Redução de Emissões de CO₂ na Ferrogusa por Alto-Forno

Ferrogusa por Alto-Forno e Emissões de Dióxido de Carbono

É amplamente reconhecido que o dióxido de carbono (CO₂) na atmosfera é o principal componente que influencia o aquecimento global através do efeito estufa. Desde 1896, a concentração de CO₂ na atmosfera aumentou 25%. A indústria de ferro e aço é conhecida como uma indústria de alta intensidade energética e como um emissor significativo de CO₂. Portanto, a mudança climática é identificada pela indústria de ferro e aço como um grande desafio ambiental. Muito antes das descobertas do Painel Intergovernamental sobre Mudança Climática em 2007, os grandes produtores de ferro e aço reconheceram que soluções de longo prazo são necessárias para enfrentar as emissões de CO₂ da indústria de ferro e aço. Portanto, a indústria de ferro e aço tem sido altamente proativa na melhoria do consumo de energia e na redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE).

No ambiente atual de mudança climática, dentro da indústria de ferro e aço, há uma constante busca para reduzir custos de energia, reduzir emissões e garantir a máxima reutilização de energia residual. Nos processos tradicionais para produção de ferro e aço, a emissão de CO₂ é inevitável, especialmente para o processo de alto-forno (BF), que requer carbono (C) como combustível e agente redutor para converter óxido de ferro ao estado metálico, e portanto é o principal processo para a geração de CO₂ em uma usina siderúrgica integrada. A política climática é, de fato, um importante impulsionador para o desenvolvimento adicional da tecnologia de ferrogusa por BF.

Criticamente, entre os desafios enfrentados pela operação do BF está a descarbonização. Passos significativos foram dados pela indústria de ferro e aço para aumentar a eficiência térmica da operação do BF, mas, em última análise, há um limite rígido na descarbonização, associado à necessidade de C como redutor químico. Desde a década de 1950, esforços significativos de P&D (pesquisa e desenvolvimento) foram realizados para tornar mais eficiente a tecnologia de ferrogusa por BF. Esses esforços de P&D incluem: (i) melhoria da qualidade de coque e sinter, (ii) enriquecimento com oxigênio (O₂), (iii) injeção de outros redutores como carvão pulverizado e gás natural, (iv) distribuição de carga, e (v) tecnologias de medição, entre outros. Na década de 1950, a taxa de redutor era de cerca de 1.000 kg por tonelada de ferro-gusa (kg/tHM), e desde então foi reduzida pela metade devido aos esforços de P&D e à implementação dos resultados dos esforços de P&D.

O consumo de agente redutor no BF convencional é atualmente de cerca de 500 kg/tHM, aproximando-se apenas 5% acima dos menores valores termodinâmicos possíveis sob operação clássica de BF. O processo BF é agora um processo altamente desenvolvido operando próximo aos limites termodinâmicos de eficiência. Não há melhorias maiores óbvias que se esperam fundamentalmente para reduzir sua demanda de C ou melhorar significativamente sua eficiência térmica, mas, como o BF é o gerador predominante de emissões, os esforços para mitigar o impacto ambiental da indústria têm, por necessidade, que ser focados no processo de ferrogusa por BF.

Tecnologias de ferrogusa inovadoras são necessárias para uma redução adicional significativa do consumo de C ou emissão de CO₂. Várias tecnologias foram propostas para redução adicional do uso de C fóssil e redução da emissão de CO₂ no próprio processo BF. Estas incluem: (i) reciclagem de CO do gás de topo do BF, (ii) uso de biomassa, (iii) substituição de CO por H₂ como agente redutor, (iv) uso de DRI (ferro de redução direta) magro em C, HBI (ferro briquetado a quente) ou LRI (ferro menos reduzido), (v) uso de materiais compostos de C, (vi) uso de energia elétrica magra em C, e (vii) captura e armazenamento de CO₂ (CCS), etc. No entanto, a abordagem necessária deve ser propor melhorias incrementais que ofereçam passos para reduzir emissões ou produzir mais do potencial que existe dentro do processo atual.

É inevitável que, ao considerar tais tecnologias, uma série de temas transversais em torno da economia e das emissões globais de CO₂ precisem ser considerados. Por exemplo, o uso de CO₂ e gases de processo como matérias-primas químicas pode exigir compra adicional de combustíveis para fornos de reaquecimento, o que pode impactar custos de usina integrada, qualidade do aço e emissões totais de CO₂. Qualquer solução a ser levada adiante para consideração precisa ter o potencial de alcançar uma otimização multi-componente desses aspectos individuais.

Os principais desafios enfrentados pela futura operação do BF são, portanto: (i) reduzir significativamente os gastos de capital e operacionais para gerar um retorno sustentável sobre o investimento de capital ao longo do ciclo econômico, e (ii) reduzir as emissões efetivas de CO₂ a um ponto mesmo abaixo daquele determinado pela termodinâmica química do processo convencional baseado em coque. Para enfrentar esses desafios, é essencial identificar uma série de oportunidades tecnológicas. Estas são descritas abaixo.

Tecnologias de Reciclagem de Gás de Topo e Captura de Carbono

A redução de entrada de C é limitada pelo equilíbrio de redução do gás no BF. A diminuição da entrada de C pode ser alcançada reduzindo a taxa de redução direta (uma reação endotérmica) fortalecendo a redução gasosa dentro do BF através de descarbonetação e recirculação do gás de topo por injeção no forno. Fluxograma típico de alto-forno com reciclagem de gás de topo (TGR) é mostrado na Fig. 1.

Fig. 1 Fluxograma típico de alto-forno com reciclagem de gás de topo

Qualquer solução para descarbonetação da rota BF requer algum elemento de captura de C. Para alcançar redução substancial de CO₂ (maior que 50%), a aplicação de tecnologia CCS é necessária, embora haja consenso geral na indústria de que reduções maiores que 80% não são possíveis. Uma variação encorajadora na captura de C é a reciclagem de gás de topo no processo de ferrogusa pelo processo BF. É a tecnologia mais promissora que pode reduzir significativamente a emissão de CO₂ e consiste na reciclagem de CO e H₂ do gás que sai do BF pelo topo.

A tecnologia TGR baseia-se principalmente na redução do uso de C fóssil (coque) pela reutilização dos agentes redutores (CO e H₂) após a remoção do CO₂ do gás de topo. Isso leva a menores requisitos de energia. As principais tecnologias do TGR-BF são: (i) lavagem de CO₂ do gás de topo e injeção dos componentes redutores do gás de topo CO e H₂ no eixo e tubos de sopro do cadinho do BF; (ii) menor entrada de C fóssil devido a menores taxas de coque; (iii) uso de O₂ puro em vez de sopro de ar quente no tubo de sopro do cadinho, ou seja, remoção de nitrogênio (N₂) do processo; e (iv) recuperação de CO₂ puro do gás de topo para armazenamento subterrâneo.

A maioria dos esquemas de captura de C é geralmente associada a armazenamento, mas a utilização também pode ser considerada. Esta conexão entre captura de C e utilização destaca uma importante área de pesquisa que atualmente é de interesse em torno da integração de processo. Comparado com aspectos como coleta, transporte e armazenamento, a área de integração de processo por adaptação (retrofit) de um BF existente com um sistema de captura de C recebeu pouca consideração.

Espera-se que para a maioria dos locais onde BFs estão operando, a captura de C seja comissionada junto a BFs que operaram por muitas décadas. Há o potencial para um nível significativo de interferência de processo associado a aspectos como qualidade do gás, pressão, protocolos operacionais e a otimização relativa de ambos o BF e a planta de utilização de C. Adaptação e operação subsequente precisam ser alcançadas sem comprometer nem a eficiência operacional, nem a qualidade do produto, dos ativos existentes.

Nesta área de integração de processo, técnicas avançadas de simulação e modelagem de processo devem ser implantadas para otimizar a combinação de um BF integrado e sistema de captura de C. A este respeito, uma combinação de modelagem termo-fluida, com cinética de processo e modelagem econômica através do processo, alinhada a uma compreensão dos parâmetros-chave do processo de ferrogusa, são necessários. Dado tal foco, a aplicação de captura de C a operações de BF existentes pode ser realizada.

Redução com Hidrogênio

O importante desafio ambiental para o processo BF é o uso de C como redutor químico. Isso tem um limite termodinâmico rígido, abaixo do qual uma redução adicional de C não é possível sem uma mudança significativa de processo. Uma tal mudança de processo é uma troca parcial de C para hidrogênio (H₂) como redutor. Exemplos de agentes redutores com alto teor de H₂ são plásticos residuais (CnHm) ou gás natural (com componente principal CH₄). O H₂ já é usado em processos de redução direta para produção de DRI e, portanto, há uma compreensão básica dos mecanismos e termodinâmica química, mas há uma oportunidade para mais pesquisa e inovação de processo em torno da extensão em que o balanço entre redução por H₂ e redução por C pode ser deslocado dentro do forno.

O uso de plásticos residuais (PR) para promover redução por H₂ no BF é feito através da injeção de PR no BF. O PR é injetado como sólido através dos tubos de sopro de maneira semelhante ao carvão pulverizado (CP). Normalmente é feito como uma co-injeção de PR e carvão no BF. A energia de combustão do PR é geralmente pelo menos tão alta quanto a do CP normalmente injetado, e sua maior razão de H₂ para C significa que menos CO₂ é produzido dentro do BF dos processos de combustão e redução de minério de ferro. Além disso, há menor consumo de energia, pois o H₂ é um agente redutor mais favorável que o C. A injeção de PR aumenta a concentração de H₂ no gás do cadinho. Como a taxa de reação química da redução por H₂ é maior que a de CO, a extensão da reação de Boudouard reduz à medida que o H₂ do gás do cadinho aumenta. CO₂ e H₂O estão presentes na parte superior do BF devido à redução de óxidos de ferro.

Para promover a redução por H₂ no alto-forno, outro método está sendo investigado através do Projeto COURSE50 no Japão, cujo trabalho começou em 2008. Este projeto é uma tentativa de reduzir emissões de CO₂ desenvolvendo ainda mais a técnica de injeção de gás redutor no eixo do BF, em combinação com amplificação de H₂ por reformagem de gás de forno de coque. A tecnologia de redução por H₂ proposta por este projeto consiste em aumento de H₂ por: (i) reformagem de gás de forno de coque, (ii) tecnologia de redução de minério por H₂, e (iii) tecnologia de coquificação para alto-forno de redução por H₂. Neste projeto, o gás redutor é injetado no eixo do BF. Do balanço de momentum de dois gases, descobriu-se que a área de penetração do gás de injeção no eixo é proporcional à taxa de injeção de gás e a redução de minério de ferro é promovida por H₂. No entanto, como a redução por H₂ é uma reação endotérmica, atenção especial é necessária para a manutenção da temperatura no topo do forno.

Materiais Alternativos Portadores de Carbono

Materiais alternativos portadores de C são aglomerados compostos de carbono (CCA) ou compostos de carbono-ferro (CIC). Estes são aglomerados de mistura de material carbonáceo e óxido de ferro e são um tipo de coque formado contendo ferro metálico. O material carbonáceo pode ser finos de coque, carvão, carvão vegetal, finos ricos em C da planta, biomassa, plásticos residuais, etc., enquanto o óxido de ferro pode ser minérios de ferro de baixo teor, finos ricos em ferro da planta, etc. Materiais compostos de C, devido ao efeito catalítico das partículas de ferro, têm reatividade notavelmente alta com gás CO₂ em comparação com o coque metalúrgico. Normalmente, materiais compostos de C reagem com gás CO₂ a partir de uma temperatura cerca de 150 °C menor que o coque metalúrgico.

A reação de redução de minério é promovida por materiais compostos de C devido a: (i) a maior reatividade destes materiais, e (ii) o fato de que a reação de perda de solução destes materiais começa a uma temperatura mais baixa. A utilização de tais aglomerados não só ajuda a mitigar a emissão de CO₂, mas também ajuda na economia de coque e energia. A curta distância entre ferro e C em tais aglomerados melhora significativamente a cinética de reação. Outros benefícios que podem ser visualizados com a utilização de tais aglomerados são: (i) possibilidade de usar finos ricos em ferro e/ou C da planta, (ii) menor temperatura de gaseificação devido ao efeito de acoplamento entre a reação de gaseificação e redução de óxido de ferro (wüstita), e (iii) menor dependência de processos de preparação de minério intensivos em CO₂ e energia.

O método de produção de materiais compostos de C consiste em britagem, mistura e briquetagem de materiais portadores de ferro baratos e carvão não coqueável ou levemente coqueável, seguido por aquecimento e carbonização em um forno de eixo. A resistência destes materiais é uma propriedade importante para alimentação de BF, e a resistência no mesmo nível do coque metalúrgico pode ser alcançada, mesmo a partir de matérias-primas de baixa qualidade, pelo efeito de densificação da briquetagem e controle de temperatura com precisão comparativamente alta no forno de eixo.

Os materiais portadores de C também podem ser introduzidos no processo BF de várias maneiras. No processo de sinterização, biomassa ou PR podem substituir parcialmente o coque para sinter. Finos da planta podem ser usados como fonte de tanto C quanto ferro. Na coquificação, tentativas foram feitas para adicionar biomassa, bem como PR à mistura de carvão coqueável. Materiais alternativos portadores de carbono podem ser carregados no BF do topo junto com materiais de carga como grumos ou os finos ricos em C da planta ou biomassa podem ser injetados no BF através dos tubos de sopro.

Reciclagem de Gás de Chaminé nos Fogões de BF

Uma nova tecnologia conhecida como "reciclagem de gás de chaminé" (FGR - Flue Gas Recycling) está em desenvolvimento para os fogões de sopro quente. Esta tecnologia envolve a conversão dos fogões, de combustão ar-combustível para combustão oxi-combustível, aumentando a porcentagem de CO₂ do gás de chaminé. A temperatura da chama gerada será moderada pela recirculação de gás residual para os queimadores do fogão. Comparação esquemática de operações convencionais de fogões ar-combustível e operações oxi-combustível aprimoradas empregando a reciclagem de gás de chaminé é mostrada na Fig. 2.

Fig. 2 Comparação esquemática de operações convencionais de fogões ar-combustível e operações oxi-combustível aprimoradas empregando reciclagem de gás de chaminé

A operação FGR dos fogões pode ser baseada em fluxo de massa constante ou fluxo de volume constante dos produtos de combustão. Fluxo de massa constante garante que a transferência de calor convectiva permanece inalterada em relação às operações convencionais ar-combustível, e a reciclagem de gás de chaminé quente reduz o requisito de energia de combustão dos fogões. A opção de fluxo de volume constante surge devido ao aumento da densidade dos produtos de combustão, quando o gás de chaminé é reciclado. Neste modo, a recuperação de calor pode ser combinada com taxas de gaseificação do queimador aumentadas e isso se converte em temperaturas de sopro quente mais altas e um potencial para menor consumo de coque no BF.

Considerando o potencial para captura de C, o teor de CO₂ do gás de chaminé é essencialmente dobrado em comparação às práticas convencionais de aquecimento para os fogões. Em termos de massa, o gás de chaminé contém 0,8 toneladas de CO₂/tonelada de ferro-gusa (HM), que é mais de um terço dos níveis de emissão específicos atuais. A geração do O₂ necessário para facilitar isso reduz os benefícios de captura de C marginalmente em virtude da potência consumida para operar a planta de separação de ar. Isso reduz o potencial de redução líquida de emissões em cerca de 6%.

A reciclagem de gás de chaminé nos fogões elimina o uso de tanto ar quanto gás de forno de coque no processo de combustão. Portanto, a geração de óxidos de enxofre e óxidos nitroso é reduzida substancialmente. Os objetivos específicos desta nova tecnologia em desenvolvimento incluem: (i) confirmação de um teor de CO₂ de 40% a 50% no gás de chaminé modificado, (ii) verificação de recuperação de calor residual e eficiência térmica aprimorada dos fogões, e (iii) confirmação de que as novas condições operacionais mantêm ou aumentam a temperatura do sopro quente entregue ao BF e, portanto, evitam impactos negativos na operação do BF.