claudio silva de sousa análise exergética do processo de produção de...

FACULDADE DE ARACRUZ MESTRADO PROFISSIONAL EM TECNOLOGIA AMBIENTAL

CLAUDIO SILVA DE SOUSA

Análise Exergética do Processo de Produção de Ferro Gusa em Altos-fornos: Identificação de Oportunidades em Redução de

Emissões de Gases de Efeito Estufa

Aracruz 2010

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CLAUDIO SILVA DE SOUSA

ANÁLISE EXERGÉTICA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE FERRO GUSA EM ALTOS-FORNOS: IDENTIFICAÇÃO DE OPORTUNIDADES EM REDUÇÃO DE

EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA

Dissertação apresentada à Faculdade de Aracruz para obtenção do título de Mestre Profissional em Tecnologia Ambiental. Área de Concentração: Eficiência Energética. Orientador(a): Prof. Dr. Rodolfo Jesús Rodriguez Silvério

Aracruz (2010)

Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio

convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a

fonte.

Catalogação da Publicação

Serviço de Documentação da Biblioteca Professora Maria Luiza Devens

Faculdade de Aracruz/ES

Sousa, Claudio Silva de. Análise exergética do processo de produção de ferro gusa em altos-fornos: identificação de oportunidades em redução de emissões de gases de efeito estufa / Claudio Silva de Sousa ; orientador Rodolfo Jesús Rodriguez Silvério. - Aracruz, 2010. 109 f. Dissertação (Mestrado)--Faculdade de Aracruz, 2010. 1. Ferro Gusa – Produção – Alto-Forno. 2. Metalurgia –Gases. 3. Carvão Vegetal. 4. Termodinâmica. I. Silvério, Rodolfo Jesus Rodrigues. II. Título.

CDU 669.162

DEDICATÓRIA

Ao meu saudoso pai, Paulino e a minha mãe Vilma pelos eternos ensinamentos de

vida principalmente de persistência, otimismo e humildade.

AGRADECIMENTOS

Aos que de alguma forma demonstraram algum incentivo, agradeço pela satisfação

de tê-los como contribuintes no desenvolvimento deste trabalho.

Agradeço também ao orientador professor Doutor Rodolfo Jesus Rodriguez Silvério

por sua contribuição para realização dos trabalhos, pelas sábias sugestões e

principalmente por despertar a objetividade desde o primeiro momento.

Aos professores da FAACZ pelo suporte e empenho durante o curso atendendo as

necessidades técnicas, teóricas e práticas deste trabalho e a secretaria pelos

processos de apoio que facilitaram esta conquista.

Ao professores Gutemberg Brasil pela parceira e aprendizado nos trabalhos

profissionais de realização de inventários de GEE e orientações iniciais e Gylvan

Meira pela formação em mudança do clima.

A querida esposa Heliara e queridos filhos Paulo e Eduardo pelo amor,

compreensão e apoio fundamental na decisão da matrícula.

Aos diretores e amigos do Instituto Totum e KeyAssociados em especial ao Delpupo

e Fujihara por acreditarem em minhas contribuições no time Carbono.

Respeitosamente a minha mãe Vilma e irmã Claudiana por acreditarem na minha

missão e objetivos de vida.

Aos integrantes da banca pela análise criteriosa e avaliação deste trabalho,

apontando suas valiosas sugestões.

Pela força dos amigos Alessandro, Evandro Abreu, Penha, compadres Jovanir e

Ângelo.

Pela contribuição da Siderúrgica Ibiraçu Ltda. na pessoa do Gerente de Produção

Terêncio.

Pela dedicação do graduando em engenharia metalúrgica da UFOP Caio Bitencourt

e sua importante contribuição como bolsista voluntário desta obra.

A Deus.

"Não é o mais forte da espécie que sobrevive, nem o mais inteligente; é o

que melhor se adapta à mudança".

Charles Darwin

Resumo

Sousa, C.S. Análise Exergética do processo de produção de ferro gusa em

altos-fornos: identificação de oportunidades em redução de emissões de

gases de efeito estufa. 2009. 115 f. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de

Aracruz, Aracruz, 2009.

No alto-forno, os carvões exercem dupla função sendo a principal a reação de

bourdoard que, no interior deste reator, fornece o gás redutor o qual promove a

redução dos óxidos ferrosos em ferro, liberando o gás carbônico. Parcela do carvão

utilizado pode estar sendo consumido por fenômenos indesejados inerentes a cada

equipamento e operação e um desperdício energético pode ser constatado

aplicando-se conceitos termodinâmicos.

Este trabalho procurou identificar oportunidades de redução de emissão de gases de

efeito estufa através de alternativas de melhor aproveitamento de recursos

energéticos, principalmente do emprego do carbono, principal agente redutor na

produção de ferro gusa em altos-fornos. Para tanto foi aplicada uma metodologia de

análise baseada nos princípios da termodinâmica, através dos conceitos de exergia.

Esta análise foi feita com base em dados reais de processo e aplicação dos

conceitos de primeira e segunda lei da termodinâmica.

Buscou-se a partir daí identificar as perdas exergéticas pela variação dos principais

parâmetros operacionais do reator buscando relações que desdobrem em

oportunidades para melhor aproveitamento energético e a tomadas de ações de

mitigação de emissão de gases de efeito estufa durante o processo.

Palavras chave: Ferro gusa, alto-forno, carvão vegetal, análise de exergia, gás de efeito estufa

ABSTRACT

Sousa, C.S. Exergetic Analysis of the pig iron production in blst furnaces: oportunities

for ghg emissions reductions. 2009 . 115 f. Faculdade de Aracruz, Aracruz, 2009.

In the blast furnace, the coals have double funcition as the main reaction of

bourdoard that within this reactor, provides the reducing gases which promote the

reduction of iron ore, releasing carbon dioxide. Part of the coal being used can be

consumed by unwanted phenomena inherent in the equipment operation and waste

energy can be determined by applying thermodinamic concepts.

This study sought to identify opportunities for reducing emissions of greenhouse

gases though better use of alternative energy resources, the main reducing agent in

the pig iron production. Thus, was aplied a methodology based of thermodinamics

analisys. This was based on currently data process and application of the first and

second law concepts.

It was possible to identify from that exergetic losses by instability of the operational

parameters of furnace seeking relationships to mitigate emissions of ghg during the

process.

Keywords: Pig iron, blast furnace, charcoal, exergy analysis, greenhouse gases

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Evolução da produção de ferro gusa ........................................................ 18 Figura 2 – Modelo esquemático da siderurgia a carvão vegetal .................................. 31 Figura 3 – Matriz Energética Nacional .................................................................... 32 Figura 4 – Evolução do consumo de carvão vegetal e produção de ferro gusa ............. 32 Figura 5 – Consumo de carvão vegetal por grau de integração ................................... 33 Figura 6 – Consumo de carvão segundo origem ....................................................... 34 Figura 7 – Distribuição do consumo de lenha .......................................................... 36 Figura 8 – Balanço de carbono na redução do minério de ferro .................................. 38 Figura 9 – Visão parcial da corrida de ferro gusa ..................................................... 40 Figura 10 – Fluxograma do minério de ferro ........................................................... 41 Figura 11 – Fluxograma do carvão vegetal .............................................................. 41 Figura 12 – Diagrama de energia na siderurgia integrada .......................................... 42 Figura 13 – Emissões de CO2 pelo uso de combustíveis fósseis ................................. 43 Figura 14 – Arranjo interno do alto-forno................................................................ 45 Figura 15 – Figura esquemática da redução de minério de ferro ................................. 47 Figura 16 – Emissões setoriais mundiais de gases de efeito estufa ............................. 49 Figura 17 – Emissões de GEE no Brasil .................................................................. 51 Figura 18 – Emissões na siderurgia por grau de integração de 1990 a 1998 ................. 51

Figura 19 – Emissões setoriais no Brasil ................................................................. 53 Figura 20 – Perdas de exergia ................................................................................ 55 Figura 21 – Fronteira de trabalho ........................................................................... 61 Figura 22 – Representação conceitual de exergia ..................................................... 68 Figura 23 – Fluxos de elementos no alto-forno ........................................................ 72 Figura 24 – Marcha operacional do alto-forno dias 1 e 2 .......................................... 80

Figura 25 – Marcha operacional do alto forno dias 11/01/2009 e 28/08/2008 .............. 80 Figura 26 – Volume de carvão vegetal enfornado..................................................... 81 Figura 27 – Inputs de exergia no alto-forno ............................................................. 86 Figura 28 – Outputs de exergia .............................................................................. 86 Figura 29 – Gráfico de temperatura do gusa em graus kelvin versus perda exergética .. 93

Figura 30 – Consumo específico de carvão vegetal versus perda de exergia ................ 94 Figura 31 – Temperatura do ar insuflado nas ventaneiras versus perda de exergia ....... 95

Figura 32 – Comparação das perdas exergéticas ...................................................... 95

Figura 33 – Correlação entre perda de exergia e as emissões de GEE ......................... 98

LISTA DE TABELAS

Tabela I – Rotas de fabricação de aço ..................................................................... 25 Tabela II – Evolução da produção de ferro gusa no Brasil ......................................... 26 Tabela III – Fontes de emissão na siderurgia ........................................................... 27 Tabela IV – Reações químicas no alto-forno ........................................................... 28 Tabela V – Insumos utilizados em altos-fornos a carvão vegetal ................................ 30 Tabela VI – Consumo de lenha no Brasil ................................................................ 36 Tabela VII – Características do alto-forno analisado ................................................ 39 Tabela VIII – Produção, consumo, importação de carvão mineral/coque .................... 44 Tabela IX – Principais setores e fontes de emissão de CO2 das industrias siderúrgicas 53 Tabela X – Emissões de poluentes .................................................................... 54 Tabela XI – Resultados da comparação dos inputs de exergia ......................... 57 Tabela XII – Resultados da comparação dos outputs de exergia ...................... 57 Tabela XIII – Propriedades térmicas do alto-forno: inicial e final ....................... 63 Tabela VIV – Comparação entre energia e exergia ........................................... 67 Tabela XV – Análise química do carvão vegetal - imediata ............................... 74 Tabela XVI – Composição química das cinzas do carvão ................................. 74 Tabela XVII – Análise elementar do carvão vegetal .......................................... 74 Tabela XVIII – Análise química do minério enfornado ...................................... 75 Tabela XIX – Análise química das pelotas enfornada ........................................ 75 Tabela XX – Matérias primas e insumos enfornados ......................................... 75 Tabela XXI – Composição química dos fundentes ............................................ 76 Tabela XXII – Composição química da sucatinha ............................................. 76 Tabela XXIII – Produtos e subprodutos do alto-forno ........................................ 77 Tabela XXIV – Composição química do ferro gusa ........................................... 77 Tabela XXV – Composição química da escória ................................................. 78 Tabela XXVI – Composição química do pó do balão ......................................... 78 Tabela XXVII – Composição química do gás de alto-forno ............................... 79 Tabela XXVIII – Balanço térmico dia 1 ............................................................... 82 Tabela XXIX – Balanço térmico dia 2 ................................................................. 83 Tabela XXX – Balanços de exergia no dia 1 ....................................................... 84 Tabela XXXI – Balanços de exergia no dia 2 ..................................................... 85 Tabela XXXII – Emissões de gases de efeito estufa ......................................... 98

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ABM – Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais

ABRACAVE – Associação Brasileira de Carvão Vegetal

AF – Alto Forno

BEN – Balanço Energético Nacional

BF – Blast furnace

BFG – Blast furnace gás

CER – Certification Emition Reduction

CH4 – Gás Metano

CO2 – Gás carbônico

COG – Gás de coqueria

GAF – Gas de Alto-forno

GEE – Gas de efeito estufa

GHG – Grenhouse Gases

IBS – Instituto Brasileiro de Siderurgia/Instituto Aço Brasil

IEA – International Energy Agency

IPCC – Intergovernamental Painel of Climate Change

ISIJ – The Iron and Steel Institute of Japan

MCT – Ministério de Ciência e Tecnologia

MDL – Mecanismo de Desenvolvimento Limpo

MP – Meth Painel

OECD – Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico

OIE – Oferta Interna de Energia

ONU – Organização Nacional das Nações Unidas

PIB – Produto Interno Bruto

RE – Redução de emissões

SBB – Steel Business Briefing

Sindifer – Sindicato das Indústrias do ferro

UNFCCC – Union Framework Convention Climate Change

LISTA DE SIMBOLOS

Cp

Cv

D

E

V

v

p

C

CO

CO2

S

H

U

h

s

u

R

PCS

Calor específico a pressão constante {kJ/mol.K}

Calor específico a volume constante

Diâmetro [m]

Espessura [m]

Volume (m3)

Volume específico [m3/mol]

Pressão {atm]

Carbono

Monóxido de carbono

Dióxido de carbono / gás carbônico

Entropia

Entalpia

Energia interna

Entalpia por unidade de massa

Entropia específica

Energia interna específica

Constante dos Gases Ideiais

Poder calorífico superior

PCI

m

m

p

W

Q

T

Poder calorífico inferior

Massa

Vazão Mássica

Pressão

Trabalho

Transferência de calor

Temperatura

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 14 1.1 Justificativa ............................................................................................... 17 1.2 Objetivos .................................................................................................. 19

1.2.1 Objetivo geral ...................................................................................... 20 1.2.2 Objetivos Específicos ......................................................................... 20

1.3 Metodologia .............................................................................................. 20 1.4 Estruturas do Trabalho ............................................................................. 21

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 23 2.1 Emissões de Gases de Efeito Estufa e Impactos às Mudanças do Clima ........................................................................................................ 23 2.2 Processos Siderúrgicos ............................................................................ 24 2.3 Siderurgias – Fundamentação Teórica .................................................... 28

2.3.1 Fundamentos do Processo de Redução do Minério de ferro .............. 28 2.3.2 Altos –fornos ....................................................................................... 28 2.3.3 Siderurgias a Carvão Vegetal ............................................................. 31 2.3.4 Uso de Carvão Vegetal Renovável como Termo Redutor na Siderurgia e Geração de Gases de efeito Estufa ....................................... 35 2.3.5 O Reator Analisado ............................................................................ 39 2.3.6 Uso de Combustível Fósseis na Siderurgia – Siderurgia a Coque ..... 42 2.3.7 Operação dos Atos- Fornos a Carvão vegetal .................................... 48 2.3.8 Injeção de Finos de Carvão em Altos-Fornos e a Redução de Emissão de CO2.......................................................................................... 47 2.3.9 Emissões e Gases de Efeito Estufa e os Processos Siderúrgicos ..... 49 2.3.10 Exergia como Ferramenta Aplicada a Redução de Emissões de Gases de Efeito Estufa ............................................................................... 54

3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..................................................................... 60 3.1 Primeiras e segunda Lei da Termodinâmica Aplicada ao Processo de Redução de Minério de Ferro ........................................................................................ 60 3.2 Métodos da Exergia ................................................................................. 65

4. ANÁLISE DA EXERGIA EM ALTOS FORNOS ............................................. 72 4.1 Critérios e Dados Operacionais Aplicados ............................................... 73 4.2 Discussão dos Parâmetros Operacionais Coletados ............................... 79 4.3 Balanços térmicos no Alto-forno ............................................................... 81 4.4 Balanço Exergético .................................................................................. 81 4.5 Eficiência Exergética ................................................................................ 87 4.6 Exergia e Emissões de Gases de Efeito Estufa ....................................... 88

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS ..................................................................... 91 5.1 Influências dos Parâmetros Operacionais ................................................ 91 5.2 Considerações Finais ............................................................................... 99

6. CONLUSÕES ............................................................................................... 103 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................. 104

14

1 - INTRODUÇÃO

A vida vem sendo ameaçada pela ação antrópica descontrolada. Os gases emitidos

pelas diversas atividades econômicas agravam o efeito estufa na terra provocando

uma série de conseqüências catastróficas. Segundo Miguez (2002), a física do

forçamento radioativo indica que a taxa de deposição de energia na superfície da

terra, isto é, o próprio aquecimento, é proporcional à concentração de gases de

efeito estufa (GEE).

Na indústria siderúrgica a busca de redução de emissões de GEE e mitigação das

mudanças do clima tem sido pauta prioritária pelo alto grau de impacto ambiental e

emprego de combustíveis fósseis em seus processos. As alternativas utilizadas

pretendem minimizar o consumo de energéticos em seus processos, principalmente

o emprego do carbono dos agentes redutores, principal responsável pela produção

de CO2 e CH4 no seguimento, bem como aperfeiçoar os processos em toda a

cadeia.

Um conjunto de novas tecnologias vem sendo aplicadas ao modelo integrado neste

sentido em todas as áreas e processos da siderurgia. Entretanto, é no processo de

redução de minério de ferro em altos-fornos onde ocorre o maior consumo de

carbono e conseqüentemente onde se destacam as maiores necessidades de

pesquisa e desenvolvimento quanto à utilização racional dos recursos naturais.

Em contra partida, a aplicação dos conceitos de exergia permite avaliar a utilização

dos recursos naturais e desta forma, identifica como as irreversibilidades dos

processos estão relacionadas ao consumo do carbono e, conseqüentemente

permitindo uma avaliação das emissões de gases de efeito estufa. Assim, na

15

siderurgia, fortemente caracterizada pelo consumo de agentes redutores no

processo de redução de minério de ferro em altos-fornos, balanços termodinâmicos

de segunda lei vêm sendo realizada com menos freqüência. Este caminho pode ser

economicamente atrativo quando comparado a pesquisas de aplicação de novos

tipos de combustíveis e fontes de energia não usuais, o que possivelmente se

conseguiria com grandes mudanças de tecnologias. De forma alternativa, um estudo

de exergia também é uma ferramenta importante quando aplicada em conjunto as

novas tecnologias.

Em todo o processo de produção de aço, é no alto-forno onde se quantifica a maior

demanda dos recursos energéticos os quais são destinados ao processo de redução

de minério de ferro no interior do reator. Os altos-fornos são destinados a produção

de ferro gusa o qual é matéria prima para à fabricação de aços e ferros fundidos nas

unidades de aciarias e fundições. Nestas unidades, o ferro gusa se transforma em

produtos como chapas, bobinas, perfis, peças automobilísticas, entre outras.

Existem duas vias principais para produção de ferro gusa que se caracterizam pelo

insumo energético utilizado: o coque ou o carvão vegetal. Os altos fornos a coque

são reatores de grande porte e normalmente compõem uma estrutura de processo

para fabricação de produtos do aço. O carvão de biomassa é empregado para altos-

fornos de menor porte e, em grande parte, em empresas que tem o ferro gusa como

produto final. Por características específicas de processo o consumo de coque e

carvão vegetal em altos-fornos representa mais de 50% do custo final do ferro gusa

(Araujo, 1997).

O segmento siderúrgico a carvão vegetal, quando praticado num modelo auto-

sustentável, tem uma contribuição favorável às emissões de gases de efeito estufa,

16

pois estas podem ser consideradas nulas, isto é, todo o CO2 emitido por este

processo pode ser capturado pelo plantio de florestas resultando em uma prática

totalmente sustentável.

Em contracorrente a este crescimento, reduzir o consumo de combustíveis fósseis e

atenuar as emissões de gases de efeito estufa é meta consolidada no contexto das

mudanças climáticas mundiais. Para isto, estudos ambientais vêm sendo realizados

em atendimento a estas necessidades, visando não somente a redução do aporte de

energia específica consumida nos diversos processos bem como promover

otimização da eficiência destes. Um conjunto de alternativas e novas tecnologias

vem sendo aplicadas ao modelo integrado siderúrgico.

Seguindo esta linha, este trabalho se apóia nos conceitos derivados das leis da

termodinâmica para a identificação e avaliação de oportunidades de otimização de

processos a partir da operação de um alto-forno a carvão vegetal. Espera-se que

tais alternativas sejam adotadas com sucesso antes da adoção de mudanças

tecnológicas que implicam em altos custos de implantação.

O novo perfil da indústria do ferro gusa adota modelos sustentáveis que buscam

superar diretrizes políticas e legais. O mercado internacional e as questões voltadas

às mudanças do clima passam a ganhar força a cada dia, promovendo o

desenvolvimento e implantações de projetos sustentáveis principalmente através de

plantio de florestas. Segundo Meira (2008), a mudança do clima deixou de ser um

problema ambiental para tornar-se uma questão de planejamento racional uma vez

que a questão não se desdobra mais em risco, pois já se vive suas conseqüências.

Torna-se de fundamental importância que os fundamentos de exergia sejam

ferramentas úteis promovendo um uso mais racional do agente redutor no processo

17

de redução de minério de ferro em conjunto com a otimização de processos térmicos

no alto-forno. Reduzir o consumo de combustíveis fósseis e atenuar as emissões de

gases de efeito estufa são metas consolidadas no contexto de mudanças climáticas

mundiais.

1.1 - Justificativa

Dentre os segmentos industriais instalados no país, a siderurgia se faz importante na

economia e se destaca como um alto consumidor de recursos energéticos para seus

processos de produção. As necessidades de redução deste consumo estão

diretamente associadas às ações proativas de melhoria do clima através das

reduções de emissões de gases de efeito estufa neste segmento.

A siderurgia a carvão vegetal, até então, pouco investiu em um modelo sustentável

de produção por questões associadas ao alto custo de implantação de florestas e

faltas de incentivos financeiros devido aos riscos inerentes a estes tipos de projetos.

Em conseqüência disto o setor pode ser considerado como potencial poluidor

ambiental e se torna um emissor significativo de gases de efeito estufa quando a

madeira utilizada para fabricação do carvão vegetal não é de origem renovável.

A produção de ferro gusa em altos-fornos a carvão vegetal teve seu crescimento

mundial interrompido pela escassez de terras para plantio de florestas,

principalmente nos países europeus. Entre os países que ainda praticam este

sistema estão o Brasil e Índia por ainda possuírem grandes áreas para plantio e

clima favorável ao crescimento da biomassa de eucalipto.

18

Seguindo as tendências mundiais, a siderurgia brasileira tem sua grande

contribuição econômica. O mercado brasileiro é fortalecido pela produção em

pequenos altos-fornos que utilizam biomassa. Tem-se registrado neste setor, pelo

sexto ano consecutivo, um crescimento médio de 5,6% ao ano entre março de 2007

e março de 2008 (IBS, 2008). Tal evolução tem projeções otimistas causada pelas

necessidades de consumo e crescente aumento da demanda do aço. O gráfico

mostrado na figura 1 apresenta a produção brasileira de ferro gusa entre os anos de

1989 a 2006.

Figura 1 - Evolução da Produção de Ferro Gusa (Sindfer, 2007)

Historicamente o setor a carvão vegetal sempre esteve diante às dificuldades de

investimentos em plantios florestais dedicados à produção de carvão vegetal

renovável pelo seu alto custo de implementação, pela ausência de políticas e linhas

de financiamento e pelas instabilidades macroeconômicas. A complexidade de

análise de investimentos associada a riscos relacionados ao ciclo de crescimento do

eucalipto, e condições de garantia de pagamento são dificuldades consideradas

pelos bancos e fundos de investimento. A situação é agravada pelas poucas

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Minas Gerais Espirito Santo Carajás Outros

19

evoluções tecnológicas voltadas a eficiência energética dos equipamentos. Neste

cenário, a utilização de madeira de origem de reflorestamento será cada vez mais

restrita e sua utilização como matérias primas e produção de carvão vegetal está

comprometida (BRITO, 1990).

Tais dificuldades podem ser atenuadas com a implantação de técnicas e tecnologias

de otimização de processos e com estudos de melhor aproveitamento dos recursos

energéticos utilizados pelo setor buscando um caminho sustentável mais sólido. Por

outro lado, devem-se aprimorar os estudos de utilização de carvão vegetal e avaliar

a sua utilização em massa na siderurgia mundial como alternativa benéfica ao meio

ambiente.

1.2 - Objetivos

1.2.1 - Objetivo Geral

O presente trabalho tem como objetivo efetuar uma análise termodinâmica do

processo de fabricação de ferro gusa em um alto-forno a carvão vegetal para

identificar oportunidades de redução de emissão de gases de efeito estufa. Para

tanto, será empregada uma análise de 2ª Lei introduzindo conceito de exergia para

identificar as maiores fontes de irreversibilidades do sistema e as oportunidades de

otimização energética.

20

1.2..2 - Objetivos Específicos

- Pesquisa bibliográfica para atualização da informação e estado da arte referente às

tecnologias de alto-forno e avaliação termodinâmica dos mesmos.

- Levantamento de dados de produção e parâmetros de operação em campo para

realização dos cálculos pertinentes.

- Realização dos balanços de massa e energia e avaliação da eficiência energética

do sistema.

- Realização dos balanços de exergia e determinação da eficiência exergética do

sistema.

- Avaliação de redução de emissão de gases de efeito estufa

- Discussão de resultados

1.3 – Metodologia

A metodologia aplicada ao desenvolvimento do trabalho baseia-se na realização de

balanços energéticos e exergéticos do processo de obtenção de ferro gusa a partir

do carvão de biomassa. O estudo foi conduzido pela realização de pesquisa

documental e aplicações de dados operacionais de uma indústria de gusa dotada de

um alto-forno com características conhecidas. A pesquisa bibliográfica abrangeu

livros e artigos caracterizados segundo Marconi e Lakatos (1990), como imprensa

escrita e publicações. Boa parte das publicações foi obtida via internet e a

compilação foi feita após estratificação do material por palavras-chave sendo elas:

21

exergia, balanço exergético, siderurgia, carvão vegetal, alto-forno, ferro gusa. O

material coletado está em sua maioria em meio digital organizado sistematicamente.

As fontes dos dados industriais foram obtidas através de cópias de documentos

originais da empresa contida em relatórios de operação. A pesquisa de campo foi

orientada por pesquisa bibliográfica permitindo com que o levantamento de dados

fosse sistematizado.

Como parte da tabulação dos dados, buscou-se identificar a alternativa mais

adequada de aplicação dos dados. Decidiu-se utilizar dados operacionais

específicos (por tonelada de gusa produzido) por ser uma unidade praticada pelo

setor. No que tange as técnicas de determinação de amostras duas questões foram

levadas em consideração: 1) período em que a marcha operacional do alto-forno

estava estável; 2) Tipo de biomassa utilizada para produção do carvão vegetal. Para

compilação dos dados termodinâmicos utilizou-se tabelas conforme modelo sugerido

nas principais bibliografias sobre o assunto.

1.4 - Estrutura do Trabalho

Essa dissertação divide-se em seis capítulos sendo assim distribuído: capítulo um

introdução, onde foi abordada principalmente a metodologia utilizada para a

pesquisa e fatores relevantes que motivaram a realização dos trabalhos, dentre eles

a importância ambiental, e a representação do setor siderúrgico no contexto nacional

e internacional; no capítulo dois, uma revisão bibliográfica procura saberes e

atualizações sobre o assunto, passando desde as principais fundamentações

teóricas sobre siderurgia e altos-fornos até uma resenha bibliográfica abordando as

22

principais referências encontradas; no capítulo três foram abordados os principais

conceitos que levaram a determinação do modelo teórico dos balanços; no capítulo

quatro apresentou-se o modelo proposto para balanço exergético em altos-fornos a

carvão vegetal bem como os procedimentos para avaliação da eficiência exergética

do processo, o que permitiu a subseqüente aplicação prática dos dados

operacionais do alto-forno em questão e apresentação dos resultados obtidos. No

capítulo cinco fez-se uma análise dos resultados obtidos onde se buscou identificar

as oportunidades de ganhos em eficiência e recomendações práticas e para

trabalhos futuros.

23

2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Embora os fundamentos da termodinâmica possuam um amplo leque de aplicações,

ocorre que estes são comumente aplicados aos sistemas de geração de potência e

processos termo–químicos, porém observa-se que recentemente seus conceitos

vêm aos poucos sendo explorados e aplicados para esclarecer os entendimentos

sobre eficiência dos processos industriais, bem como para avaliar a qualidade da

utilização dos recursos energéticos.

A busca da redução de emissões de gases de efeito estufa pode estar relacionada

ao alcance da otimização térmica e redução de inputs de energia em altos-fornos.

2.1 - Emissões de Gases de Efeito Estufa e Impactos às Mudanças do

Clima

Embora a mobilização mundial tenha se demonstrado proativa, a sobrevivência

sustentável na terra tem sido grande desafio para políticos e pesquisadores.

Segundo Goldemberg (2000) a atmosfera tem função de um isolante térmico

caracterizado pela presença de uma pequena porcentagem de dióxido de carbono

(cerca de 370 partes por milhão de volume). A queima de combustíveis fósseis pela

ação humana em atividades industriais contribui para um aumento desta

porcentagem. Outros gases de efeito estufa são o ozônio (O3) Metano (CH4) e óxido

nitroso (N2O juntamente com vapor d’água (H2O), No entanto as emissões de CO2

representam em torno de 55% do total de emissões e o tempo de sua permanência

na atmosfera é de pelo menos 10 décadas (BNDES, 1999).

24

As conseqüências dos gases emitidos após a revolução industrial é o cenário

mundial vivido nesta década. Alguns dos principais efeitos já percebidos são:

- Aumento do nível do mar;

- Redução no suprimento de água doce;

- Maior número de ciclones;

- Tempestades de chuva e neve fortes e mais freqüentes; e

- Forte e rápido ressecamento do solo.

Alguns efeitos poderão ser irreversíveis e poderão ter impactos sócio econômicos

que comprometem a saúde humana.

2.2 - Processos Siderúrgicos

A siderurgia é o ramo da metalurgia que consiste nos estudos dos processos

relacionados à extração e transformação do ferro, principalmente quanto à

ocorrência da redução química de minérios. Esta redução química é fortemente

caracterizada pela remoção dos óxidos dos minérios por meio de um redutor, o qual

em geral, é um combustível carbonoso (ARAUJO, 1997).

Os dois agentes redutores mais amplamente utilizados são o coque e o carvão

vegetal. O carvão vegetal pode ser definido como o resultado do processo de

pirólise da madeira na ausência de ar realizada em fornos metálicos ou de alvenaria,

de grande importância ambiental por ser de origem renovável. Já o coque é um

produto obtido em fornos em um conjunto chamado de coqueria sendo o carvão

mineral de origem fóssil. Outros redutores aplicados são os combustíveis auxiliares,

25

normalmente usados como objetivo de reduzir o consumo dos redutores (WANG,

2007).

As rotas siderúrgicas podem ser classificadas em: Siderurgia não integrada, Semi

integrada e integrada podendo ser via coque ou a carvão vegetal. A principal

diferença entre elas pode ser observada na tabela I.

Tabela I – Rotas de fabricação de aço (elaboração própria)

INTEGRADA SEMI INTEGRADA NÃO INTEGRADA

Elevada capacidade produtiva

Média capacidade produtiva

Baixa capacidade produtiva

Todas as plantas disponibilizam unidade própria de produção de ferro gusa. Grandes altos-fornos

Não disponibiliza unidade de produção própria de ferro gusa

As plantas possuem pequenos altos-fornos

Maior parte da carga metálica é constituída pro gusa líquido

Maior parte da carga metálica da aciaria é constituída por sucata para produção de aço

Não possuem aciaria

Aciaria via oxigênio (BOF) Aciaria elétrica a arco ((EAF))

Não possuem aciaria

Principais produtos: aços planos

Maioria das plantas produzem aços longos

Produto: ferro gusa para aplicação em aciarias ou fundições

A rota integrada é responsável pela produção de 80% de todo o aço brasileiro (IBS

2008,c). A rota não integrada brasileira, representada pelos produtores

independentes de ferro gusa, é a maior comerciante mundial de ferro gusa (cerca de

42%). Sua produção no país está aumentando significativamente, pois em 1987

correspondia a 21% do mercado e em 2006 este número cresceu para 29%

(MILANEZ; PORTO, 2008).

26

A indústria do ferro e do aço pode ser considerada altamente poluidora. A geração

de resíduos equivale 613 kg/taço produzido sendo responsável por 21 milhões de

tonelada no ano de 2007, e 3% destes, considerados resíduos perigosos (IBS,

2008). Os impactos são agravados por emissões de materiais particulados, SOx,

NOx e gases de efeito estufa (WBG, 1998). A tabela II apresenta a evolução da

produção de ferro gusa no Brasil.

Tabela II – Evolução da produção de ferro gusa no Brasil (103 toneladas)

Empresa 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Acesita 610 536 589 641 628 702 689

Belgo-Arcelor Brasil 991 971 1002 1090 1102 1104 1408 CSN 3922 4961 5211 5372 4969 3345 5114

Arcelor Mittal Tubarão 5014 5024 4790 4971 4843 5094 5992 Gerdau 3070 3080 3619 3619 3658 3674 3694

Usiminas 7032 8091 8426 8615 8329 8462 8436 V&M 474 476 533 593 581 604 610

Guseiros 6278 6555 7869 9657 9774 9467 9628

27391 29694 32039 34558 33884 32452 35571

As principais fontes de emissões de poluentes na indústria siderúrgica são

apresentadas abaixo na tabela III. Esta tabela não contempla aspectos e impactos

para fabricação de agente redutor de origem renovável (carvão vegetal). Muito

embora os processos produtivos sejam de alto-impacto ao meio ambiente. De uma

maneira geral o nível de controle através de utilização de equipamentos e

tecnologias das indústrias siderúrgicas atingem satisfatoriamente aos limites

estipulados pelos órgãos ambientais.

27

Tabela III – Fontes de emissões na indústria siderúrgica (DSTI, 2007)

EMISSÕES ATMOSFÉRICAS DA INDÚSTRIA DO FERRO E AÇO

Sinterização

Dióxido de carbono, monóxido de carbono, material particulado,

compostos voláteis orgânicos, óxidos de nitrogênio, dióxidos e

furanos

Coqueria

Dióxido de carbono, compostos orgânicos voláteis, material

particulado, óxidos de nitrogênio, óxidos sulfúricos, monóxido de

carbono, materiais particulados, benzeno, e PAHs

Alto-forno Dióxido de carbono, monóxido de carbono, material particulado e

óxido de nitrogênio

Aciaria (BOF) Dióxido de carbono, monóxido de carbono, material particulado,

dióxidos e furanos.

Caldeiras Dióxido de carbono, monóxido de carbono, material particulado e

óxidos de nitrogênio

PLANTAS NÃO INTEGRADAS

Forno elétrico

a arco

Dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio,

material particulado, dióxidos e furanos

TODAS AS PLANTAS DE AÇO

Forno elétrico

a arco

Dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio,

material particulado, dióxidos e furanos

TODAS AS PLANTAS DE AÇO

Laminação a

quente

Dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxido de nitrogênio,

materiais particulados, compostos orgânicos voláteis

Laminação a

frio Compostos orgânicos voláteis

Acabamento Dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio

28

2.3 - Siderurgia – Fundamentação Teórica

2.3.1 Fundamentos do Processo de Redução do Minério de Ferro

No alto-forno pode ser utilizado tanto minérios no seu estado in natura bem como os

aglomerados de minério de ferro. Os minérios de ferro utilizados no processo de

redução são na natureza encontrados em sua maior parte na forma de hematita

(Fe2O3). As reações no interior dos altos-fornos são apresentadas na tabela IV.

A análise da geração desses gases nas diversas transformações no interior do forno

é fundamental para o estudo da formação gasosa no interior do reator. Cada reação

ocorre em determinada região interna do alto-forno e principalmente sobre

específicas condições de temperatura.

Tabela IV – Reações químicas no alto-forno

NOME DA REAÇÃO REAÇÃO

Redução do minério de ferro

Fe2O3 + CO →2FeO+CO2

Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2

FeO + CO →Fe + CO2

FeO + C →Fe + CO2

-- 3FeO + 5CO → Fe3C + 4CO2

Redução de óxidos

MnO + C → Mn + CO

FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO

Decomposição de silicatos

SiO2 + 2C → Si + 2CO

-- P2O5 + 5C →2P + 5CO

Precipitação do C 2CO → C + CO2

Bourdoard CO2 + C → 2CO

Combustão C + O2 → CO2

Decomposição de carbonatos

CaCO3 → CaO + CO2

29

NOME DA REAÇÃO REAÇÃO

Eliminação da água

Decomposição da água combinada

H2O + C → H2 + CO

2.3.2 - Altos-Fornos

O alto-forno é um equipamento que opera com leito poroso devido aos interstícios

formados na carga (redutor e minérios), onde gases quentes e com energia química

gerados nas partes inferiores pela gaseificação do carvão com ar pré-aquecido e

outros combustíveis auxiliares percorrem caminho ascendente, reagindo com a

carga em movimento descendente. O gás combustível e quente sobe através dos

poros, transferindo energia térmica e promovendo reações químicas onde prevalece

a redução dos óxidos de ferro metálico e sua fusão, formando a liga ferro-carbono

denominada ferro gusa. Os minérios de ferro normalmente são carregados na forma

de pelotas, sinter ou minério granulado. No Brasil, a siderurgia a carvão vegetal

utiliza o minério na forma granulada. Já os fornos a coque utilizam-se um mix

formado pelo granulado, pelotas e sinter. A tabela V apresenta as principais matérias

primas utilizadas na Siderurgia a Carvão Vegetal.

A geração do gás CO e CO2 são originadas das diversas reações a destacar as de

combustão e a de bourdoard. As reações de combustão do carvão acontecem em

sua maior parte nas regiões na altura das ventaneiras, região denominada de

raceway. O oxigênio contido no ar quente insuflado pelas ventaneiras reage com o

carbono do carvão vegetal dando origem a estas reações.

30

Tabela V – Insumos utilizados em altos-fornos a carvão vegetal

Carga Metálica Combustível e

Comburente Fundentes

Minério de Ferro Bitolado – Hematita: Fe2O3

Pelotas – Material composto de hematita + aglomerantes

Sucatas – Materiais em dimensões menores ou britadas

Carvão vegetal – Madeira/lenha/resíduos carbonizados

Coque – As vezes adicionados em proporções menores

Calcário Dolomítico – Mineral basicamente composto por Alumina (Al2O3)

Quartzito/granito britado – Mineral composto por Sílica (SiO2)

Estes gases gerados participam de outras reações e também são responsáveis pelo

arraste de material particulado proveniente da geração de finos das matérias primas.

Os principais finos são gerados pela degradação do carvão vegetal ou coque e pelo

fenômeno de crepitação do minério de ferro.

Os gases atravessam a carga permeável no interior do forno se dirigindo às saídas

pelo topo onde são interligadas as tubulações que levam ao sistema de lavagem tipo

Venturi. Parte das partículas passa aos regeneradores onde são emitidas para

atmosfera através de chaminés.

Os regeneradores participam do processo aquecendo o ar que é insuflado pelas

ventaneiras. A principal fonte de energia para este aquecimento é feito pela queima

do gás de alto-forno após passar pelo processo de limpeza dos gases. Porém, nem

todo o gás gerado é aproveitado neste aquecimento sendo necessário realizar a

queima deste excesso em queimadores. O excesso de energia do gás é queimado

em flare gerando gás CO2.

31

A co-geração de energia elétrica pela utilização do gás de alto-forno é uma

alternativa para auto-suficiência das empresas siderúrgicas em energia elétrica. Tal

prática confere uma evolução em práticas sustentáveis pelo setor e reduz as

emissões de gases de efeito estufa.

2.3.3 Siderurgia a Carvão Vegetal

A figura 2 apresenta o layout de uma empresa siderúrgica que utiliza o carvão

vegetal como agente redutor de minério de ferro. Apesar da madeira representar

12,9% da oferta de energia no Brasil, o ponto crítico da siderurgia a carvão vegetal

brasileira é em relação à auto-suficiência em carvão vegetal, isto devido aos

altos custos de reflorestamento.

Figura 2 - Modelo esquemático da siderurgia a carvão vegetal (Pereira, 1982)

Devido ao alto consumo da madeira a necessidade de madeira renovada plantada

para suprimento de toda a cadeia seria equivalente a uma vez e meia o estado do

Rio de Janeiro. Segundo Uhlig

um deslocamento do uso de carvão vegetal por coque, que possui o preço mais

baixo, porém com maior fator de emissão de gases de efeito estufa. É preciso uma

política que estimule a produção de carvão veg

com isto a demanda crescente por esta fonte de energia será atendida e a emissão

de milhões de toneladas de carbono evitada.

energética brasileira a qual é uma das mais limpas do mundo mostra

importância do consumo da madeira como prática sustentável.

Figura 3

O consumo de carvão vegetal está intimamente ligado com a produção industrial de

ferro gusa. Em 2005 o setor co

que equivaleu a 90,5% do seu consumo total. A figura

consumo de carvão e a produção de ferro gusa entre os anos de 1985 a 2005

(Uhlig, 2008).

13%2%

9%

14%

Uhlig at al (2008) o aumento da fiscalização pode provocar



política que estimule a produção de carvão vegetal com custos mais competitivos,

demanda crescente por esta fonte de energia será atendida e a emissão

de milhões de toneladas de carbono evitada. A figura 3 apresenta a matriz

energética brasileira a qual é uma das mais limpas do mundo mostra

importância do consumo da madeira como prática sustentável.

3 - Matriz energética nacional (BEN, 2007)


ferro gusa. Em 2005 o setor consumiu 8,7 milhões de toneladas de carvão vegetal o

que equivaleu a 90,5% do seu consumo total. A figura 4 apresenta a relação entre o


6%13%

40%

14%

3%Carvão mineral

Lenha

Petróleo

Energia hídrica

Nuclear

Gás natural

Produtos da cana

Outras

32

o aumento da fiscalização pode provocar



etal com custos mais competitivos,

demanda crescente por esta fonte de energia será atendida e a emissão

apresenta a matriz

energética brasileira a qual é uma das mais limpas do mundo mostrando a


neladas de carvão vegetal o

apresenta a relação entre o


Carvão mineral

Energia hídrica

Gás natural

Produtos da cana

33

Figura 4 - Evolução do consumo de carvão e produção de ferro gusa (Uhlig, 2008)

Ainda em seu estudo, Uhlig et al (2008) apresenta consumos de carvão vegetal

realizado pelo IBAMA entre os anos de 2000 a 2004, que mostra que neste período

foram consumidos 14,2 milhões de toneladas do redutor sendo que 7,5 tiveram

origem de reflorestamento, 55,7% de resíduos de madeira, 20,1% de desmatamento,

12,2% da casca de babaçu e 4,5% de resíduos de desmatamento.

Os consumos de carvão vegetal por grau de integração da indústria siderúrgica é

apresentado na figura 5, e segundo a origem do carvão na figura 6. Pode-se verificar

que ao longo da evolução histórica de utilização de carvão o consumo de florestas

nativas vem superando ao consumo de florestas plantadas.

34

Figura 5 - Consumo de Carvão vegetal por grau de integração (adaptado de V&M, 2008)

Figura 6 - Consumo de carvão segundo origem (Uhlig, 2008)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

MD

C x

1.0

00

Nativa Plantada

35

2.3.4 - Uso de Carvão Vegetal Renovável como Termo Redutor na Siderurgia e

Geração de Gases de Efeito Estufa

A biomassa é alvo de estudos sobre as alternativas de sustentabilidade de produção

de indústrias no mundo. Com as possibilidades de exaustão dos recursos naturais

não renováveis o uso de combustíveis de biomassa plantada vem sendo discutido

em grandes empresas principalmente no ramo siderúrgico do seguimento a coque.

Contudo o seu uso, bem como de outros renováveis ainda, fica parcialmente

prejudicado quando comparável aos combustíveis fósseis desconsiderando os

custos relacionados às questões ambientais e sociais. (GOLDEMBERG, 2004)

As siderúrgicas que já operam a carvão vegetal devem estar atentas as constantes

oscilações de mercado do ferro gusa o que vem exigindo cada vez mais das

empresas um modelo mais próximo do sustentável e competitivo.

Desde o início da existência humana tem-se a utilização da madeira como fonte de

energia utilizada nas principais ações necessárias à sobrevivência na terra. A

biomassa, porém, passou aos poucos a ser substituída pelos combustíveis fósseis

inicialmente despertadas pelo carvão mineral seguido pelo petróleo e gás natural.

Estes últimos ganharam mais força na indústria principalmente após a revolução

industrial com o avanço tecnológico e aumento da demanda de materiais

industrializados.

Não obstante, alguns setores mantiveram a demanda de combustíveis

lignocelulósicos, como é o caso relevante da siderurgia no Brasil, onde quase 30%

do ferro gusa produzido emprega o carvão vegetal como agente redutor e

energético. Outros setores como de celulose e papel, cerâmica vermelha, indústria

36

gesseira, alimentos e bebidas também são importantes consumidores de lenha

como fonte de calor de processo (NOGUEIRA, 2007). A tabela VI apresenta o

cenário de uso e consumo de lenha no Brasil nos anos de 2006 e 2007.

Pode-se observar que o consumo de lenha em carvoarias corresponde a 42,9%

sendo o restante em demais áreas como pode ser observado na figura 7.

Tabela VI – Consumo de lenha no Brasil (BEN, 2008)

unidade 2006 2007 %07/06

Produção de lenha 103 t 91.922 92.317 0,4

Consumo em carvoarias 103 t 38.307 39.153 2,2

consumo final de lenha 103 t 52.949 52.614 -0,6

Consumo residencial de lenha 103 t 26.697 25.200 -5,6

consumo de carvão vegetal 103 t 9.420 9.670 2,7

Figura 7 - Distribuição do consumo de lenha (BEN, 2008)

Segundo Uhlig (2008) no Brasil, o consumo de carvão vegetal está ligado a indústria

siderúrgica. A produção de ferro gusa é o principal consumidor de carvão vegetal e,

como esperado, o consumo de carvão vegetal é proporcional à produção de gusa. O

Carvoarias; 42,90%

Industrial; 20,50%

Residencial; 27,60%

Agropecuário; 7,90%

Outros consumos;

1,00%

37

consumo de biomassa pelo setor de ferro gusa e aço representa cerca de 7,6% do

total (BEM, 2008).

A principal biomassa renovável utilizada para produção de carvão vegetal é o

eucalipto. Segundo Penedo (1980) é alternativa energética do coque metalúrgico

apresentando com vantagens competitivas como seguem:

- São isentos de enxofre;

- O carbono produzido pelas florestas não interfere no equilíbrio da terra.

- O carbono produzido nas florestas é perpetuamente renovável, enquanto

existir vida no planeta Terra.

As florestas geram carbono e o armazenam ao mesmo tempo, de modo que não é

necessário dispor de depósitos adicionais para o produto como acontece na maior

parte dos processos de fabricação de outros combustíveis.

Com efeito, as cadeias energéticas da biomassa florestal, desde os recursos

naturais até os equipamentos de uso final, mostram crescentes contradições. Por um

lado, a madeira representa uma forma de energia renovável, necessariamente

articulada com o desenvolvimento regional e capaz de aportar vantagens ambientais

localizadas, como a conservação de solo e a proteção dos mananciais, e caráter

global, permitindo atenuar as emissões de gases de efeito estufa (pelos efeitos de

substituição e seqüestro de carbono), sendo interessante e oportuno promover o seu

uso.

Por outro lado, em grande medida, a produção de vetores energéticos baseados na

madeira tem-se associado a impactos negativos, como o desmatamento e

degradação de uso de solo, subemprego e condições insalubres de trabalho.

38

A figura 8 apresenta o ciclo do carbono no processo a carvão vegetal. Para este

processo quando toda a madeira utilizada para fabricação de carvão vegetal é

explorada de florestas dedicadas de origem renovável, todo o CO2 emitido pelo

processo em altos-fornos é equivalente ao CO2 necessário para o crescimento do

eucalipto.

Figura 8 - Balanço de carbono na redução de minério de ferro (Nogami, 2004)

Segundo Goldemberg (2000), as reservas brasileiras de combustíveis fósseis não

deverão ultrapassar os 30 anos e ressalta que a única solução permanente que

poderá manter um desenvolvimento sustentado durante muitas décadas é através

do uso de fontes renováveis de energia.

39

2.3.5 - O reator analisado

As características do alto-forno analisado podem ser vistas na tabela VII. Este alto-

forno foi construído em 1980 e, considerando sua ultima reforma refratária está com

sua vida útil próximo do fim. Por ser um projeto já de 30 anos, seu layout está um

pouco ultrapassado com necessidades reais de ser otimizado principalmente os

sistemas de carregamento de matérias primas no topo, que ainda é pelo sistema tipo

skips, e seu sistema de lingotamento dotado de uma única roda de lingotar com

diâmetro sub-dimensionando o qual compromete a produtividade da usina. Uma

visão parcial desta siderúrgica pode ser vista na figura 9.

Tabela VII – Características do Alto-forno analisado

ITENS

Produção 220t/dia H útil 15,800 m Diâmetro do cadinho 3,400 m Volume útil 139 m3 Número de ventaneiras 10 Diâmetro das ventaneiras 90 mm Regeneradores Glendon Volume de escória 120 kg/tgusa Basicidade da escória 0.92 Vazão de ar 11000-13000 Nm3 Temperatura da coroa 600o C Pressão de sopro 6,0 - 7,0 mca Consumo de carvão/tgusa 550kg Consumo de coque /tgusa 86kg Consumo de minério 1500kg

40

Seu principal produto, gusa nodular elaborado graças a um sistema de tratamento

metalúrgico em panela, é destinado ao mercado externo (japonês, americano e

europeu). Os demais tipos de gusa fabricados pela usina são: aciaria e fundição.

Figura 9 - Visão parcial da corrida de ferro gusa

As figuras 10 e 11 apresentam o fluxograma esquemático do suprimento de matérias

primas para produção de ferro gusa em uma indústria siderúrgica a carvão vegetal.

41

Figura 10 - Fluxograma do minério de ferro

Figura 11 - Fluxograma do carvão vegetal

42

2.3.6 - Uso de Combustíveis Fósseis na Siderurgia – Siderurgia a Coque

A aplicação de combustíveis fósseis na siderurgia está relacionada à entradas de

carvão utilizado no alto-forno como fontes do carbono. Os combustíveis fósseis

podem fazer parte da carga com a utilização total ou parcial de coque, injeção de

carvões minerais pulverizados pelas ventaneiras, injeção de gás natural e processos

periféricos de aquecimento ou de refino onde se utilizam queimas de óleos ou gás.

Um diagrama dos fluxos de energia devido ao uso de combustíveis fósseis pode ser

visto na figura 12. Para uso siderúrgico, o carvão mineral é em boa parte importado

devido à menor fração de impurezas em comparação ao carvão nacional,

viabilizando economicamente a sua aplicação para fins siderúrgicos. Pode-se

observar que o consumo industrial de combustíveis fósseis representa 67,9% do

total consumido.

Figura 12 - Diagrama de energia na siderurgia integrada (LARSON, 2003)

43

Na rota a coque os níveis de emissões de CO2 são fixados na atmosfera tendo

impacto nocivo ao aquecimento global. Na siderurgia a carvão vegetal, quando todo

carvão é de origem de florestas plantadas, existe um modelo perfeito de

desenvolvimento sustentável como resultado do balanço das emissões de carbono

já que o carbono total emitido retorna a natureza para o crescimento de biomassa.

Quanto ao coque consumido pelo Brasil o setor siderúrgico é responsável por mais

de 94% consumindo em média nove milhões de toneladas ano. Os consumos de

carvão mineral e coque contribuem proporcionalmente com as emissões de GEE do

setor industrial o qual estabelece como 2º colocado no ranking dos maiores

emissões pelo consumo de combustível como observado na figura 13. Uma

tendência de aumento no consumo de coque pode ser verificada na tabela VIII.

Figura 13 - Emissões de CO2 pelo uso de combustíveis fósseis (MCT, 2006)

010.00020.00030.00040.00050.00060.00070.00080.00090.000

100.000

44

Tabela VIII – Produção, consumo, importação de carvão mineral / coque (BEN 2008)

Unidade 2006 2007 %07/06

Produção 103 t 5881 5965 1,4

Importação 103 t 14900 16441 10,3

Variação de estoques, perdas, ajustes 103 t 616 -102 -116,6

Consumo industrial 103 t 13906 15097 8,6

Consumo na geração elétrica - CESP 103 t 5500 5074 -7,7

Consumo em outros usos 103 t 1875 2051 9,4

1 Carvão mineral e coque de carvão mineral

2 Centrais elétricas de serviço público

3 Diferença em toneladas, entre o carvão metalúrgico que é processado nas coquerias e o coque produzido

2.3.7 - Operação dos Altos-Fornos a Carvão Vegetal

A operação com carvão vegetal por si só já apresenta vantagens em relação ao

coque por apresentar baixos teores de enxofre na composição química, conferindo

uma importante qualidade da composição final do ferro gusa.

Para a operação estável dos altos-fornos é necessário um controle de qualidade das

matérias primas basicamente dos minérios e carvões. Os principais parâmetros de

controle das matérias primas são:

- Minério de ferro: granulometria, composição química, redutibilidade, índice de

degradação sobre redução, morfologia, índice de crepitação.

- Carvão vegetal: Resistência mecânica, teor de umidade, composição química,

granulometria.

A operação dos altos-fornos a carvão vegetal se inicia no carregamento do carvão

minérios e fundentes pelo topo do alto-forno. As matérias primas armazenadas em

silos são pesados e transportados por correias transportadoras ou skips até o topo

45

do alto-forno. No topo os materiais são introduzidos no interior do equipamento por

sistemas de distribuição (por exemplo, de duplo cone ou calha rotativa). A figura 14

apresenta esquematicamente a distribuição de cargas no interior do alto-forno O gás

redutor (CO) representado pelas setas atravessa a zona de coesão para reagir com

o minério de ferro dando origem as primeiras emissões de gás CO2 no interior do

reator.

Figura 14 – Arranjo interno do alto-forno (MATSUI; SHIBATA e ONO, 2005)

Uma boa distribuição da carga garante uma decida de carga regular e um leito

permeável até as regiões de completa redução do minério de ferro em ferro gusa.

Como pode ser observado na figura anterior, o processo de redução do minério de

ferro se inicia quando o ar quente originado da captação e passagem deste por

equipamentos denominados regeneradores dotados de serpentinas é injetado pelas

ventaneiras do reator. Nesta região o oxigênio contido no ar encontra o carbono

dando origem as reações de combustão e a reação de bourdoard que liberam os

46

gases redutores. Estes gases redutores ascendentes encontram-se com a carga

descendente promovendo a redução do minério conforme estágios apresentados.

Nesta região, gusa e escória em estado líquido percola sobre a carga depositando

na região do cadinho. Na base do cadinho está situado o furo de corrida onde ferro

gusa e escoria escoam formando um jato direcionado a um canal revestido. Estes

materiais no estado líquido se separam durante o tempo de permanência no canal,

pela diferença de densidade.

As principais variáveis operacionais do alto-forno a carvão vegetal são: Temperatura

do ar soprado (temperatura de coroa), pressão de sopro, temperatura de topo,

relação fator (CO/CO2), altura da carga (sonda), temperatura do gusa no canal, teor

de silício do gusa, quantidade de carga hora, peso da corrida, volume de escória. A

boa marcha operacional do alto-forno é parcialmente garantida pelo controle

realizado pelos supervisores e operadores.

As instabilidades operacionais ocorridas são em função das variações na qualidade

do carvão vegetal enfornado. As principais variáveis inerentes as matérias primas

são teor de carbono, densidade e de umidade do carvão enfornado, e granulometria

do carvão e minério de ferro.

Dentre as variáveis apresentadas, um controle apurado é realizado ao consumo de

carvão vegetal que é função de alguns parâmetros como: peso específico do carvão,

umidade do carvão, redutibilidade do minério, crepitação do minério, regularidade na

distribuição de carga, volume de escória, basicidade de escória, temperatura dos

glendons, temperatura de coroa, eficiência do peneiramento, qualidade dos insumos,

teor de silício no gusa. A figura 15 representa, de forma esquemática, a redução do

minério de ferro.

47

Figura 15 - Figura esquemática de redução do minério de ferro

2.3.7 - Injeção de Finos de Carvão em Altos-Fornos e a Redução de Emissão de

CO2

A injeção de finos de carvão em altos-fornos é um recurso de redução de consumo

energético, pois normalmente pode se utilizar finos de carvão reciclados do próprio

processo de produção de ferro gusa. Segundo Assis 1995, durante o fluxo da

biomassa desde o processo de produção do carvão vegetal até o seu carregamento

no alto-forno pode ser gerado cerca de 25 % de finos. Este fino também conhecido

como moinha, que era de comercialização incerta, vem ganhando aplicação nos

diversos mercados industriais de demanda de energia podendo ser aplicados na

substituição de carvão vegetal carregado no topo bem como também do coque.

Ainda nas indústrias não integradas o redutor é enfornado em faixas granulométricas

iguais ou superiores a 6,35 mm. Isto faz com que a geração de finos seja menor do

que nas outras classificações siderúrgicas e, portanto o volume gerado quase

48

sempre é um fator limitante para adoção da tecnologia de injeção de finos de carvão

pulverizado pelas ventaneiras. A alternativa neste caso, é a compra de moinha de

terceiros para suprir uma demanda regular de injeção do material. Outra limitação

desta utilização é o fator temperatura de sopro, pois os altos-fornos a carvão vegetal

são equipados com regeneradores do tipo glendon com o qual se alcançam

temperaturas menores do que os cowpers, utilizados em fornos maiores

principalmente por fatores econômicos.

Deve-se ressaltar também que a injeção de finos de carvão, tem efeito refrigerante,

induzindo o processo a um abaixamento na temperatura de chama. A injeção de

combustíveis auxiliares demanda cuidados especiais na operação dos altos-fornos,

pois esta prática implica em uma série de alterações operacionais: permeabilidade

da coluna, espessura da camada do redutor, distribuição da carga, temperatura de

chama e enriquecimento do ar (Wagner, 1994).

A injeção de finos de carvão pelas ventaneiras induz a um menor consumo de

carvão vegetal bruto, diminuindo o consumo anual de carvão e conseqüentemente

reduzindo a necessidade de área de reflorestamento.

Portanto, para siderúrgicas onde o redutor é o carvão vegetal de biomassa plantada,

o balanço de CO2 do alto-forno a carvão vegetal é positivo, isto é, o CO2 liberado

pelo alto-forno para a atmosfera é menor do que o absorvido anteriormente pela

floresta. Sendo assim a alternativa de injeção de finos pelas ventaneiras pode ser

considerada uma prática que contribui para com o desenvolvimento sustentável

amenizando o efeito estufa (Assis, 1996).

2.3.8 - Emissões de Gases de Efeito Estufa e os Processos Siderúrgicos

A figura 16 apresenta as emissões globais de gases de efeito estufa por setores de

atividades.

Figura 16 - Emissões setoriais mundiais de gases de efeito estufa (MCT, 2006)

Uma boa prática a se utilizar em determinação de emissões é adota

metodologias do Guia do GHG Protocol

cuidadosamente com objetivo de padronizar de forma coerente, um inventário de

emissão de gases de efeito estufa. O GHG protocol foi desenvolvido pelo WRI

Word Research Institute

resultados objetivados são alcançados mediante a aplicação dos seguintes passos

propostos por ele sendo eles:

- Definição dos limites operacionais organizacionais do inventário

- Coleta de dados das atividades q

- Calculo das emissões

AGRICULTURA14%

DESMATAMENTO E MUDANÇAS DE

PADRÕES NO USO DA TERRA

9%

Emissões de Gases de Efeito Estufa e os Processos Siderúrgicos

apresenta as emissões globais de gases de efeito estufa por setores de

Emissões setoriais mundiais de gases de efeito estufa (MCT, 2006)

Uma boa prática a se utilizar em determinação de emissões é adota

Guia do GHG Protocol. Este documento foi elaborado


emissão de gases de efeito estufa. O GHG protocol foi desenvolvido pelo WRI

em colaboração com outras entidades mundiais. Os


propostos por ele sendo eles:

Definição dos limites operacionais organizacionais do inventário

Coleta de dados das atividades que resultam na emissão de GEE;

CFCS17%

INDÚSTRIAS4%

PRODUÇÃO DE ENERGIA

56%

DESMATAMENTO E MUDANÇAS DE

PADRÕES NO USO DA TERRA

49

Emissões de Gases de Efeito Estufa e os Processos Siderúrgicos

apresenta as emissões globais de gases de efeito estufa por setores de

Emissões setoriais mundiais de gases de efeito estufa (MCT, 2006)

Uma boa prática a se utilizar em determinação de emissões é adotar as

. Este documento foi elaborado


emissão de gases de efeito estufa. O GHG protocol foi desenvolvido pelo WRI –

olaboração com outras entidades mundiais. Os


ue resultam na emissão de GEE;

INDÚSTRIAS

50

- Adoção de estratégias como: aumento de eficiência, projetos para crédito de

carbono, introdução de novas linhas de produtos, mudança de fornecedor, etc.

- Relato de resultados.

Sua aplicação envolve os seguintes benefícios: - oportunidades de redução de

custos; - criação de benchmark e oportunidades para melhorar a competitividade;

Participar de mercados de emissões de GEE; - Prestar contas aos acionistas e

stakeholders; - Aplicabilidade e impacto em cadeira; - Traçar e alcançar metas de

responsabilidade sócio-ambiental; - Avaliar passivos e preparar-se para futuras

políticas de emissões de GEE; - Garantir oportunidades no mercado internacional.

As expressões matemáticas para cálculos de emissões também são apresentadas

no Guia. Contudo, Brasil, Junior, P. e Junior, J. (2008) destaca a importância da

declaração de incertezas associadas aos processos de medida de emissões dos

gases para confiabilidade e segurança de avaliação de melhorias operacionais bem

como para definição coerente de metas de redução.

As emissões de gases de efeito estufa na indústria siderúrgica são originadas em

vários processos sejam eles os de produção ou os de apoio aos setores de

produção. Para quantificar as emissões primeiramente precisamos conhecer os

processos e tecnologias implantados em cada empresa bem como identificar com

detalhes como ocorrem às operações de logística e apoio operacional desde o

recebimento de todas as matérias primas, insumos e energia elétrica até a entrega

dos produtos, subprodutos e resíduos. As figuras 17 e 18 apresentam

respectivamente a contribuição de emissões por cada atividade econômica e

emissões por grau de integração na siderurgia.

Figura

Figura 18 - Emissões na siderurgia por grau de integração de 1990 a 1998 (tCO

Ainda no primeiro inventário

Tecnologia no Brasil, as emissões de gases de efeito estufa na siderurgia integrada

corresponderam valores superiores a 80% das emissões totais do setor entre os

anos de 1990 a 1998 comparativamente a siderurgia semi

direta.

O guia GHG protocol não engloba em sua metodologia de contabilização final de

emissões a contribuição da siderúrgica a carvão vegetal, pois credita que as

emissões são compensadas pela p

75%

0

0,5

1

1,5

2

1990 1991 1992 1993

Figura 17 - Emissões de GEE no Brasil

Emissões na siderurgia por grau de integração de 1990 a 1998 (tCO

inventário setorial realizado pelo Ministério de Ciência e



98 comparativamente a siderurgia semi-integrada e a redução



emissões são compensadas pela produção de O2 pelas florestas. Como bem explica

7%9%

6%1%

2%

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS NA INDÚSTRIA

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS NO TRANSPORTE

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS OUTROS SETORES

EMISSÕES FUGITIVAS

PROCESSOS INDUSTRIAIS

MUDANÇA NO USO DA TERRA E FLORESTAS

1994 1995 1996 1997 1998

siderurgia integrada

siderurgia semi

redução direta

51

Emissões na siderurgia por grau de integração de 1990 a 1998 (tCO2/taço)

setorial realizado pelo Ministério de Ciência e



integrada e a redução



pelas florestas. Como bem explica

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS NA

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS NO

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS OUTROS

EMISSÕES FUGITIVAS

PROCESSOS INDUSTRIAIS

MUDANÇA NO USO DA TERRA E

siderurgia integrada

siderurgia semi-integrada

redução direta

52

Sampaio (2004), dentre as várias possibilidades de energia renovável utilizada pelo

homem, é através da fotossíntese que os seres clorofilados absorvem energia solar

e, na presença de pigmentos verdes converte o dióxido de carbono e a água em

glicose funcionando como um coletor verde que serve para regenerar o oxigênio de

volta a atmosfera, limpando-a do dióxido de carbono expelido em excesso, servindo

também para a produção de carbono renovável como mostrada na reação a seguir:

6CO2+6H2O+Luz Solar/Clorofila →C6H12O6+6O2

Entretanto, segundo Cavaliero e Jannuzzi (1998), a utilização predatória de matas

nativas, sem o devido reflorestamento pode aumentar ainda mais a participação do

setor siderúrgico nas emissões nacionais de CO2, uma vez que até a etapa de

produção de ferro gusa a partir do processo de redução de minério de ferro, a

indústria a carvão vegetal emite mais que a indústria a coque de carvão mineral. Isto

configura que ambos os redutores utilizados classificam a atividade siderúrgica como

produtores de CO2 e consumidores de O2.

A figura 19 apresenta as emissões setoriais no Brasil. Os dados são retirados do

primeiro inventário nacional de gases de efeito estufa realizado pelo governo

brasileiro para o ano de referência de 1994. O setor siderúrgico que se enquadrano

setor industrial é responsável por 4% das emissões no país

Na figura 19 não foram levadas em consideração as emissões indiretas (consumo de

energia elétrica). Foram consideradas as emissões na coqueria, alto-forno e

emissões de processo (representando 60% das emissões totais da siderúrgica). A

tabela IX apresenta como são originadas as emissões de gás de efeito estufa para

cada tipo de siderurgia bem como por processos siderúrgicos e na tabela X compara

as emissões por setores da indústria.

Figura 19

Tabela IX – Principais setores e fontes de emissão de CO

Setores de produção Fontes de emissão

Ferro gusa

(Não Integrada)

Alto

(carvão vegetal)

Ferro e aço

(Integrada)

Coqueria

Sinterização

Alto

Ferro ligas Forno elétrico de

Energia

Caldeiras das

termoelétricas

Ferro e aço

Metais não ferrosos

Outros

19 - Emissões setoriais no Brasil (IEA, 2007) *

Principais setores e fontes de emissão de CO2 das indústrias siderúrgicas

Fontes de emissão Origem das emissões

Alto-forno

(carvão vegetal)

Combustão do carvão

Combustão dos finos de carvão injetado

nas ventaneiras

Redução dos óxidos de ferro

Decomposição dos fundentes

Coqueria

Queima do GAF e/ou COG

Queima de outros combustíveis (óleo

combustível; gás natural)

Sinterização Oxidação de finos de coque ou de carvão

vegetal

Alto-forno

(coque)

Combustão do coque

Combustão dos finos de coque /carvão

mineral injetados nas ventaneiras

Redução dos óxidos de ferro

Decomposição dos fundentes (calcário e

dolomita)

Aciaria

Oxidação do carbono contido no aço

Oxidação do carbono dos eletrodos (forno

elétrico de aciaria)

Forno elétrico de

redução

Redução dos óxidos metálicos

Oxidação do carbono dos eletrodos

Oxidação do carbono contido nos

minerais

Calcinação dos carbonatos (calcário e

dolomita)

Caldeiras das

centrais

termoelétricas

Combustão de gases siderúrgicos (GAF e

COG)

28%

18%

2%

25%

27%

Ferro e aço Químicos e petroquímicos

Metais não ferrosos Minerais não metálicos

Outros

53

das indústrias siderúrgicas

Origem das emissões

Combustão dos finos de carvão injetado

Queima de outros combustíveis (óleo

Oxidação de finos de coque ou de carvão

Combustão dos finos de coque /carvão

mineral injetados nas ventaneiras

Decomposição dos fundentes (calcário e

Oxidação do carbono contido no aço

Oxidação do carbono dos eletrodos (forno

Oxidação do carbono dos eletrodos

Oxidação do carbono contido nos

Calcinação dos carbonatos (calcário e

Combustão de gases siderúrgicos (GAF e

54

Tabela X – Emissões de poluentes (Silveira, sem data)

CO2 CH4 CO NOx NMVOC

SETOR ENERGIA

Emissões totais do setor GJ 236.505 401 12.266 1.601 1.596

% (em relação as emissões totais)

Emissões totais 23 3 39,1 69,6 64,5

SUBSETOR INDUSTRIAL

Emissões do Subsetor 74.066 55 1.833 347 55

% (em relação ao setor energia) 7,2 0,4 5,8 15,1 2,2

INDÚSTRIA SIDERÚRGICA

Emissões Ind. Siderúrgica 37.887 37 790 113 23

% (em relação ao setor energia) 3,7 0,3 2,5 4,9 0,9

% (em relação ao subsetor industrial) 51 67 43 33 41

2.3.9 - Exergia como Ferramenta Aplicada a Redução de Emissões de Gases de

Efeito Estufa

Um estudo de Akiyama & Yagi (1998) apresenta uma metodologia para avaliação

de reduções de emissões pela minimização do consumo de exergia em indústrias

siderúrgicas. Os resultados sugeririam a possibilidade de economia de energia pela

indicando uma meta para redução da emissão de CO2 e diferenças entre simulações

de dados operacionais. Significativamente, a metodologia proposta é também

aplicável para todos os outros sistemas metalúrgicos e químicos para estudos de

alternativas e aproveitamento de recursos. A redução de emissões também pode ser

conduzida pela recuperação de calor de gases de alto-forno que saem a altas

temperaturas dos sistemas de produção de ferro e aço através da recuperação de

55

sua a exergia química. Afigura 20 apresenta a redução da perda exergética pelo

aumento do índice de pós combustão do gás de alto-forno.

Figura 20 - Perdas de exergia

O objetivo principal da análise de exergia é identificar e avaliar quantitativamente a

causas das imperfeições termodinâmicas dos processos térmicos.

Segundo Zargut, (1988) a exergia foi inicialmente introduzida por Rant em 1956

fundamentado em questionamentos sobre a degradação da energia quando utilizada

em sistemas e processos diversos. Segundo Valero, Munhoz e Lozano 1994, o

conceito foi trabalhado anos após para ser difundido mundialmente nos processos

industriais a partir de pesquisas realizadas por Wall, 1986.

Os estudos e aplicação do conceito de exergia em processos siderúrgicos são pouco

utilizados pelos pesquisadores da siderurgia principalmente para o seguimento a

carvão vegetal.

Em conseqüência disto, os estudos bibliográficos desta dissertação tiveram início

tomando como referência uma análise comparativa entre a siderurgia integrada

56

convencional a coque e a siderurgia a carvão vegetal. Também Oleg Ostrovisk e

Zhang (2004), realizaram estudo similar, porém desta vez, pesquisando a rota

integrada de produção de gusa e comparativamente com processos de redução

direta de óxidos de ferro.

Uma análise exergética comparativa para sistemas de produção de gusa via carvão

vegetal e coque (entradas e saídas de exergia) a qual objetivou avaliar as questões

ambientais principalmente relacionadas a emissões de gases de dióxido de carbono

para a atmosfera, foi desenvolvida por Nogami, Yagi e Sampaio (2004). O estudo

abrangeu a produção de carvão vegetal em fornos de carbonização e produção de

coque em coqueria, redutores utilizados nos processos de produção de gusa em

altos-fornos. Estes processos normalmente estão integrados aos dois modelos de

siderurgia estudados. O estudo em questão não considera algumas variáveis como

relacionadas ao aproveitamento de gases e vapores de exaustão. Observa-se que

alguns fatores como maior volume de ar soprado, menor volume interno do forno em

função da área superficial necessitam de maiores entradas de exergia em função da

quantidade de energia necessária para aquecimento de maiores quantidades de ar

nos glendons e maiores perdas de calor do sistema. Sobretudo, as exergias de

saída de ambos os processos tendem a se aproximar quando o processo via carvão

vegetal recupera as perdas de exergia contidas no gás de alto-forno em processos

de geração de energia elétrica por exemplo. As tabelas XI e XII apresentam os

resultados dos balanços de exergia obtidos por Nogami.

Como resultado do estudo realizado pode-se observar que a exergia de entrada

para o processo a carvão vegetal é maior que para o processo a coque. Isto

praticamente devido ao tipo de redutor utilizado. O processo a carvão vegetal está

57

caracterizado por um maior consumo de agente redutor por tonelada de ferro gusa

produzido.

Tabela XI – Resultados da comparação dos inputs de exergia (NOGAMI,

YAGI, SAMPAIO, 2004)

A coque Carvão vegetal

Matérias primas 335 Matérias primas 188

Coque 11.415 Carvão vegetal 16.345

Injeção de carvão pulverizado 3.135

Injeção de carvão pulverizado -

Sopro 1.105 Sopro 762

Eletricidade 155 Eletricidade 180

Total 16.145 Total 17.488

Unidade: MJ/tgusa líquido

Tabela XII – Resultados da comparação dos outputs de exergia (NOGAMI, YAGI, SAMPAIO, 2004)


Ferro gusa 8.121 Ferro gusa 8.410

Escória 519 Escória 252

Gás de coqueria 5.551 Gás de coqueria 6.498

Dust 71 Dust 224

Eletricidade 112

Perdas de calor 52

Outras 522

Total 14.948 Total 15.384

Unidade: MJ/tgusa líquido

Eficiência exergética / perdas


εperdas 1.197 εperdas 2.148

58

Oleg Ostrovisk e Zhang (2004), realizando análise comparativa entre a indústria do

aço pela rota integrada via alto-forno e pela rota de processos de redução direta.

Comentou que os processos são irreversíveis e sempre acompanhados de perdas

de exergia. Do ponto de vista comparativo, o processo de redução direta pode ter

perdas exergéticas superiores aos altos-fornos a coque em função da razão da

variável de pós combustão (%CO2 + % H2O)/(%CO2 + % H2O + %CO + %H2)

compensadas pelo uso eficiente dos gases de saída do processo. Nos altos-fornos a

coque, a utilização eficiente do gás já está consolidada através de seus usos em

outros processos como de geração de energia elétrica, nas unidades de coqueria e

sinterização.

A exergia foi utilizada como ferramenta para um estudo de progressos nos

processos de produção de ferro gusa em alto-forno na indústria do Japão. Neste

estudo foram simuladas diversas situações, entre elas a injeção de finos de carvão

pelas ventaneiras o que levou a economia de exergia para o processo (YAGI, 1991).

Wall (1986) realizou um estudo comparativo entre diversos processos industriais

dentre eles a produção do aço em Mini-Mills via fornos elétricos. O estudo objetivou

apresentar que os estudos de exergia se aproximam de uma ação ineficiente à

medida que as temperaturas do processo na industrial se aproximam da temperatura

ambiente. Concluiu que perdas exergéticas de dois fornos elétricos em operação

podem ser significantemente reduzidas substituindo estes por apenas um forno com

capacidade de produção maior.

Outra parte da revisão bibliográfica sobre a aplicação dos conceitos para

desenvolvimento desta dissertação foi baseada na revisão bibliográfica “Bibliography

on Energy” publicada em 1992 por Goran Wall. Este identificou cerca de 2034

59

publicações a nível mundial que referenciam diretamente o conceito de exergia até o

ano de 1994. Admitiu-se, porém que somente 05 dos artigos publicados foram

voltados a processos siderúrgicos havendo restrição maior para o processo de

fabricação de ferro gusa em altos-fornos.

Contou-se também com o trabalho compilado por Cornelissen (1994) que

identificou os trabalhos relacionados ao tema no período entre 1985 e 1994. Seu

trabalho “Bibliography on Exergy Analysis and Related Techniques” identificou cerca

de 760 publicações sendo que não foram identificado estudos diretos de exergia em

altos-fornos. Pesquisas realizadas no período de 1993 a 2005 apontam 999

publicações compiladas por Palma, 2007.

Levando em conta a quantidade restrita de publicações em relação ao tema

proposto, considerou-se que as publicações citadas até aqui cruciais para

desenvolvimento deste trabalho e desenvolvimento da metodologia proposta.

60

3 - FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS

A termodinâmica está intimamente ligada a engenharia e conseqüentemente aos

processos industriais quando as necessidades de melhorias no desempenho de

projetos, resultando em aumentos de produção, redução de consumo de recursos

naturais e/ou escassos, redução de custos ou menor impacto ambiental . Portanto

seus conceitos são ferramentas imprescindíveis às questões de sustentabilidade

ambiental, manutenção e qualidade da vida terrestre.

Este capítulo apresenta de forma breve os principais conceitos os quais serviram

como fundamento do modelo de estudo proposto. A aplicação dos conceitos de

exergia permite a realização de diagnósticos em diversos setores da indústria e será

utilizado para o processo de produção de gusa em altos-fornos pelo uso da

biomassa.

3.1 Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica Aplicada ao Processo de

Redução de Minério de Ferro

Como nos altos-fornos o processo é realizado em regime permanente, o fluxo de

massa na entrada deste reator é igual ao fluxo de massa de saída. A ilustração dos

fluxos de massa que atravessam a superfície de um alto-forno pode ser vista na

figura 21.

Para qualquer volume de controle a equação de balanço de massa pode ser escrita

como (MORAN; SHAPIRO, 2008):

Podemos reescrever as equações em termos de taxa do tempo obtendo:

Variação líquida de massa no interior do volume de controle

Figura 21 - Fronteiras de trabalho


=

Total de massa que entra no volume de controle

-

Total de massa que sai do volume de controle

61


(1)

Total de massa que sai do volume de

62

Como os processos no alto-forno acontecem em regime permanente, as

propriedades termodinâmicas não variam com o passar do tempo, sendo a parcela

de taxa de variação de massa com o tempo nula podemos reescrever:

∑ m� � � ∑ m� �� (2)

Como já foi abordado, no alto-forno do estudo em questão temos as seguintes

matérias primas enfornadas: carvão vegetal, minério de ferro, pelotas, sucatas de

ferro gusa, granito, dolomita e ar. Os principais produtos e subprodutos do alto-forno

são: ferro gusa, escória de alto-forno, gás de alto-forno, pó e lama de alto-forno,

sucatas. Assim, para a coerência das etapas que seguem neste trabalho procedeu-

se o seguinte balanço de massa o qual é detalhado no apêndice x.

Para uma verificação mais apurada do balanço de massa em altos-fornos pode-se

reescrever a equação acima em função das vazões molares levando em

consideração as composições químicas de cada componente referente as matérias

primas e insumos, bem como os teores dos elementos contidos nos produtos,

subprodutos e resíduos do alto-forno.

Na prática de balanços de massa nos altos-fornos devemos considerar as diversas

perdas de processo as quais, muitas das vezes representam pequenas frações

inerentes as saídas, por questões inerentes ao processo de redução de minério de

ferro.

Estas perdas podem estar relacionadas a purgas no sistema de despressurização no

topo do alto-forno, pequenos vazamentos em válvulas do sistema de recuperação do

gás de alto-forno, instabilidades operacionais indesejadas de menor freqüência que

63

causam emissões instantâneas de massa, bem como perdas metálicas em canais e

no processo de separação de escória.

Pelo princípio de conservação de massa sabemos que:

∑ m� � � ∑ m� �� (3)

O balanço de entropia para o regime permanente em termos de taxas é então

determinado por:

0 � ∑ Q� T

� ∑ m� . s � ∑ m� . s��í�� σ� �� (4)

Para os processos reais em um volume de controle onde o processo siderúrgico se

desenvolve em regime permanente, as irreversibilidades estão presentes pela

observação das propriedades de troca de calor que entra no volume de controle e

taxa de produção de trabalho. A diferença entre o trabalho ideal de um processo

irreversível (que poderia ter sido realizado sem perdas) do trabalho realizado no

processo ideal descreve a definição de irreversibilidade.

I � W��í�� W�� (5)

64

No alto-forno a importância da termodinâmica é aplicada ao conhecimento das

transformações químicas que ocorrem no interior do reator no processo de redução

da hematita (Fe2O3) ao Fe metálico. No entanto, objetivando aplicar ao modelo os

conceitos de primeira e segunda lei, embora os estados iniciais e finais do sistema

possam fornecer informações globais que possam permitir a avaliação de emissões

de gases de efeito estufa, propõe-se, como sugerido por Andrade (1977) intervir em

dois estados intermediários de transformações químicas internas no reator como

recurso simplificado de execução dos balanços. Fazendo-se abstenção das fases

intermediárias, a principal reação de obtenção do gusa líquido no alto-forno poderia

ser escrita como:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3 CO2

No entanto, nem todo CO produzido nas ventaneiras do forno é consumido nesta

reação de modo que no gás de topo do forno há ainda considerável quantidade de

CO não aproveitado (PENA,1980). Tal fenômeno pode ser perfeitamente

demonstrado quando a velocidade das reações de redução atinge o equilíbrio

termodinâmico antes que todo o CO seja consumido, reforçando a importância desta

ciência quando aplicado nos processos siderúrgicos.

Para os processos siderúrgicos pode-se obter dados tabelados como as tabelas de

Kelly que fornecem os valores de St – S298 (JUVILAR, 1980).

Para elaboração do balanço térmico a determinação das fronteiras do sistema que

deve estar intimamente relacionada aos objetivos do estudo que se pretende

alcançar com o cálculo do balanço térmico. A garantia de exatidão dos balanços

65

bem como para todas as etapas aos cálculos deve-se proceder ao balanço de

massa por ser a entalpia diretamente dependente da massa (ASSIS; SAMPAIO,

1995).

A tabela XIII apresenta os dados de processos do alto-forno utilizados para os

balanços. Ressaltam-se a temperatura do minério de ferro o qual é secado no silo

através de aquecimento com gás de alto-forno recirculado no processo. Demais

insumos carregados pelo topo entram a temperatura ambiente e não estão isentos

de umidade.

Tabela XIII - Propriedades térmicas do alto-forno: inicial e final

Início Fim

Componentes do sistema Temperatura Componentes do sistema Temperatura

Carvão vegetal 298 K Gusa Líquido 1623 K

Minério de ferro - Hematita 298 K Escória de alto-forno 1623 K

Pelotas 298 K Gás de alto-forno 460 K

H2O - Umidade da carga 298 K Pó e lama de alto-forno 460 K

Ar 298 K

Sucatinha 298 K

Granito 298 K

Dolomita 298 K

3.2 Métodos da Exergia

O método de análise de exergia permite identificar e avaliar a perda residual de

recursos energéticos existente em determinado processo. Estas informações são

importantes quando utilizadas a favor de melhoria da eficiência de diversos

processos onde são demandados qualquer quantidade de energia seja nos mais

diversos tipos de processos existentes bem como em seguimentos industriais e são

66

importantes na avaliação das emissões de gases de efeito estufa e em pesquisas de

sua mitigação.

Segundo Kotas (1995) A partir da interação entre dois sistemas em diferentes

estados, pode ser realizado trabalho até o estado de equilíbrio. Qualquer um dos

sistemas pode ser considerado como estado de referência ou meio ambiente e o

outro sistema é o que se deseja estudar. Pode-se adotar a segunda nomeclatura

uma vez que o meio ambiente pode ser bem representado pela atmosfera, oceanos

ou pela crosta terrestre.

A definição de exergia é dado com sendo a parte da energia que pode ser

completamente convertida em qualquer outra forma de energia (Rant, 1956). A

exergia é a parte nobre da energia, ou em outras palavras, é a parcela que pode ser

convertida em calor ou trabalho. Pode ainda ser considerado como a parte da

energia que é degradada como efeito indesejado e, em algumas vezes, inerentes a

um processo. Espera-se, contudo, mensurar estes efeitos de forma a recuperar entre

os destroços, a eficiência dos processos.

Podemos constatar que nos processos e equipamentos siderúrgicos, a energia se

conserva, isto é, ela não pode ser destruída. Portanto, a energia que entra sob

diversas formas, seja através de eletricidade, combustíveis, matérias primas, entre

outras formas, irá se transformar em produtos e seus derivados. Com a introdução

da exergia, devemos constatar até que ponto a recíproca é verdadeira estando

fundamentado nos conceitos de segunda lei. Já a exergia não é conservada, mas

pode ser destruída pelas irreversibilidades. Sendo assim a exergia pode ser toda

destruída para o caso de uma variação espontânea.

67

Segundo Torres (2001), a energia é a propriedade proveniente do primeiro ela não

pode ser criada nem destruída, só transformada e sempre se conserva e, a cada

transformação haverá sempre uma parte perdida. Rant introduziu a palavra Exergia,

também propôs a palavra anergia para denominar a parte de energia que não pode

ser aproveitada, isto é:

Energia = Exergia + Anergia (6)

Uma comparação de energia com exergia foi apresentada por Szargut (1988) é

mostrada na tabela XIV.

Tabela XIV – Comparação entre energia e exergia

Energia Exergia

Respeita as leis de conservação Está isenta das leis de conservação

É função de estado da matéria em consideração

É função de estado da matéria em consideração e da matéria no meio ambiente

Deve ser calculada com base em um estado de referencia assumido

O estado de referencia é imposto pelo meio ambiente; em baixas temperaturas

No caso de um gás ideal, não depende da pressão

Sempre depende da pressão

É zero quando no vácuo É um valor positivo no vácuo

Segundo Szargut (1988) a energia pode ser dividida em 04 partes: cinética,

potencial, termomecânica e química. A figura 22 ilustra esquematicamente estas

contribuições.

Figura 22

Portanto,

B = Bcinética+Bpotencial+BTérmica

Btérmica = BFísica+BQuímica

E

Btérmica = BΔP+BΔT

Então a exergia é:

B = Bcinética+Bpotencial+ BΔP+B

Onde B = Exergia

A exergia cinética é a própria energia cinética quando a velocidade relativa

considerada é a da superfície da terra. A exergia potencial é também igual a energia

potencial quando o referencial é a superfície do local avaliado, por exemplo a

superfície da terra. Considerando que a velocidade do sistema e a altura sejam

22 - Representação conceitual de exergia

Térmica+Bquímica

Química

T

+BΔT+Bquímica




erra. Considerando que a velocidade do sistema e a altura sejam

68

(7)

(8)

(9)

(10)




erra. Considerando que a velocidade do sistema e a altura sejam

69

nulas em relação ao ambiente (��é!�"# � �$%!&�"�#' � 0), a exergia passa a

combinação da exergia química e a exergia química.

Quando se trata de análise de sistemas térmicos, ambas as exergias potencial e

cinética pode ser consideradas nula. A diferença entre as alturas bem como o fato

de que os sistemas estão na condição de repouso ambos são desprezíveis.

Exergia termomecânica ou física é definida como sendo o trabalho máximo obtido

em trabalhos reversíveis quando uma quantidade de matéria é levada do estado

inicial (P e T) ao estado de equilíbrio de pressão e temperatura de referencia (P0 e

To) do ambiente. Se uma região do espaço dispõe de pressão e temperatura maior

que o ambiente, neste caso existe um potencial com relação ao meio (SZARGUT,

1988). Quando a pressão e a temperatura do sistema se igualam com o meio,

afirma-se que esse é o estado Inativo Restrito, portanto, não tem mais capacidade

de gerar trabalho ou calor.

A exergia química é o trabalho é o trabalho obtido por uma substancia desde uma

condição inicial a uma condição de equilíbrio com o meio ambiente.

A exergia térmica ou termoquímica então é a contribuição da termomecânica mais a

química. Em outras palavras ela representa o trabalho máximo obtido quando uma

quantidade de matéria é levada ao estado de equilíbrio termomecânico (pressão e

temperatura) e químico (potencial químico) com o ambiente. A energia

termomecânica ou física é o potencial existente entre o estado em que se encontra

na região do espaço a P e T até o equilíbrio termomecânico (P0, T0) com o

ambiente.

70

A variação de exergia térmica pode ser calculada pelo modelo da máquina térmica

de Carnot. O fluxo de energia com entalpia H1 e entropia S1 na máquina reversível

onde as variações térmicas e/ou químicas irão acontecer resultando em nas

entalpias H2 e entropia S2.Portanto, também nos altos-fornos comparando-o a uma

máquina térmica devemos levar em consideração as contribuições físicas e químicas

de entalpia e entropia do processo de produção de ferro gusa. O máximo trabalho

que deveria ser obtido da máquina é obtido pela variação de exergia dos fluxos de

entrada e saída do reator. Portanto pelo balanço de energia temos que:

BTé�)��*+ � B,-í)��*. � � ΔB�é�)��* � H+ � H. � Q3 (11)

E pelos critérios de reversibilidade,

S. � S+ � 56

76� 0 (12)

Assim temos que,

BTé�)��*+ � B,-í)��*. � � ΔB�é�)��* � H+ � H. � T39:+ � :.; (13)

Para efeitos de cálculo da exergia química do agente redutor carvão vegetal

idealiza-se as principais reações como sendo a reação de combustão e a reação de

Boudoard a fim de se conhecer o trabalho máximo obtido nas respectivas reações

químicas.

A exergia química padrão dos produtos e matérias primas utilizadas no alto-forno

pode ser calculada por expressões aproximadas pela equação a seguir.

71

<5=í>�"#3 � <?=í>�"# @&

% � ∑ ABCBB (14)

Onde,

DB= número de moles dos elementos contidos no ferro gusa

CB = Coeficiente de exergia química padrão dos constituintes do ferro gusa

Para as matérias primas (minério de ferro, pelotas, dolomita, quartzito e granito

enfornadas a exergia química pode ser expressa como sendo:

<5=í>�"#3 � ∑ A�C�� (15)

D� = Número de moles da matéria prima i

C� = coeficiente levando em consideração os componentes químicos contidos na

matéria prima i

As principais saídas do alto-forno como já apresentado em outros capítulos são o

Ferro gusa, escória de alto-forno, gás de alto-forno e poeiras (pó e lama de alto-

forno).

72

4 - ANÁLISE DA EXERGIA EM ALTOS FORNOS

A figura 23 apresenta a definição da fronteira de interesse para o estudo proposto

bem como a representação dos fluxos de entrada e de saída do alto-forno.

O processo industrial para produção de ferro gusa tem um consumo de exergia

importante; este constitui cerca de 40% do consumo total de exergia na indústria do

ferro e do aço (Szargut, 1988). A eficiência exergética do alto-forno é relativamente

alta quando a contabilização abrange o ferro gusa líquido e a exergia química do gás

de alto-forno utilizado.

Figura 23 - Fluxos de elementos no alto-forno

73

Um exemplo dos balanços de energia e exergia de processos industriais para

fabricação de ferro gusa foi apresentado por Szargut (1988). A entalpia química no

balanço de energia foi calculada pelos princípios da enthalpy of devaluation. O

balanço de exergia para processos industriais é mostrado na figura 7.4.

4.1 Critérios e Dados Operacionais Aplicados

A característica do alto-forno apresentada pode ser detalhadamente visualizada no

anexo I. O forno tem volume útil de 139 m3 e uma produção nominal de 280 tgusa/dia.

Para realização deste estudo buscou-se identificar dois dias críticos na produção da

empresa em relação principalmente a qualidade das matérias primas, principalmente

do carvão vegetal enfornado. Este critério foi utilizado para enriquecimento do

trabalho procurando buscar identificar pontualmente o efeito do principal material

utilizado no comportamento termodinâmico do alto-forno.

Os principais dados operacionais utilizados para efeito de estudo são coletados dos

diversos relatórios de supervisão e operação gerados na produção de um alto-forno.

O enfornamento de carvão é controlado por balanças de pesagem calibradas

podendo ser recuperado do relatório boletim de cargas como exemplo mostrado no

anexo II. Toda a carga enfornada é pesada e o registro é feito pelo operador de

guincho. Procedimentos internos de amostragem determinam uma metodologia para

análise da umidade de carvão vegetal que está sendo enfornado. As tabelas XV, XVI

e XVII apresentam as composições químicas dos carvões utilizados.

74

Tabela XV – Análise química do carvão vegetal – imediata

Análise Química do Carvão Vegetal

Carbono Fixo Matérias voláteis

Cinzas Umidade

69,93 21,70 4% 5,40

Tabela XVI – Composição química das cinzas do carvão vegetal

Análise química das cinzas do carvão vegetal (4%)

S Fe Al2O3 SiO2 MgO CaO Fe2O3

0,0255 1,64 3,2 17,43 9,04 35 10

Tabela XVII – Análise elementar do carvão vegetal

Química Elementar do carvão vegetal

C H2 N2 O2 H2O

44 5,7 0,3 41 20

O consumo de minério de ferro e fundentes, bem como de outros insumos também

são controlados e pesados em toda a carga. Ao final de 24 horas têm-se os

resultados de um dia de consumo de todas as matérias primas enfornadas. A

qualidade das matérias primas é controlada pelo Laboratório de Controle de

Qualidade onde se procedem as análises químicas via úmida com equipamentos

calibrados. Ressaltam-se que a empresa tem implementado um secador de minério

de ferro objetivando melhor qualidade das matérias primas enfornadas. Este secador

determina uma temperatura média acima dos outros insumos de entrada. A tabela

XVIII apresenta a análise química do minério de ferro.

75

Tabela XVIII – Análise química do minério de ferro enfornado

Análises químicas do minério de ferro

Fe Mn P Al2O3 SiO2 CaO

67,66 0,05 0,01 0,77 2,26 0,040

A empresa adota enfornamento de pelotas dependendo da oferta deste produto no

mercado. Sua análise química é enviada pelo fornecedor correspondendo os valores

apresentados na tabela XIX.

Tabela XIX – Análise química das pelotas enfornadas

Análises químicas das pelotas

Fe Mn P Al2O3 SiO2 CaO

65,54 0,1 0,032 2,70 2,76 2,80

Todos os pesos de matérias primas são determinados através de balanços de

massa e cálculos de leito de fusão que variam com a qualidade das matérias primas,

composição do ferro gusa desejado e características da escória de alto-forno. A

tabela XX apresenta estes dados.

Tabela XX – Matérias primas e insumos enfornados

Input unidade Quantidade

Carvão vegetal (cinza) kg/tgusa 669,148

Minério de ferro kg/tgusa 1110,141

Pelotas kg/tgusa 277,535

Granito t/tgusa 18,396

Dolomita t/tgusa 59,786

Ar Nm3/tgusa 1.122,46

Sucatinha de ferro kg/tgusa 183,958

Energia Elétrica kWh/tgusa 0,064

Água Resfriam. m3/tgusa 15,000

76

Como já foi explanado em capítulos anteriores, os fundentes são utilizados para

conferir propriedades específicas a escória do alto-forno objetivando uma operação

mais estável possível. As análises químicas destes fundentes são apresentadas na

tabela XXI. A umidade média dos fundentes é considerada igual a 4%.

Tabela XXI – Composição química dos fundentes

Análise química do granito

SiO2 Al2O3

90 0,4

Análise química da dolomita

CaO MgO

37,45 13,50

A siderurgia enforna sucatas de ferro gusa selecionada e peneirada visando

mitigação das perdas. A tabela XXII a seguir apresenta composição química da

sucatinha gerada com composição aproximada do ferro gusa produzido pela própria

empresa.

Tabela XXII – Composição química da sucatinha

Sucatinha de ferro gusa

Fe Mn Si P S C

95,16 0,07 0,2 0,05 0,02 4,50

Já os produtos, subprodutos e resíduos são pesados em balança rodoviária. O ferro

gusa é lingotado em formas dispostas em lingoteiras, tamboreado para classificação

de tamanhos e limpeza do lingote e descarregados em caçambas que são

transportadas por caminhão bruck até o pátio de estocagem. No início de uma

corrida, isto é, abertura do canal de corrida que é realizada de duas em duas horas,

77

é realizado um procedimento de amostragem para análise da composição obtida na

produção. Esta análise também é realizada no “Laboratório de Controle de

Qualidade por via úmida que libera as caçambas para descarga da corrida na pilha

correta. A tabela XXIII abaixo apresenta os fluxos de saída do alto-forno analisado.

Tabela XXIII – Produtos e subprodutos do alto-forno

Output unidade quantidade

Ferro Gusa kg 1000

Escória kg/tgusa 100

Pó de balão kg/tgusa 50

Gás de alto-forno Nm3/tgusa 1780

Sucatas do lingotamento kg/tgusa 20,000

Sucatas do tamboreador kg/tgusa 30

A tabela XXIV a seguir apresenta a composição química dos fluxos de saída do alto-

forno.

Tabela XXIV - Composição química do ferro gusa

Teores dos elementos no ferro gusa

Si Mn P C S Fe

0,25 0,07 0,05 4,50 0,02 95,11

A escória de alto-forno exerce função importante para a operação do alto-forno e

qualidade do ferro gusa a ser produzido. A sua composição química é determinada

nos balanços de massa e leito de fusão em função das cargas que estão sendo

enfornadas correspondendo a valores apresentados na tabela XXV. A empresa visa

a operação com volume de escória em torno de 100kg/tgusa. Durante a corrida de

ferro gusa são realizados amostragens da escória e estas são analisadas

objetivando confirmar os cálculos de leito de fusão e garantir a estabilidade

operacional melhor possível.

78

Tabela XXV - Composição química da escória

Teores dos elementos da escória do alto-forno (%)

Al2O3 SiO2 MgO CaO MnO FeO

15,87 45 4,3 32,06 0,36 2,41

A geração de pó de alto-forno ocorre pelo arraste de material particulado que saí do

interior do reator juntamente com o gás do alto-forno para tubulações que destinam

estes para o sistema de limpeza de gás de alto-forno. Este sistema de limpeza

recolhe a maior fração de particulados a seco e a úmido gerando estes dois resíduos

siderúrgicos. As frações químicas do pó de balão são apresentadas na tabela XXVI.

Tabela XXVI – Composição química do pó de balão

Teor dos elementos constituintes do pó e lama do AF

Mn P C Fe Al2O3 SiO2 CaO

0,45 0,05 27,5 59,84 2,15 8,01 2

Como subprodutos do alto-forno são geradas sucatas que estão presentes junto a

escória, nos canais de corrida, no lingotamento do alto-forno e no tamboreamento do

alto-forno. Estas sucatas têm a mesma composição química do ferro gusa

apresentado acima e representam perdas de processo.

A composição química do gás de alto-forno é obtida após análise no aparelho Orsat

e tem características importantes na avaliação de aspectos operacionais no interior

de aproveitamento dos gases redutores durante o processo de produção do ferro

gusa. Os componentes do gás de alto-forno são apresentados na tabela XXVII.

79

Tabela XXVII– Componentes do gás do alto-forno

Composição do gás de alto-forno

CO H2 H2O CH4 N2 CO2

22,15 5,46 9,88 1,02 46,73 14,76

4.2 - Discussão dos Parâmetros Operacionais Coletados

Os parâmetros operacionais referente a insuflação de ar pelas ventaneiras do alto-

forno bem como temperatura são monitoradas por termopar localizado na região

acima da coroa e por manômetros. Estes equipamentos também são calibrados

segundo normas internas da empresa. Os registros de medição são coletados de

hora em hora e são registrados no relatório de supervisão do alto-forno.

O número de cargas enfornadas por hora é uma variável importante para efeitos de

analise da estabilidade operacional do forno. Quando ocorrências de normalidades

como falhas na distribuição das matérias primas no forno ou ainda, alta umidade do

carvão vegetal, marcha fria, qualidade das matérias primas, engaiolamentos, etc.

levam a uma instabilidade operacional e falhas de produtividade. A figura 24

apresenta o número de cargas hora/dia como resultado operacional dos dias

11/01/2009 e 28/08/2008.

80

Figura 24 - Marcha operacional do alto-forno dia 1 e 2

O peso do carvão vegetal enfornado esta intimamente ligada ao teor de umidade e

principalmente pela densidade do carvão vegetal. Como a empresa trabalha com um

mix de carvão vegetal a curva fica bem instável como pode ser verificada nas figuras

25 e 26.

Figura 25 - Marcha operacional do alto-forno dias 11/01/2009 e 28/08/2008

4

6

8

10

12

14

16

00:

000

1:00

02:

000

3:00

04:

000

5:00

06:

000

7:00

08:

000

9:00

10:

001

1:00

12:

001

3:00

14:

001

5:00

16:

001

7:00

18:

001

9:00

20:

002

1:00

22:

002

3:00

Nú

me

ro d

e c

arg

as

11.01.2009

28.08.2009

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

10.000

11.000

00:

000

1:00

02:

000

3:00

04:

000

5:00

06:

000

7:00

08:

000

9:00

10:

001

1:00

12:

001

3:00

14:

001

5:00

16:

001

7:00

18:

001

9:00

20:

002

1:00

22:

002

3:00

Pe

so e

nfo

rna

do

(k

g)

28.08.2009

11.01.1009

81

Figura 26 - Volume de carvão vegetal enfornado (m3)

4.3 - Balanços térmicos no alto-forno

Nas tabelas XXVIII e XXIX a seguir são apresentados os balanços de energia do

alto-forno para os dois dias de operação. Apesar de que é possível notar alguma

diferença nas variáveis operacionais entre estes dois dias, destacam-se as

diferenças entre a qualidade das matérias primas, principalmente as referentes ao

carvão vegetal enfornado.

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

HO

RA

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

0

Vlo

lum

e d

e c

arv

ão

en

forn

ad

o (

m3/h

)28.082.009

11.01.2009

82

Tabela XXVIII – Balanço térmico dia 1

DATA

: 11.

01.2

009

Calo

res p

ositi

vos

Valo

r(kc

al/t

gusa

)Ca

lore

s neg

ativ

osVa

lor (

kcal

/tgu

sa)

1)Ca

lor s

ensív

el d

o ar

úm

ido

(T=1

053K

):1)

Calo

r de

vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e da

car

ga(T

=373

K)

1.1)

Ar se

co27

4.05

9,73

1.1)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e do

car

vão

vege

tal

7226

7,99

1.2)

Umid

ade

do a

r (8g

/Nm

3)6.

796,

95

1.2)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e do

min

ério

de

ferr

o0,

00

1.3)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e do

ar i

nsuf

lado

4849

,01

1.4)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e da

dol

omita

0,00

2.1)

CO21

.373

,71

2)En

talp

ia d

o gu

sa(T

=130

0K)

2.2)

CO2

12.6

25,8

3

2.

1)ΔH

(Fe)

2055

49,7

9

2.3)

CH4

2.34

3,21

2.

2)ΔH

(Si)

726,

07

3)En

talp

ia d

a co

mbu

stão

do

carb

ono

do c

arvã

o ve

geta

l2.

287.

269,

61

2.3)

ΔH(M

n)83

,89

4)En

talp

ia d

a re

duçã

o da

hem

atita

44.3

94,8

4

2.

4)ΔH

(P)

181,

51

2.5)

ΔH(C

)23

349,

93

2.6)

ΔH(S

)43

,28

2.7)

ΔHDi

ssol

ução

(P)

-0,4

7

2.8)

ΔHDi

ssol

ução

(Si)

-2,7

5

2.9)

ΔHDi

ssol

ução

(C)

19,3

5

3)En

talp

ia d

a es

cória

(T=1

623K

)54

,16

4)En

talp

ia d

a re

ação

de

Boud

ouar

d(T=

298K

)1.

002.

748,

73

5. P

erda

s 1.

338.

993,

39

TOTA

L2.

648.

863,

88

TOTA

L2.

648.

863,

87

Efic

iênc

ia e

nerg

ética

0,49

Bala

nço

Ener

géti

co e

m u

m a

lto-

forn

o

2)Ca

lore

s de

form

ação

do

CO, C

O2

e CH

4 do

gás

de

alto

-forn

o(T=

460K

)

RESU

LTA

DO

S

83

Tabela XXIX - Tabela Balanço térmico dia 2

DATA

:28/

08/2

008

Calo

res p

ositi

vos

Valo

r(kca

l/tgu

sa)

Calo

res n

egat

ivos

Valo

r (kc

al/t

gusa

)1)

Calo

r sen

sível

do

ar ú

mid

o (T

=105

3K):

1)Ca

lor d

e va

poriz

ação

da

umid

ade

da ca

rga(

T=37

3K)

1.1)

Ar se

co22

8.75

9,06

1.1)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e do

carv

ão ve

geta

l62

869,

71

1.2)

Umid

ade

do a

r (8g

/Nm

3)5.

673,

44

1.2)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e do

min

ério

de

ferro

6044

,45

1.3)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e do

ar i

nsuf

lado

4047

,50

1.4)

Vapo

rizaç

ão d

a um

idad

e da

dol

omita

1045

,60

2.1)

CO21

.373

,71

2)En

talp

ia d

o gu

sa(T

=130

0K)

2.2)

CO2

12.6

25,8

3

2.

1)ΔH

(Fe)

2055

49,7

9

2.3)

CH4

2.34

3,21

2.

2)ΔH

(Si)

726,

07

3)En

talp

ia d

a co

mbu

stão

do

carb

ono

do ca

rvão

vege

tal

1.98

9.81

5,72

2.

3)ΔH

(Mn)

83,8

9

4)En

talp

ia d

a re

duçã

o da

hem

atita

34.6

88,2

3

2.

4)ΔH

(P)

181,

51

2.5)

ΔH(C

)23

349,

93

2.6)

ΔH(S

)43

,28

2.7)

ΔHDi

ssol

ução

(P)

-0,4

7

2.8)

ΔHDi

ssol

ução

(Si)

-2,7

5

2.9)

ΔHDi

ssol

ução

(C)

19,3

5

3)En

talp

ia d

a es

cória

(T=1

623K

)54

,16

4)En

talp

ia d

a re

ação

de

Boud

ouar

d(T=

298K

)87

2.34

3,68

5. P

erda

s 1.

118.

923,

50

TOTA

L2.

295.

279,

20

TOTA

L2.

295.

279,

20

Efici

ência

ene

rgét

ica0,

51

RESU

LTAD

OS

Bala

nço

Ener

gétic

o em

um

alto

-forn

o

2)Ca

lore

s de

form

ação

do

CO, C

O2 e

CH4

do

gás d

e al

to-fo

rno(

T=46

0K)

84

4.4 - Balanço Exergético

O desenvolvimento dos trabalhos foi realizado a partir dos dados coletados e

disponibilizados pela empresa. Assim, através das pesquisas bibliográficas foram

identificados todos os dados necessários para o cumprimento do objetivo final do

trabalho. Os principais dados coletados foram mostrados em tabelas anteriores e

complementados nos anexos. As propriedades termodinâmicas complementares

foram tomadas dos valores padrões apresentados por Carvalho et al (1977). Os

valores das constantes e das exergias padrão foram retirados de Zargut (1988).

A partir destes dados foram criadas planilhas contendo dados de entrada e de

saídas disponibilizando assim uma ferramenta de simulação para quaisquer tipos de

entrada de dados operacionais. Todos os cálculos realizados em planilha também

foram realizados de forma descritiva buscando melhor confiabilidade dos resultados

alcançados. As tabelas XXX e XXXI a seguir apresentam os resultados alcançados

de exergia dos fluxos de entrada e saída do alto-forno para os dois dias de produção

analisados respectivamente.

Tabela XXX – Balanços de exergia no dia 1

RESULTADOS DATA: 11.01.2009

Balanço de Exergia em um alto-forno ENTRADAS/ INPUTS Exergia em MJ/tgusa SAÍDAS/OUTPUT Exergia em MJ/tgusa

Carvão Vegetal 24.016,88 Gusa 8.380,45 Minério 72,88 Escória 1.283,85

Pelotas 29,94 Pó de alto-forno 294,43

Ar 278,47

Gás de alto-forno 10.731,21

Granito 0,52 Resíduo 12.309,50

Dolomita 2,76 Perda 3.711,51

85

Os dados de produço são equivalentes à produção de dois dias típicos de 24 horas

de operação do alto-forno. Preferiu-se assim, pois como pode ser observado nos

gráficos acima, as variações e instabilidades de processos são muitas.

Tabela XXXI – Balanços de exergia no dia 2

RESULTADOS DATA: 28.08.2008

Balanço de Exergia em um alto-forno ENTRADAS/ INPUTS Exergia em MJ/tgusa SAÍDAS/OUTPUT Exergia em MJ/tgusa

Carvão Vegetal 20893,54 Gusa 7074,04 Minério 60,78 Escória 1284,62

Pelotas 41,33 Pó de alto-forno 294,43 Ar 232,05 Gás de alto-forno 10731,21

Granito 0,46 Resíduos 12310,26 Dolomita 2,33 Perda 1846,18

Os gráficos das figuras 27 e 28 a seguir mostram as relações existentes

86

Figura 27 - Inputs de exergia no alto-forno

Figura 28 - Outputs de exergia (MJ/tgusa)

Pode-se observar que, como a empresa trabalha com um produto de composições

químicas invariantes, isto é, as variações de composição química do gusa no canal

de corrida são invariantes. A composição química final será conferida ao gusa

0,00 5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00

Carvão Vegetal

Minério

Pelotas

Ar

Granito

Dolomita

ENTRADAS/ INPUTS

Carvão Vegetal

Minério

Pelotas

Ar

Granito

Dolomita

0,00 1000,00 2000,00 3000,00 4000,00 5000,00 6000,00 7000,00 8000,00 9000,00

Gusa

Escória

Pó de alto-forno

Gás de alto-forno

Gusa

Escória

Pó de alto-forno

Gás de alto-forno

EX

ER

GIA

OU

TIP

UT

(M

J/T

GU

SA

)

Dia 28.08.08

Dia 11.01.09

Dia 28.08.08

Dia 11.01.09

87

produzido pela metalurgia da panela feita imediatamente após a tamponagem do

alto-forno.

As irreversibilidades em ambos os dias de produção aqui analisados estão

diretamente relacionadas com as perdas térmicas devido às variáveis operacionais

do alto-forno bem como devido à geração de entropia das diversas reações químicas

que ocorrem no interior do reator.

Pode-se observar que exergia total do dia 11 supera o dia 28. A entrada de exergia

relativa ao carvão vegetal foi extremamente impactante sendo que as entradas de

exergia dos insumos variaram muito pouco entre os dois dias analisados.

4.5 - Eficiências Exergética

A eficiência exergética, Є, no alto-forno, assim como para qualquer equipamento,

pode ser entendida como o grau de imperfeição termodinâmica pelo modelo de

Szargut (1988) O maior valor da eficiência de segunda lei calculada expressa melhor

aproveitamento dos aportes de energia no alto-forno.

Tem-se, portanto que:

ЄF@ �∑ GH&IJ�# �# K#íL#M

∑ &H&IJ�# �# &�!I#L#N (33)

A partir destes cálculos pode-se mensurar a irreversibilidade interna do alto-forno ou

avaliar a perda total do sistema mais conhecido com a eficiência exergética.

88

As conclusões dos cálculos se consolidam, pois podem-se observar no dia 2 as

necessidades de inputs de energia e exergia. Conseqüentemente a perda de exergia

foi também maior que no dia 1 quando os indicadores de consumo específico de

carvão vegetal e produtividade do alto-forno estiveram comprometidos.

4.5 - Avaliações das Emissões de Gases de Efeito Estufa no Alto-Forno

A avaliação das emissões de gases de efeito estufa é dado pela emissão do gás

carbônico equivalente. Para efeito dos cálculos de emissões considerou-se a

metodologia proposta pela UNFCCC para quantificação de emissões reduzidas para

créditos de carbono para uso de agentes redutores de biomassa de plantios

renováveis em substituição a carvão mineral de origem fóssil. Como esta

metodologia prevê outras emissões a montante da planta industrial do alto-forno

para melhor apresentar um cenário de emissões reduzidas na troca do agente

redutor coque por carvão vegetal renovável, o que não é objetivo deste estudo,

utilizou-se somente a parcela de emissões no processo de redução de minério de

ferro. A ferramenta do GHG Brasil permite efetuar estes cálculos com aplicação

direta de dados de consumo de agente redutor.

4.6 - Exergia e Emissões de Gases de Efeito Estufa.

Como já mencionado anteriormente a aplicação do conceito de exergia está

relacionado a questões de irreversibilidades e que, estando presentes, aumentam a

89

questão da concentração de gases de efeito estufa na atmosfera quando o agente

redutor utilizado no processo de redução de minério de ferro em altos-fornos é de

origem não renovável.

Para se conhecer precisamente as emissões de processos deve-se proceder um

trabalho criterioso o que, na maioria dos casos, fica impossível ter uma situação real

por não ter um quadro exato da situação exata, muitas das vezes aplicados a

siderurgia não integrada a carvão vegetal (COSTA, 2002). No entanto, muitos dados

e características de empreendimentos deste porte são conhecidos e um nível de

incerteza para um estudo como este pode estar inerente.

Normalmente, segundo Cang at al (2002), as estratégias de mitigação de emissões

de gases de efeito estufa na siderurgia podem estar relacionadas as seguintes

ações:

1. Reduzir a quantidade de gás CO2 produzido.

2. Remover e utilizar o CO2 dos processos.

3. Fixar o CO2 gerado em algum local do meio ambiente.

De fato, na siderurgia, o consumo do agente redutor está diretamente ligado ao

consumo do insumo no alto-forno. E, portanto, para cada tonelada de ferro gusa

produzido, quanto menor o consumo do carvão vegetal, menor o volume de gás

carbônico gerado do sistema. Ferreira (2005) ressalta que para o eucalipto

continuar a exercer sumidouro importante de CO2 fatores políticos, econômico e

sociais deverão ser considerados e discutidos para viabilizar fontes de financiamento

já que o coque metalúrgico apresenta melhores atrativos econômicos em detrimento

ao carvão vegetal.

90

Para o cálculo das emissões realizados nos dois dias de produção foi considerado o

modelo de cálculo proposto pela Union National Framework Climate Change C –

UNFCCC segundo a metodologia aprovada sob o código AM0082.

91

5 - ANÁLISE DOS RESULTADOS

5.1 Influências dos Parâmetros Operacionais

As variações dos parâmetros de processo do alto-forno podem levar a perdas de

produtividade e conseqüente aumento do consumo de carvão vegetal (SOUSA,

2009). Contudo, as características do agente redutor são consideradas

fundamentais para determinação da quantidade de emissão de gases originados na

produção de ferro gusa. Torna-se possível identificar relações diretas para

identificação e quantificação de emissões de CO2 as quais seriam importantes para

determinação de metas de redução e preservação.

Por outro lado, as perdas térmicas no reator expressam um maior consumo de

agente redutor e, por conseguinte o aumento das emissões. Para os cálculos

efetuados nesta dissertação, não são considerados a recuperação do gás de alto-

forno para aquecimento do ar insuflado nos glendons. Também não foram

consideradas perdas de calor pelas paredes refratárias do alto-forno. A queima de

gás de alto-forno nos glendons aumenta significativamente à eficiência energética do

sistema.

A importância de melhorias das eficiências energéticas em processos industriais por

sua vez está diretamente relacionada a redução de emissões de gases de efeito

estufa. O progresso tecnológico vem apresentando ao mercado produtos cada vez

mais automatizados e de baixo consumo de energia elétrica. Por outro lado,

necessidades de práticas sustentáveis e intervenção nas mudanças no clima vêm

92

sendo fato motivador para evolução nas linhas de produção industriais bem como

nas características dos produtos (POOLE; HOLLANDA E TOLMASQUIM; 1998)..

Diversos fatores operacionais e aqueles relacionados a qualidade das matérias

primas podem ser avaliados de forma a reduzir as perdas térmicas. Braga (1979)

destaca que o teor de carbono fixo afeta diretamente o consumo específico de

redutor e, portanto a produção. Embora quantificado as perdas térmicas durante um

dia de vinte quatro horas de operação, deve-se buscar uma confirmação da

existência das perdas térmicas e simular um cenário o qual possa ser comparável a

outras análises práticas e teóricas utilizando as diversas variáveis de controle de

processos de redução de minério de ferro em altos-fornos.

Akiyama (1993) propôs um sistema para reduzir as perdas de exergia no processo

de produção de ferro gusa em alto-forno pela injeção de gás natural utilizando um

modelamento matemático com base em balanços térmicos e balanços de massa.

Em conjunto, um sistema de modificação química do gás de alto-forno também foi

proposto pelo autor o qual obteve um grau de redução da emissão de gases de

efeito estufa para a atmosfera.

Para conhecimento dos efeitos de algumas variáveis operacionais nas perdas de

exergia no sistema de produção de gusa foram analisados parâmetros para dois dias

de produção do alto-forno estudado. As figuras a seguir apresentam uma série de

curvas de variação de parâmetros operacionais em função da perda de exergia no

alto-forno analisado. Pode-se observar na figura 29 que, quanto maior a temperatura

do gusa na bica menor a perda exergética.

93

Figura 29 – Gráfico temperatura do gusa em graus Kelvin versus perda exergética

A temperatura do gusa é uma variável que está diretamente afetada pelo teor de

silício visado no ferro gusa. Quanto maior o teor de silício do gusa na bica, maior a

temperatura do gusa.

A figura 30 a seguir apresenta a relação do consumo específico do carvão vegetal

no alto-forno e os impactos sobre as perdas de exergia. Pode-se observar que

quanto menor o consumo específico menor as perdas de exergia. O consumo

específico de carvão é uma variável de controle operacional também inter-

relacionada com a temperatura de trabalho do gusa/forno. Observa-se que para o

consumo de 582,13 kg de carvão/tgusa, a perda de exergia se aproximou de

1.730MJ/tgusa. Para este dia de operação do forno, as condições de estabilidade

operacional bem como de produtividade foram consideradas dentro da meta de

produção da empresa.

O consumo de carvão no alto-forno é proporcional ao consumo de carbono por

tonelada de gusa produzida, que depende do aproveitamento térmico e redutor dos

gases gerados durante as reações os quais operam em fluxo ascendente, bem como

dos fenômenos fluidodinâmico devido características da carga enfornada e do tempo

4650

4700

4750

4800

4850

4900

1573 1623 1673 1723 1773

Pe

rda

de

ex

erg

ia (

MJ/

tgu

sa)

Temperatura do gusa

94

de residência desta. Outra variável importante, em relação à carga e suas

características, está relacionada com a distribuição do fluxo gasoso.

Figura 30 – Consumo específico de carvão vegetal versus perda de exergia

A figura 31 apresenta a variação das perdas de exergia com a temperatura do ar

insuflado pelas ventaneiras do alto-forno. As condições de temperatura do ar

insuflado estão diretamente relacionada com as condições operacionais e de

conservação dos glendons e regulagem de tiragem do ar. Pode-se observar que

pelas condições operacionais a partir dos dados coletados que quanto maior a

temperatura do ar insuflado maiores serão as perdas de exergia no sistema. A

temperatura do ar insuflado representa a temperatura do ar na coroa do alto-forno e

os valores registrados nos dias analisados estão nas faixas normais de trabalho.

Temperaturas maiores que 850º C só é possível com a utilização de regeneradores

tipo cowpers.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Consumo Específico (kg/tgusa)

Perda (MJ/tgusa)

95

Figura 31 – Temperatura do ar insuflado nas ventaneiras (K) versus perda de exergia

A figura 32 fornece a avaliação da perda de exergia quando o alto-forno não é

equipado com um aquecedor de minério de ferro. Quanto maior a temperatura do

minério maiores as perdas de exergia na produção de gusa. Porém, seria importante

avaliar a contribuição da umidade do minério e as condições de permeabilidade do

forno quando a indústria não disponibiliza o secador de minério.

Figura 32 - Comparação das perdas exergéticas

4760,00

4780,00

4800,00

4820,00

4840,00

4860,00

4880,00

4900,00

650 700 750 780 800 850

Pe

rda

de

exe

rgia

(M

J/tg

usa

)

Temperatura do Ar (K)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

1 Perdas

Perdas

96

A figura 33 apresenta o gráfico comparativo entre as perdas de exergia nos dias

analisados. O dia 1 está representado gráfico pela cor escura e o dia 2 pela cor

mais clara.

Os cálculos de emissões de gases de efeito estufa normalmente se processam por

diferentes fórmulas apresentadas por diversas instituições onde o assunto de

interesse seja mudanças do clima.

De uma maneira geral para cálculo das emissões de gases de efeito estufa está

diretamente relacionada aos fatores de emissão podendo ser aplicado a seguinte

fórmula:

EP � AD S EFY (34)

Onde:

Ey – emissões totais do GEE

AD – parâmetro que define o grau de atividade da instalação e a que se refere ao

fator de emissão correspondente

EFy = Fator de emissão do GEE avaliado

O fator de emissão dos gases de efeito estufa é um valor determinado por uma

instituição designada e competente para cada atividade por unidade específica do

produto a que se refere. Seja por exemplo para aplicação em cálculos de emissões

originadas de processos de combustão, o fator de emissão será específico para

cada tipo de combustível utilizado. Sendo assim pode sempre ser expresso por

unidade de massa do combustível ou ainda pelo conteúdo de carbono do

combustível por unidade de massa.

97

Uma metodologia proposta para quantificação das emissões no sistema de redução

de minério de ferro para produção uma tonelada de ferro gusa é disponibilizada

como etapa para determinação das emissões reduzidas de gases de efeito estufa

para um novo sistema de reduções em substituição ao uso de coque.

Para os cálculos de emissões reduzidas e em alguns casos de inventários de

emissão de gases de efeito estufa é adotado como prática a realização dos cálculos

com referencia anual. Para certos inventários principalmente os que representam a

quantidade de emissões em determinados eventos, podem ser realizados em

períodos menores de tempo. Ressalta-se que as emissões no estudo apresentado

foram calculadas com dados diários de produção selecionados por um critério

definido de escolha. Isto é, os dois dias aqui analisados representam dois cenários

diferentes onde os resultados de produção alcançados foram diferentes para

condições similares de operação. A fórmula utilizada para o cálculo das emissões

reduzidas em projetos de MDL para o uso de agente redutor na produção de gusa

pode ser vista abaixo.

IREPJ,P � ZPPJ,P S EF��,PJ,P\ � 9PPJ,P S CcHM,PJ,P S aa

+.; (35)

Onde:

IREPJ,P= Emissões de processo no sistema de redução de minério de ferro na

indústria no ano y (tCO2e)

PPJ,P= Produção de ferro gusa líquido no ano y (expectativa de produção do novo

sistema de redução de minério de ferro)

EF��,PJ,P=Fator de emissão da produção de uma tonelada de ferro gusa líquido no

sistema de redução de minério de ferro (tgusa líquido)

98

CcHM,PJ,P= Teor de carbono por tonelada de ferro gusa líquido no ano y(tC/tgusa

líquido)

aa

+.=Fator de conversão do carbono para CO2e

O fator de emissão utilizado pelo uso do carvão vegetal como combustível é

referenciada pelo IPCC como sendo 3, 01621 tCO2/t.

A tabela XXXII a seguir apresenta os cálculos de emissões para os dois dias

avaliados em função da produção.

Tabela XXXII – Emissões de gases de efeito estufa

Consumo (kg C/tgusa)

Emissão (tCO2/tgusa)

Produção (tgusa)

Dia

11 468,40 1.412,793 256, 580

Dia

28 407,49 1.229,075 307,390

A figura 33 apresenta uma correlação dos resultados obtidos de emissão de gases

de efeito estufa e a perda de exergia no alto-forno em relação ao consumo de

agente redutor.

Figura 33 – Correlação entre perda de exergia e as emissões de GEE

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Consumo Específico (kg/tgusa)

Perda (MJ/tgusa)

Emissão (TCO2)

99

5.2 - CONSIDERAÇÕES FINAIS

O menor consumo de carbono no alto-forno quando operado com o redutor

bioenergético de origem florestal dedicado é resultado de um modelo sustentável e

de emissões de gases de efeito estufa em uma prática mais perfeita de produção de

ferro gusa. A operação com carvão vegetal ofertado bloqueia a tomada de ações de

redução de emissão e compromete as análises de otimização de processo pela

instabilidade das qualidades.

A análise de exergia em altos-fornos é ferramenta importante para tomadas de

decisões em curto prazo e de menor custo para estudos de reduções de emissões

de gases de efeito estufa. Um estudo bem completo incluindo a termo-economia

seria capaz de ser indicador decisório nas tomadas de ações de redução, que

implicam em investimentos em tecnologias de custos maiores, podendo ser também

importante para análise de adicionalidade para projetos de créditos de carbono.

As usinas não integradas operam com carvão vegetal e se destinam a produção de

ferro gusa para aciarias e fundições para exportação e mercado interno brasileiro.

Esta alternativa é considerada vantajosa do ponto de vista ambiental pela sua

capacidade de utilização do carvão vegetal de madeira, combustível totalmente

renovável. Este cenário pode ser realidade nos países em desenvolvimento dotados

de grandes áreas como uma oportunidade de redução de emissões globais de

gases de efeito estufa. Todo CO2 equivalente emitido durante o processo de

fabricação de ferro gusa, se diferencia do processo via coque pela sua capacidade

produtiva e pelo combustível utilizado, apresentando balanço positivo de emissões

de gases do efeito estufa. O carvão vegetal, neste caso, pode ser considerado como

100

fonte neutra, ou seja, todo o carbono emitido no processo é absorvido pelas árvores

em crescimento, que seqüestram o CO2 da atmosfera e anexam o carbono em sua

estrutura, e posteriormente são destinadas à produção desta commodity.

De fato, desde o surgimento dos primeiros fornos a carvão vegetal, evidenciam-se a

sua decrescente contribuição no mercado mundial em detrimento ao aumento da

demanda do aço e um pequeno aumento de áreas de plantio florestal. No Brasil, a

falta de investimentos no passado para o plantio de florestas energéticas, fragilizou-

se principalmente na região sudeste o espaço do setor com o surgimento da

exploração de terras para plantio de madeira para outros seguimentos da indústria o

que impactou negativamente a cadeia sustentável. Isto talvez pela carência de

políticas ambientais mais agressivas e uma restrição de visão quanto às questões

futuras relacionadas ao cenário de mudanças do clima o qual é vivenciado na

atualidade.

A operação dos altos-fornos a carvão vegetal tem por principal característica desde

seu surgimento, a utilização técnicas de controle baseadas no empirismo dos

operadores. Tais técnicas são possíveis mediante conhecimento prático baseado na

experiência dos profissionais na observação dos processos bem como do

enfornamento de matérias primas e aspectos do ferro gusa e escória durante a

corrida. Entretanto, neste estudo pode-se observar que alguns dados operacionais

importantes para uma análise exergética não são confiáveis não sendo possível uma

avaliação precisa, pois, alguns parâmetros de controle não são regulamente

medidos e monitorados tais como: Análise do gás de alto-forno, pressão de sopro,

volume de ar, temperatura de sopro, temperatura do gusa, composição do ferro gusa

no canal de corrida, análise de escória, análise do pó de balão, etc.

101

Os resultados apresentaram maior demanda de exergia para o dia de menor

produção e conseqüentemente este dia ficou agravado devido à maior emissão de

gases de efeito estufa pelo maior consumo de carvão. A análise permite avaliar as

oportunidades de melhorias no processo e estabelecer um modelo adequado de

inputs de exergia versus emissões de gases de efeito estufa.

Foi realizada uma análise termodinâmica do processo de fabricação de ferro gusa

em um alto-forno a carvão vegetal em duas diferentes condições de operação

caracterizada através da coleta de dados de dois dias de produção da empresa.

Como de esperado, o critério adotado permite analisar a variação das perdas de

exergia nos dois dias de produção em função das flutuações operacionais dos

principais parâmetros de produção sendo possível identificar oportunidades de

redução de emissão de gases de efeito estufa principalmente pela variação no

consumo de agentes redutores pelo emprego dos conceitos de 2ª Lei da

termodinâmica. As maiores fontes de irreversibilidades do sistema e as

oportunidades de otimização energética podem ser identificadas.

As referências bibliográficas sobre exergia são ricas em diversos campos da ciência,

porém escassos quando aplicados no setor siderúrgico embora podem-se contar

com uma metodologia bem completa descrita por Szargut. As poucas referências

que estudam o processo de redução de minério de ferro não disponibilizam

claramente a metodogia utilizada nem as principais premissas técnicas operacionais.

Contudo, ela nos permite identificação das principais variáveis termodinâmicas do

sistema para uma realização eficaz do levantamento de dados de produção e

parâmetros de operação em campo para realização dos cálculos pertinentes.

Como critério de aplicação as etapas de execução dos balanços de massa foram

realizados objetivando maior confiabilidade dos cálculos subseqüentes e

102

transparência termodinâmica. A partir deles pode-se comprovar que alguns fluxos de

saída do alto-forno não passam pelos sistemas internos de medição e

monitoramento, mas, são contabilizados como ajustes inerentes ao sistema de

produção.

Uma análise importante é da influência dos parâmetros de projeto e construtivos da

instalação do alto-forno na eficiência exergética, uma vez que boas partes das

irreversibilidades do sistema também podem estar relacionadas a fenômenos de

transferência de calor nas paredes refratárias das diferentes superfícies do reator. O

tamanho destas superfícies refratárias está intimamente relacionado à eficácia com

que se transfere o calor e à demanda de potência para movimentação dos fluidos

dentro do sistema o que determina os custos de investimentos e de operação das

instalações. Por isso é recomendável incluir no modelo os fenômenos de transporte,

deixando o modelo mais fidedigno com a operação real da instalação.

103

6. CONCLUSÕES

As variáveis operacionais na redução de minério de ferro em altos-fornos são

conhecidas. Contudo é importante relacioná-las às emissões de gases de efeito

estufa buscando quantificá-las objetivando promover uma operação mas eficaz em

relação ao consumo de carbono e emissões.

Com o presente trabalho foi possível concluir que:

- Aumentos da eficiência exergética da ordem de 5% podem reduzir o consumo de

carbono em 30% nos altos-fornos;

- Um aumento de 5% no consumo de carvão, nas condições apresentadas, aumenta

a perda de exergia em aproximadamente 1000MJ (85%), reduzindo a eficiência

exergética e provocando uma elevação de emissões de CO2.

- O aumento do teor de silício do gusa constatado entre os dois dias de operação do

alto-forno está relacionado ao aumento do consumo específico de carvão vegetal.

As perdas de exergia no dia 11 bem como as emissões de GEE foram maiores.

- Quanto maior as irreversibilidades de um sistema constituído pelo alto-forno maior

a emissão de gases de efeito estufa.

104

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108

Anexo 1 – Dados operacionais

110

Anexo 2

Controle de carvão vegetal enfornado dia 1 – 11/01/09

HORA CARGA Kg/h kg acum conf m3/h m3/acum conf m3 kg/m3

00:00 13 9.360 x 9.360 29,17 x 29,17 2,244 320,85

01:00 9 6.480 15.840 15.840 32,05 61,22 61,22 3,562 202,13

02:00 8 5.760 21.600 21.600 18,83 80,05 80,05 2,354 305,86

03:00 10 7.200 28.800 28.800 29,98 110,03 110,03 2,998 240,16

04:00 8 5.920 34.720 34.720 17,44 127,47 127,47 2,180 339,44

05:00 9 6.525 41.245 41.245 21,60 149,07 149,07 2,401 302,08

06:00 8 5.800 47.045 47.045 24,26 173,33 173,33 3,032 239,07

07:00 9 6.840 53.885 53.885 26,79 200,12 200,12 2,977 255,31

08:00 10 7.500 61.385 61.385 31,68 231,80 231,80 3,168 236,74

09:00 8 6.000 67.385 67.385 22,59 254,39 254,39 2,824 265,60

10:00 9 6.570 73.955 73.955 28,66 283,05 283,05 3,185 229,23

11:00 12 8.760 82.715 82.715 38,07 321,12 321,12 3,172 230,10

12:00 12 8.760 91.475 91.475 37,96 359,08 359,08 3,164 230,76

13:00 9 6.525 98.000 98.000 29,92 389,00 389,00 3,325 218,08

14:00 10 7.450 105.450 105.450 33,29 422,29 422,29 3,329 223,79

15:00 9 6.480 111.930 111.930 30,34 452,63 452,63 3,371 213,57

16:00 11 7.920 119.850 119.850 35,22 487,85 487,85 3,202 224,88

17:00 7 5.040 124.890 124.890 22,94 510,79 510,79 3,278 219,64

18:00 11 7.920 132.810 132.810 36,39 547,18 547,18 33,080 217,65

19:00 10 7.200 140.010 140.010 28,80 575,98 575,98 28,800 250,00

20:00 11 7.920 147.930 147.930 35,36 611,34 611,34 32,140 224,08

21:00 13 9.360 157.290 157.290 41,40 652,74 652,74 31,850 226,05

22:00 10 7.200 164.490 164.490 28,84 681,58 681,58 28,840 249,65

23:00 10 7.200 171.690 171.690 29,60 711,18 711,18 29,600 243,24

111

Anexo 3

Controle de carvão vegetal enfornado dia 2 – 28/08/09

HORA CARGA Kg/h kg acum conf m3/h m3/acum conf m3 kg/m3

00:00 11 7.920 x 7.920 32,50 x 32,50 2,954 243,69

01:00 11 7.920 15.840 15.840 29,00 61,50 61,50 2,636 273,10

02:00 10 7.200 23.040 23.040 27,13 88,63 88,63 2,713 265,38

03:00 11 7.920 30.960 30.960 30,26 118,89 118,89 2,751 261,73

04:00 11 7.920 38.880 38.880 32,54 151,43 151,43 2,958 243,39

05:00 10 7.200 46.080 46.080 28,86 180,29 180,29 2,886 249,48

06:00 14 10.080 56.160 56.160 30,73 211,02 211,02 2,195 328,01

07:00 12 8.640 64.800 64.800 29,08 240,10 240,10 2,424 297,11

08:00 10 7.200 72.000 72.000 26,02 266,12 266,12 2,602 276,71

09:00 11 7.920 79.920 79.920 30,34 296,46 296,46 2,759 261,04

10:00 9 6.570 86.490 86.490 24,71 321,17 321,17 2,746 265,88

11:00 9 6.570 93.060 93.060 23,07 344,24 344,24 2,564 284,78

12:00 10 7.300 100.360 100.360 26,11 370,35 370,35 2,611 279,58

13:00 10 7.300 107.660 107.660 27,21 397,56 397,56 2,721 268,23

14:00 11 7.920 115.580 115.580 30,68 428,24 428,24 2,789 258,12

15:00 9 6.480 122.060 122.060 25,44 453,68 453,68 2,827 254,64

16:00 9 6.480 128.540 128.540 22,35 476,03 476,03 2,484 289,83

17:00 10 7.200 135.740 135.740 21,23 497,26 497,26 2,123 339,01

18:00 12 8.640 144.380 144.380 30,72 527,98 527,98 2,560 281,20

19:00 10 7.200 151.580 151.580 25,39 553,37 553,37 2,539 283,54

20:00 10 7.200 158.780 158.780 27,46 580,83 580,83 2,746 262,10

21:00 10 7.200 165.980 165.980 30,81 611,64 611,64 3,081 233,69

22:00 8 5.760 171.740 171.740 21,12 632,76 632,76 2,640 272,72

23:00 10 7.200 178.940 178.940 25,94 658,70 658,70 2,594 277,56

112

Anexo 4

Dados operacionais: controle de corridas do alto-forno dia 1

DATA: 11.01.2009

Controle de Corridas do Alto-forno

Hora Peso Acumulado

01:20 24.630 24.630

03:15 11.340 35.970

05:20 15.770 51.740

07:30 29.570 81.310

09:30 22.690 104.000

11:30 14.250 118.250

13:20 17.620 135.870

15:15 25.000 160.870

17:30 29.080 189.950

19:15 24.580 214.530

21:15 20.670 235.200

23:30 21.380 256.580

113

Anexo 5

Dados operacionais: controle de corridas do alto-forno dia 02

DATA: 28.8.2009

Controle de Corridas do Alto-forno

Hora Peso Acumulado

01:25 19.000 19.000

03:20 26.710 45.710

05:20 33.750 79.460

07:30 27.200 106.660

09:30 27.280 133.940

11:30 29.180 163.120

13:30 22.170 185.290

15:20 16.490 201.780

17:20 23.910 225.690

19:20 27.090 252.780

21:20 24.630 277.410

23:30 29.980 307.390

114

Anexo 6

Demonstração dos balanços de massa dia 1

Ferro que entra = ferro que sai kg/tgusa % mol/tgusa

Entr

adas

de

ferr

o

Ferro que entra minério de ferro 605,8783 59,45438 10848,312 Ferro que entra pelotas 251,1453 24,6447 4496,783

Ferro que entra sucatas 161,2262 15,82101 2886,772 Ferro que entra nas CZ do Carvão 0,814322 0,079909 14,581

0 0,000 Totais 1019,064 100 18246,448

Saíd

as d

e fe

rro

Ferro que sai no gusa 951,1 93,3307 17029,543

Ferro que sai no pó de balão 17,952 1,761616 321,432 Ferro que sai na forma de FeO Escória 1,874444 0,183938 33,562

Ferro que sai na sucata do lingotamento 19,032 1,867595 340,770

Ferro que sai na sucata do tamboreador 28,548 2,801393 511,155

Perdas 0,558 0,054756 9,991 1019,064 100 18246,454

BALANÇO DO MANGANÊS 11.01.2009

Manganês que entra = manganês que sai

kg/tgusa % mol/tgusa

Entr

adas

de

man

gan

ês Manganês que entra minério 0,5551 44,80796 10,1032

Manganês que entra nas pelotas 0,2775 22,40398 5,0516 Manganês que entra sucatinha 0,1288 10,39499 2,3438

Perdas 0,2774 22,39306 5,0491 Totais 1,2388 100 22,55

Saíd

as d

e m

anga

nês

Manganês que sai gusa 0,7000 56,50818 12,7412

Manganês que sai como MnO na escória 0,2788 22,50307 5,0739 Manganês que sai no pó de balão 0,1350 10,89801 2,4572

Manganês que sai sucata do lingotamento 0,0140 1,130164 0,2548 Manganês que sai na sucata do tamboreador 0,0210 1,695245 0,3822

Perdas 0,0900 7,265337 1,6382 Totais 1,2388 100 22,55

115

BALANÇO DO FÓSFORO 11.01.2009

Fóforo que entra = fósforo que sai kg/tgusa %

Entr

adas

de

fósf

oro

Fósforo que entra minério de ferro 0,1110 19,63489 Fósforo que entra na sucatinha 0,0736 13,01456

Fósforo que entra na cinza do carvão 0,2920 51,64263 Fósforo que entra nas pelotas 0,0888 15,70791

Perdas 0,0000 0 Totais 0,5654 100

Entr

adas

de

fósf

oro

Fósforo que sai gusa 0,5000 90,02521

Fósforo que sai no pó de balão 0,015 2,700756 Fósforo que sai na sucata do lingotamento 0,0100 1,800504

Fósforo que sai na sucata do tamboreador 0,0150 2,700756 Perdas 0,0154 2,772776

Totais 0,5554 100

BALANÇO DO CARBONO 11.01.2009

Carbono entra = carbono sai

kg/tgusa % kmol/tgusa

Entr

adas

de

ca

rbo

no

Entrada de carbono do carvão 467,9352 98,26168 38962,133

Entrada de carbono na sucatinha 8,2781 1,738322 689,269 Perdas 0

Totais 476,2133 100 39651,402

Saíd

as d

e ca

rbo

no

Carbono que sai no gusa 45,0000 9,449547 3746,878 Carbono que sai no pó de balão 8,2500 1,732417 686,928

Carbono que sai na sucata do lingotamento 0,9000 0,188991 74,938 Carbono que sai na sucata do tamboreador 1,3500 0,283486 112,406

Carbono que sai no gás de AF sob CO 223,8890 47,01444 18641,885 Carbono que sai no gás de AF sob CO2 94,9403 19,93652 7905,108

Carbono que sai no gás de AF sob CH4 18,0425 3,788749 1502,292 Perdas 83,8414 17,60585 6980,966

Totais 476,2133 100 39651,399

116

BALANÇO DO ENXOFRE 11.01.2009

Enxofre que entra = enxofre que sai kg/tgusa % mol/tgusa

Entr

adas

de

Enxo

fre

Enxofre que entra na cinza do carvão vegetal 0,1706 81,20693 5,3206 Enxofre que entra na sucatinha 0,0368 17,50975 1,1472

Perdas 0,0027 1,283317 0,0841 Totais 0,2101 100 6,5519

Saíd

as d

e En

xofr

e

Enxofre que sai no gusa 0,2000 95,1837 6,2364

Enxofre que sai na sucata do lingotamento 0,0040 1,903674 0,1247 Enxofre que sai na sucata do tamboreador 0,0060 2,855511 0,1871

Perdas 0,0001 0,05711 0,0037 Totais 0,2101 100 6,5519

BALANÇO DO SILÍCIO 11.01.2009

Siício que entra = silício que sai kg/tgusa % mol/tgusa

Silício que entra como SiO2 na CZ do carvão vegetal 2,1813 8,519914 77,653 Silício que entra como SiO2 no minério 11,7306 45,81864 417,606

Silício que entra como SiO2 nas pelotas 3,5815 13,98888 127,499 Silício que entra como SiO2 no granito 7,7409 30,23551 275,576

Silício que entra na sucatinha 0,3679 1,437054 13,098 Perdas 0,0000 0 0,000

Totais 25,6021 100 911,432

Silício que sai no gusa 2,5000 9,764837 89,000 Silício que sai na escória 21,0399 82,18061 749,019

Silício que sai na forma de SiO2 pó do balão 1,1235 4,388444 39,998 Silício que sai na sucata do lingotamento 0,0400 0,156237 1,424

Silicio que sai na sucata do tamboreador 0,0600 0,234356 2,136 Perdas 0,8386 3,275517 29,854

Totais 25,6021 100 911,430

117

BALANÇO DO ALUMÍNIO 11.01.2009

Alumínio que entra = alumínio que sai kg/tgusa %

Alumínio que entra carvão vegetal 0,4534 5,046713 Alumínio que entra no minério 4,5255 50,36691

Alumínio que entra nas pelotas 3,9671 44,15281 Alumínio que entra no granito 0,0390 0,433566

Totais 8,9850 100

Alumínio que sai escória 8,4018 93,50946 Alumínio que sai no pó do balão 0,3415 3,800479

Perdas 0,2417 2,690058 Totais 8,9849 100

BALANÇO DO CALCIO 11.01.2009

Cálcio que entra = Cálcio que sai

Entr

adas

de

Cál

cio


Cálcio que entra como CaO no minério de ferro 0,3174 1,110887 7,915 Cálcio que entra como CaO nas pelotas 5,5547 19,44053 138,520

Cálcio que entra como CaO na dolomita 16,0043 56,01266 399,109

Cálcio que entra nas cinzas do carvão vegetal 6,6963 23,43592 166,989

Totais 28,5726 100 712,534

Saíd

a d

e C

álci

o Cálcio que sai como CaO na escória 21,8727 76,5514 545,455

Cálcio que sai como CaO no pó de balão 0,4289 1,501008 10,695

Perdas 6,2710 21,9476 156,384 Totais 28,5726 100 712,534

118

Demonstração do balanço de massa do ferro dia 1

Ferro que entra = ferro que sai kg/tgusa % mol/tgusa

Entr

adas

de

ferr

o

Ferro que entra minério de ferro 751,1215 71,09578 13448,907 Ferro que entra pelotas 181,8966 17,21703 3256,878

Ferro que entra sucatas 122,5382 11,59859 2194,060 Ferro que entra nas CZ do Carvão 0,936053 0,0886 16,760

Perdas 0 0,000 Totais 1056,492 100 18916,605

Saíd

as d

e fe

rro

Ferro que sai no gusa 951,1 90,02431 17029,543

Ferro que sai no pó de balão 17,952 1,699208 321,432 Ferro que sai na forma de FeO Escória 1,874444 0,177421 33,562

Ferro que sai na sucata do lingotamento 19,032 1,801433 340,770

Ferro que sai na sucata do tamboreador 28,548 2,702149 511,155

Perdas 37,986 3,595482 680,143 1056,492 100 18916,606

BALANÇO DO MAGNÉRIO 11.01.2009

Magnésio que entra = Magnésio que sai


Entr

adas

de

Mag

nés

io Magnésio que entra como MgO nas pelotas 0,1673 2,577326 6,8839

Magnésio que entra como MgO na dolomita 4,8667 74,95274 200,1947 Magnésio que entra como MgO na CZ do carvão 1,4590 22,46993 60,0160

Totais 6,4931 100 267,0946

Saíd

a d

e M

agn

ésio

Magnésio que sai como MgO na escória 6,4880 99,92253 266,8877

0,0050 0,077467 0,2069

Totais 6,4931 100 267,0946

119

Anexo 7

Exergias padrão – espécies de referência (adaptado de ZARGUT, 1988)

Elemento químico Fórmula

fração em

massa Fórmula

Fração molar

padrão xm

Bq padrão

(kj/mol)

Bq padrão

(kcal/mol)

Al (s) Al2O3 0,152 Al2SiO3 2 x 10-3 15,4 3,681 888,4 212,328

Si (s) SiO2 0,591 SiO2 (s) 0,472 1,9 0,454 854,6 204,249

Ca(s) CaO 5,1x10-2 - - - - - -

Mn(s) MnO 1,18x10-3 MnO2 2 x 10-4 21,1 5,043 482,3 115,270

Mg(s) MgO 3,45 x 10-2 CaCO3.MgO 2,3 x 10-3 15,1 3,609 633,8 151,478

Exergia química

padrão do

elemento

(kcal/mol)

Componente da

litosfera

Espécie de referênciaExergia

química

padrão do

elemento

(kj/mol)

120

Anexo 8

Composição Minério de ferro Pelotas Dolomita e granito

FeO 1463 3138

Fe2O3 103 103

FeS2 11908 -

FeS - 1073

CaO -353 1965

MgO -83 1869

SiO2 31 -1062

Al2O3 133 1843

MnO 1304 2229

CO2 470 -

SO3 332 -

H2O 50 -

0

45

50

-

18

292

31

133

1304

-

Coeficientes da equação aproximada que expressa a exergia química padrão do ferro gusa

coeficiente tk MJ/kg

-

103

121

Anexo 9

Exergia padrão de espécies de referência

Elemento químico

Fórmu

la

fração em

massa Fórmula

Fração

molar

padrão xm

Bq padrão

composto

(kj/mol)

Bq padrão

(kcal/mol)

Fe (s) Fe2O3 3,1x10-2 Fe2O3 1,3 x 10-3 16,5 - 376,4 -

BQFe2O3 57,33 kJ

Espécie de referência

Exergia

química

padrão do

elemento

(kj/mol)

Exergia química

padrão do

elemento

(kcal/mol)

Componente da

122

Anexo 10

coeficiente tk MJ/kg

Componente bch Fe

C 27,42

Si 23,69

Mn 2,04

Si 12,27

P 21,43

Fe 6,74

Coeficientes da equação aproximada que expressa a exergia química padrão do ferro gusa

123

Anexo 11

Planilha de execução de cálculos de exergia

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