borboleta de entrada e a válvula de desligamento de emergência serão abertas. A velocidade da turbina é controlada pela válvula borboleta de entrada e a pressão do gás de topo é controlada pelas válvulas de septo. Até que a turbina atinja a velocidade de rotação requerida, as válvulas de septo são fechadas lentamente. Então a fase de partida se transforma na fase de operação normal. Na fase de operação normal, a pressão de topo é totalmente regulada pelas pás do estator do 1º estágio da turbina. A pressão de topo é controlada pela abertura ou fechamento das pás do estator do 1º estágio da turbina.

Sob circunstâncias em que a pressão de topo desejada e o volume de gás de topo não estiverem disponíveis, os gases podem fazer bypass da TRT. Válvula de gargalo de alta pressão tipo fechado, provida no circuito, garante operação ininterrupta do alto-forno sob circunstâncias de isolamento completo da TRT (ex: durante fase de manutenção).

O sistema TRT pode ser sincronizado com o sistema de distribuição de energia da usina siderúrgica. A usina TRT geralmente tem a mesma disponibilidade do alto-forno, que é 350 dias de operação anual. O consumo auxiliar da usina de energia TRT é muito baixo.

A TRT é uma tecnologia comprovada e há muito pouco risco em sua instalação ou operação. Se o sistema TRT falhar por qualquer razão, o gás em expansão é acomodado no scrubber existente. Isso é normal em altos-fornos que não têm sistema TRT instalado.

Não há influência na operação do alto-forno e o GAF não é consumido. Como o GAF é muito combustível, é normalmente utilizado em outras partes da usina para gerar calor ou energia para outros processos. Com o sistema TRT instalado, o GAF efetivamente gera energia duas vezes — uma na turbina e novamente quando é queimado para seu propósito usual.

A TRT é uma tecnologia mais limpa e energeticamente eficiente, pois permite utilização de energia de pressão em corrente de gás residual do processo. A TRT é usada para conservação de energia e redução de emissão de gases de efeito estufa. Embora os benefícios econômicos da instalação de TRT sejam consideráveis, as vantagens ambientais também são uma consideração importante. A TRT é muito sustentável, pois há zero emissões do processo de produção de eletricidade usando esta tecnologia. O processo é 100% verde.

Em resumo, a TRT tem as seguintes características:

• É uma tecnologia de economia de energia usada em alto-forno de usina siderúrgica
• É um equipamento gerador de energia provido de função para controlar a pressão de topo de um alto-forno
• Energia é gerada acionando uma turbina usando gás de alto-forno gerado em um alto-forno
• Nenhum combustível é necessário para geração de energia
• Como nenhum combustível é queimado, não há geração de CO2 ou outros gases de efeito estufa
• Sistema TRT contribui para redução de CO2 de acordo com o volume de geração de energia
• Sistema TRT gera menos ruído em comparação com válvula de septo convencional, contribuindo para melhoria do ambiente ao redor de um alto-forno
• Nenhuma tecnologia sofisticada é necessária para operação e manutenção do sistema TRT e, portanto, pode ser facilmente realizada por pessoal de operação e manutenção do AF
• Apenas pequenas quantidades de água, nitrogênio, etc. são necessárias para operação, que podem ser facilmente cobertas por equipamentos existentes para um alto-forno