Redução Direta Energiron: Produção de Ferro Limpa e Econômica

A tecnologia de redução direta Energiron é um processo baseado em gás. Converte pelotas ou lump de minério de ferro em ferro metálico. Usa tecnologia HYL desenvolvida conjuntamente por Tenova e Danieli, sendo solução competitiva e ambientalmente limpa para reduzir custo de produção de aço líquido. Configuração de planta simples, flexibilidade para diferentes fontes de gases redutores e uso eficiente e flexível de minérios de ferro. Fator-chave: operação pressurizada.

Energiron é o nome do produto DRI (ferro reduzido direto) produzido. Nomeado pois carrega energia substancial realizada durante processo de fabricação de aço. Produto altamente metalizado com teor de carbono (C) controlável entre 1,5% e 5,0%. Maior teor de C gera energia química no forno a arco elétrico (EAF). Característica estável permite transporte seguro e fácil sem briquetagem, seguindo diretrizes IMO.

Processo flexível para produzir três formas de produto: DRI frio, HBI (ferro briquetado a quente) ou DRI quente ("Hytemp", temperatura descarga > 700 °C). DRI frio para usina de fusão adjacente ou exportação. HBI: DRI descarregado quente, briquetado, resfriado; produto comercial para exportação. Hytemp: DRI quente transportado pneumaticamente para usina adjacente para alimentação direta no EAF.

Histórico e Desenvolvimento

Desenvolvimento inicial pela Hylsa. Em 1977, Hylsa criou divisão HYL Technologies para desenvolver e comercializar tecnologias de redução direta. 2005: Techint Technologies adquiriu HYL Technologies; divisão passou a se chamar Tenova HYL. 2006: Aliança estratégica Tenova e Danieli para projeto e construção de plantas DR a gás sob marca "Energiron". Primeira planta comercial HYL ZR (zero-reformer) em 1998. Primeira planta nova geração Energiron ZR de 2 milhões t/ano na Suez Steel. Maior planta Energiron em módulo único de 2,5 milhões t/ano na Nucor Steel.

Processo de Redução Direta Energiron

Usa forno de eixo de redução para produzir DRI. Converte pelota/lump em ferro metálico por gases redutores em forno de eixo de leito móvel sólido-gás. Oxigênio removido do minério por reações químicas baseadas em hidrogênio (H₂) e monóxido de carbono (CO), produzindo DRI altamente metalizado. Controle independente de metalização e carbono do produto. Baseado no esquema ZR.

Gases redutores quentes alimentados no forno na zona de redução. Fluem para cima contracorrente ao leito móvel de carga de ferro. Distribuição de gás uniforme, alto contato direto gás-sólido sem restrições físicas. Gás de exaustão (gás de topo) sai a ~400 °C e passa por recuperador de calor, gerando vapor. Alternativamente, energia do gás de exaustão pré-aquece gás redutor, depois resfriado por quench/scrubbing com água.

Gás de resfriamento lavado passa por compressor de reciclagem para retornar ao forno, após reposição com gás natural (GN). GN injetado como reposição no circuito de gás de resfriamento para eficiência e controle ótimos de resfriamento e carburização.

Remoção de O₂ do minério por ação dos gases redutores quentes, depois produto carburizado. Válvula rotativa na base regula fluxo gravitacional contínuo da carga. Energiron descarregado por mecanismos automatizados: silos pressurizados e eclusas. Alimentadores de fluxo especialmente projetados garantem fluxo uniforme de sólidos no forno. Para DRI frio, gás de resfriamento alimentado na parte cônica inferior a ~40 °C, fluindo contracorrente ao leito móvel de DRI.

Para produto quente, circuito de resfriamento eliminado; DRI quente descarregado continuamente > 700 °C. Para sistema pneumático "Hytemp", produto transportado por gás carreador para silos de surto na usina de fusão, para alimentação controlada no EAF. Para HBI, DRI quente > 700 °C descarregado em máquinas de briquetagem a quente; HBI resfriado em transportadores vibratórios com água e descarregado em transportador de HBI.

Característica ambiental importante: eliminação seletiva de subprodutos da redução: água (H₂O) e dióxido de carbono (CO₂). Eliminados por scrubbing de gás de topo e sistemas de remoção de CO₂. Remoção seletiva otimiza necessidades de reposição. H₂O produzida condensada e removida da corrente de gás; maior parte da poeira separada. Gás lavado passa por compressor de reciclagem, pressão aumentada. Gás comprimido enviado a unidade de remoção de CO₂, misturado com GN de reposição, fechando circuito de gás redutor.

Esquema ZR Energiron

Caracterizado por: (i) utilização de gases redutores ricos em H₂ (razão H₂/CO ~5), (ii) alta temperatura de redução (> 1050 °C), (iii) alta pressão operacional (6-8 kg/cm² no forno de leito móvel). Alta pressão permite: (i) baixa fluidização, (ii) maior entrada de finos, (iii) alta produtividade (~10 t/h/m²), (iv) menor consumo de minério, (v) baixas velocidades de gás redutor (~2 m/s), (vi) menor consumo de energia por menor fator de compressão. Resulta em fornos menores, distribuição homogênea de gás, minimiza perdas de poeira (<1%) por arrasto no gás de topo. Desvio padrão muito baixo na qualidade do Energiron prime; menor consumo de minério (~1,4 t minério/t DRI com peneiramento a 3,2 mm e sem refugo). Reduz custos operacionais. Flexibilidade maior para carburização do DRI sem reformador integrado/externo.

Automação do Processo

Combina processos físico-químicos complexos a serem otimizados para reações químicas desejadas e trocas de calor e massa entre fases gasosa, líquida e sólida. Sistema de automação completo usa tecnologia mais recente em controladores de processo, diagnóstico de software, alta disponibilidade e failsafe. Controlado por >5.500 variáveis analógicas e digitais, analisadas automaticamente. Variáveis de instrumentos de campo coletadas por sistemas de aquisição (CLPs, HMIs), fornecendo informações para monitoramento e otimização contínuos. Software avançado gerencia coleta integrada, análise, relatórios web com ferramentas estatísticas para suporte à decisão. Permite otimizar eficiência detectando pontos de ajuste ótimos em tempo real, com economia de energia significativa.

Sistema de controle baseado em arquitetura: nível 1 tradicional para controle de equipamentos com DCS (sistema de controle distribuído), mais nível 2 para supervisão de processo, rastreamento de dados, relatórios de produção e otimização. Modelo de Reconstrução de Processo (PRM) desenvolvido: usa sinais de instrumentação do CLP e equações físicas para descrição completa do estado da planta. Permite calcular itens normalmente não mensuráveis: composição do gás de topo e razão red/ox relevante.

Reações do Processo

Três tipos de reações químicas: (i) reformação, (ii) redução, (iii) carburização.

Reformação in-situ:

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂
CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂
CH₄ + H₂O = CO + 3H₂
2H₂ + O₂ = 2H₂O
CO₂ + H₂ = CO + H₂O

Redução e carburização do DRI:

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O
3Fe + CH₄ = Fe₃C + 2H₂
3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂
3Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

Planta e Equipamentos

• Forno de eixo de redução com sistema de carregamento de carga de ferro e descarga de produto
• Circuito de gás redutor: aquecedor de gás de processo, recuperador de calor de gás de topo, unidade de quench/scrubbing, compressor de reciclagem, torre de umidificação, tambores de knockout
• Operação com consumo mínimo de GN e água, injeção de O₂
• Sistema de descarga: cooler para DRI frio, máquina de briquetagem a quente para HBI, sistema pneumático Hytemp para DRI quente direto ao EAF
• Circuito externo de gás de resfriamento: unidade quench/scrubbing, compressor de reciclagem
• Sistema de adsorção PSA (pressure swing adsorption) para remoção de CO₂ do gás redutor
• Manuseio de minério: silo de surto, transportadores, estação de peneiramento, sistema de revestimento de pelotas, alimentador, unidades de amostragem e pesagem
• Sistema de manuseio de DRI: transportadores para DRI frio
• Torre de resfriamento com equipamentos de filtração e bombas
• Sistema de água de resfriamento de processo, circuito fechado para minimizar consumo, com clarificador e lagoas de decantação
• Sistema de controle e instrumentação: controle distribuído baseado em microprocessador
• Subestação elétrica, motores elétricos, iluminação
• Sistema de gás inerte (normalmente N₂)
• Compressor de ar

Parâmetros Operacionais e Consumos Específicos

Tabela 1: Características típicas do produto

Item	Unidade	DRI	HBI	Hytemp
Metalização	%	92-95	92-95	92-95
Carbono	%	1,5-5,5	1,5-2,5	1,5-5,5
Temperatura	°C	40	40	>600
Densidade aparente	t/m³	1,60	2,50	1,60
Densidade real	t/m³	3,20	5,00	3,20
Tamanho nominal	mm	6-15	110x60x30	6-15
Fe₃C	%	25-60	25-30	25-60

Tabela 2: Parâmetros operacionais e consumos específicos (Energiron ZR)

Item	Unidade	DRI Frio		HBI	DRI Quente
Carbono	%	4,5	2,5	2,5	4,5	4,5
Metalização	%	93	93	93	93	93
Temp. DRI	°C	40	40	700	700	700
Carga de ferro	t/t	1,36	1,39	1,41	1,36	1,39
Gás natural	Gcal/t	2,25	2,20	2,23	2,35	2,25
Eletricidade	kWh/t	65	65	80	65	65
Oxigênio	Nm³/t	42	53	53	48	53
Água	m³/t	0,8	0,8	1,1	0,8	0,8
Nitrogênio	Nm³/t	12	12	19	18	18

Tabela 3: Emissões típicas (Energiron ZR)

Emissão	Unidade	Valor
NOx com queimadores ultra-baixo NOx	mg/Nm³	50-80
NOx com redução catalítica seletiva	mg/Nm³	10-50
CO	mg/Nm³	20-100
Pó do stack aquecedor/reformador	mg/Nm³	1-5
Pó de despoeiramento manuseio material	mg/Nm³	5-20

Características do Processo Energiron ZR

Diminuiu tamanho e melhorou eficiência de plantas de redução direta. Gases redutores gerados por reformação in-situ de hidrocarbonetos do GN dentro do forno de eixo, alimentando GN como reposição no circuito e injetando O₂ na entrada do forno. Eficiência de redução ótima, pois gases gerados na seção de redução; reformador externo não necessário. Eficiência energética global > 80%, otimizada por reformação in-situ. Produto leva a maior parte da energia, perdas mínimas à atmosfera.

Impacto no tamanho da planta ao eliminar reformador externo: para 1 milhão t/ano, redução de área ~60%. Facilita localização da planta DR adjacente à usina de fusão.

Vantagem adicional: flexibilidade para carburização do DRI, permitindo teores de C até 5%. Potencial carburizante melhorado dos gases no forno, produção primária de Fe₃C. DRI com alto Fe₃C tem reatividade muito menor que DRI normal (maior calor de dissociação necessário).

Condições operacionais: alta temperatura (>1050 °C), presença de H₂O e CO₂ como oxidantes de combustão parcial com injeção de O₂. Promovem reformação in-situ de hidrocarbonetos. Uma vez gerados H₂ e CO, redução simultânea do minério e carburização do DRI ocorrem no reator, tornando esquema muito eficiente em utilização de energia.

Esquema ZR básico permite uso direto de GN. Plantas também podem usar reformação vapor-GN convencional como fonte externa. No lugar de GN, outros gases: H₂, syngas de gaseificação de carvão, pet coke, combustíveis fósseis similares, gás de coque (COG). Mesmo esquema básico independentemente da fonte de gás redutor.

Característica única: produção controlada de altos níveis de C no DRI como carbeto de ferro (Fe₃C) (>90%). Teores de C até 5% devido a condições na zona de redução: alta concentração de CH₄ (~20%) com H₂ e CO, alta temperatura do leito. Favorecem difusão de C na matriz de ferro e precipitação de Fe₃C. DRI com alto Fe₃C mostra reatividade muito menor.

Característica importante: possibilidade de projeto para zero necessidade de água de reposição. Água é subproduto da reação de redução, condensada e removida da corrente de gás. Com circuito fechado de água usando trocadores de calor em vez de torres de resfriamento convencionais, não há necessidade de água fresca; pequeno fluxo disponível no limite de bateria.

Emissões da Planta Energiron

Emissões conforme regulamentações mais rigorosas. Tecnologia eficiente por design. Alta eficiência térmica global elimina necessidade de pré-aquecer ar de combustão a altas temperaturas no reformador (quando usado) ou aquecedor, eliminando geração alta de NOx. NOx reduzido adicionalmente com queimadores ultra-baixo NOx. Melhoria adicional com tecnologia SCR (redução catalítica seletiva).

Energiron é tecnologia de redução direta muito limpa. Dependendo da configuração, remove 60% a 90% do total de emissões de CO₂. Emissões de CO₂ diferem entre tecnologias de DRI. Independentemente de usar GN, syngas ou COG, reposição de gases redutores contém C (hidrocarbonetos e/ou compostos carbonáceos). Independentemente da configuração, apenas 15-40% (dependendo do C no DRI) sai como C combinado no DRI; resto sai como CO₂.

Como DRI do Energiron ZR contém maior % de C, menor quantidade de C removida como CO₂. Diferença notável comparada a configuração com reformador catalítico externo integrado. No caso com reformador externo: de 140 kg C/t DRI no GN, ~25 kg C/t DRI (17%) sai no DRI, resto como gás de chaminé do reformador. No Energiron ZR: 110 kg C/t DRI, dos quais 40 kg C/t DRI (36%) no DRI. Dos 70 kg C/t DRI restantes, 65 kg C removidos seletivamente como CO₂ puro, para outras aplicações ou sequestro. Eliminação de H₂O e CO₂ melhora utilização de gás > 95%. Em resumo: eliminação seletiva inerente de ~65% do C total como CO₂ (~240 kg CO₂/t DRI).

Plantas Energiron oferecem opção única de recuperação seletiva de CO₂. Sistema de absorção captura CO₂ e enxofre (quando presente no gás de processo), reduzindo emissão de SO₂ em ~99%.

H₂ como Gás Redutor

Em siderúrgicas, H₂ deve substituir C como fonte de energia para redução de minério. Em processos DR a gás, H₂ substituirá GN. Energiron ZR já preparado para usar qualquer quantidade de H₂ em substituição ao GN sem grandes ajustes de equipamentos. Uso de H₂ reflete em operação mais suave e aumento de produtividade, pois necessidade de reformação in-situ de GN será menor.

Concentrações de H₂ até 70% na entrada do forno de redução já comprovadas em plantas Energiron existentes (com reformador a vapor para produzir H₂ e CO).

Com H₂ substituindo GN, haverá diminuição do % C no DRI (dilui CH₄ no gás redutor). Mas pela configuração flexível do esquema ZR em distribuição de reposição ao circuito de redução e utilização de combustível, possível atingir 3,5% C mesmo com 35% energia como H₂ (~64% volume - Nm³/t DRI). Para 70% H₂ como energia (~88% volume), C esperado no DRI < 2,0%.

Aliança com NSENGI

2014: Tenova HYL e Danieli firmaram acordo com Nippon Steel & Sumikin Engineering (NSENGI) para combinar e comercializar tecnologia Energiron DR com tecnologia otimizada de alto-forno e tecnologia de syngas (gaseificação de carvão de alta eficiência e utilização de gases subprodutos da siderurgia) da NSENGI. Objetivo: combinar P&D com expertise em DR Energiron, alto-forno e syngas, para desenvolver nova tecnologia de ferro-gusa que reduza emissões de CO₂ e custos operacionais, aumente produtividade e/ou diminua CAPEX para siderúrgicas integradas.