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ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – USP
JOÃO PAULO BONOMO ADORNO
Substituição de gás natural em um sistema de secagem de Briquetes
através da utilização do gás proveniente do reator de redução de minério de
ferro: Estudo de caso.
Lorena– SP
2015
JOÃO PAULO BONOMO ADORNO
Substituição de gás natural em um sistema de secagem de Briquetes
através da utilização do gás proveniente do reator de redução de minério de
ferro: Estudo de caso.
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado à Escola de Engenharia de
Lorena da Universidade de São Paulo
como requisito para obtenção do grau de
Engenheiro Químico.
Área de Projeto: Tecnologia química e
Termodinâmica.
Orientador: Prof. Msc. Antônio Carlos
da Silva.
Lorena - SP
2015
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Adorno, João Paulo Bonomo Substituição de gás natural em um sistema desecagem de Briquetes através da utilização do gásproveniente do reator de redução de minério de ferro:Estudo de caso / João Paulo Bonomo Adorno;orientador Antonio Carlos da Silva. - Lorena, 2015. 40 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2015Orientador: Antonio Carlos da Silva
1. Poder calorífico. 2. Gás natural. 3. Redução deminério de ferro. I. Título. II. da Silva, AntonioCarlos, orient.
DEDICATÓRIA
Aos nossos pais e irmãos,
Aos nossos amigos,
Aos nossos professores
...os quais serviram de alicerce para que pudéssemos concretizar mais uma etapa de
nossas realizações profissionais.
AGRADECIMENTOS
À Deus pelo dom da vida.
Aos meus pais, que sempre foram a base de todos os passos que tomei em minha
vida, pelo carinho, dedicação, amor e principalmente pelo exemplo a ser seguido.
A Ana Carolina Reginaldo Fonseca pelo companheirismo, cumplicidade, amizade e
amor.
Aos meus amigos de república Denis Brollo, Gustavo Morais, Thiago Zwirtes e
Gabriel Cabral pelos momentos de felicidade, companheirismo e vitórias
compartilhadas.
Aos meus amigos Vinicius Trombeta, Tamires Freitas e Leandro Navarro pela
amizade incondicional.
A Hermes Joaquim, Kleiton Lovatti, Guilherme Gonçalves, Ronald Lopes e Roberto
Okada pelo companheirismo, amizade e vitórias compartilhadas na Tecnored S.A.
Ao Professor Antônio Carlos, pela paciência, compreensão e dedicação a este
trabalho.
A todos que, de alguma forma, colaboraram para a realização deste trabalho, o meu
sincero agradecimento.
"Acredite você que consiga fazer uma coisa ou não, você está certo".
H. Ford
RESUMO
ADORNO, J. P. B. Substituição de gás natural em um sistema de secagem de
Briquetes através da utilização do gás proveniente do reator de redução de
minério de ferro: Estudo de caso. 2015. Monografia (Trabalho de Graduação em
Engenharia Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São
Paulo, Lorena, 2015.
Este trabalho teve o objetivo de, através de um estudo de caso, analisar a
substituição de gás natural em um processo industrial. O trabalho apresenta o estudo
realizado em um sistema de fabricação de briquetes e seus periféricos, em uma
planta industrial de produção de ferro primário. O gás natural é utilizado como fonte
de energia na etapa de secagem dos briquetes. O projeto analisou a possibilidade de
substituir o gás natural pelo gás proveniente do reator de redução de minério de ferro.
Como bases de comparação foram utilizadas a vazão utilizada de Gás Natural pelo
sistema, como a vazão disponível de gás de processo, como também o Poder
Calorífico de ambos objetivando comparar a energia fornecida ao sistema pelo gás
natural e o potencial energético do gás de processo. O estudo apresentou resultado
positivo, pois o gás de processo apresentou potencial energético superior a energia
fornecida pelo gás natural, onde os dados foram coletados de cenários reais de
produção de minério de ferro.
Palavras chave: Poder Calorífico, Gás Natural, Redução de minério de ferro.
ABSTRACT
ADORNO, J. P. B. Replacement natural gas briquettes in a drying system using
the gas from the iron ore reduction reactor: Case Study. 2015. Monografia
(Trabalho de Graduação em Engenharia Química) – Escola de Engenharia de
Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2015.
This work aimed to, through a case study, analyze the substitution of natural gas in an
industrial process. The paper presents the study in a briquette manufacturing system
and its peripherals in an industrial plant of primary iron production. Natural gas is used
as an energy source in the briquettes drying step. The project examined the possibility
of replacing natural gas by gas from the iron ore reduction reactor. As a basis of
comparison were used to flow used natural gas through the system, as the available
flow of process gas, as well as the Calorific Value of both aimed to compare the
energy supplied to the system by natural gas and the energy potential of the process
gas. The study was positive, as the process gas introduced higher energy potential
energy provided by natural gas, where the data was collected from real scenarios of
iron ore production.
Keywords: Calorific, natural gas, iron ore reduction.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Forno Tecnored .................................................................................... 14
Figura 2 - Diagrama Fe - O ................................................................................... 16
Figura 3 - Diagrama Wustita - Magnetita - Fe α - Fe β .......................................... 18
Figura 4 – Diferentes formatos de Briquetes ......................................................... 19
Figura 5 – Esquema de Cilindros Rotatórios ......................................................... 20
Figura 6 – Cilindros de briquetagem ..................................................................... 20
Figura 7 – Secadora tipo esteira ........................................................................... 21
Figura 8 – Esquema de Câmara de Combustão ................................................... 22
Figura 9 - Câmara de Combustão Industrial ......................................................... 22
Figura 10 – Sistema de limpeza de gases ............................................................ 23
Figura 11 – Esquema do sistema TRT .................................................................. 24
Figura 12 - Indústria de Fabricação de ferro primário ........................................... 27
Figura 13 - Sistema de Secagem de Briquetes tipo esteira .................................. 28
Figura 14 – Analisador a Laser ............................................................................. 29
Figura 15 – Analisador a Laser ............................................................................. 30
Figura 16 - Ponto de Coleta de gás ...................................................................... 31
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composições do gás de processo ....................................................... 32
Tabela 2 - Poder de Combustão ........................................................................... 34
Tabela 3 - Consumo de Gás Natural (Nm3/h) ....................................................... 35
Tabela 4 - Consumo de Gás Natural (Nm3/h) ....................................................... 36
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 12
1.1 Contextualização ......................................................................................... 12
1.2 Justificativa .................................................................................................. 13
1.3 Objetivo Geral .............................................................................................. 13
1.4 Objetivos Específicos .................................................................................. 13
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................... 14
2.1 O reator de redução de ferro primário ......................................................... 14
2.2 Termodinâmica da redução dos óxidos de ferro .......................................... 15
2.2.1 Equilíbrio Ferro-Oxigênio (Fe-O) ........................................................... 15
2.2.2 Hematita ................................................................................................ 16
2.2.3 Wustita .................................................................................................. 17
2.2.4 Magnetita .............................................................................................. 18
2.2.5 Ferro ..................................................................................................... 18
2.3 Briquetagem ................................................................................................ 19
2.3.1 Briquetadeira de cilindros rotatórios ...................................................... 19
2.3.2 Sistema de secagem de briquetes ........................................................ 21
2.4 Sistema de limpeza de gases ...................................................................... 23
2.5 Aplicação difundida de Gás de Processo – Turbina de Recuperação de
Topo .................................................................................................................. 23
2.6 Poder Calorífico ........................................................................................... 24
3 METODOLOGIA DE PESQUISA ....................................................................... 26
3.1 Natureza da Pesquisa ................................................................................. 26
3.2 Abordagem .................................................................................................. 26
3.3 Métodos ....................................................................................................... 26
3.3.1 Identificação .......................................................................................... 26
3.3.2 Funcionamento do Sistema de Secagem ............................................. 28
3.3.3 Análise dos gases .................................................................................... 29
3.3.3.1 O Analisador a Laser ......................................................................... 29
3.3.4 Coletas de amostras do gás de processo após o Sistema de Limpeza de
Gases e suas Composições .............................................................................. 31
3.3.5 Poder Calorífico e a Fórmula de Dulong ................................................... 32
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 34
4.1 Cálculos através da Fórmula de Dulong ...................................................... 34
4.2 Vazões de gás de processo e calculo da energia que pode ser aproveitada
.......................................................................................................................... 35
4.3 Combustão de Gás Natural e energia fornecida pelo sistema ..................... 36
4.4 Discussão .................................................................................................... 37
5 CONCLUSÃO .................................................................................................... 37
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 39
12
1 INTRODUÇÃO
1.1 Contextualização
Atualmente a siderurgia possui como principal rota de produção de ferro
primário o Alto-forno, processo este que já perdura como soberano por mais de
700 anos. Entretanto, esta soberania vem sendo ameaçada, uma vez que o Alto-
forno não atende algumas necessidades do mercado atual, como:
• Baixos níveis de emissões de gases poluentes;
• Maior eficácia na utilização de resíduos gerados;
• Flexibilidade no uso de matérias-primas alinhado as oscilações do
mercado;
• Baixos custos operacionais;
• Flexibilidade de escala de produção.
Analisando este cenário, novas tecnologias de produção de ferro primário
fazem frente ao alto-forno atualmente (NOLDIN, 2007, p. 17). Como por exemplo:
Tecnored, Oxicup, ITMK3, HISMELT, ROMELT, FINEX, COREX dentre outras.
Como consequência a este cenário de maior concorrência entre tecnologias, tanto
novas como a antiga tecnologia vêm se aprimorando no que diz respeito a
utilização dos resíduos gerados, onde pensamentos inovadores são formados
com o objetivo de aprimorar estas tecnologias, no que diz respeito aos itens já
comentados acima, em especial a utilização de forma eficaz dos resíduos gerados
do processo de fabricação de ferro primário. Dentre os resíduos gerados, o gás
residual de processo, conhecido como "Gás de Processo", vem sendo estudado
para ser reutilizado dentro do processo. Este trabalho apresenta uma forma de
reutilizar este gás, partindo do princípio que o mesmo possui poder calorífico
considerável e que após sua combustão, o gás combusto a alta temperatura
possa ser utilizado no sistema de secagem dos briquetes. Visando diminuir ou até
mesmo extinguir a utilização de gás natural. Obtendo assim, menor custo de
fabricação destes briquetes, uma vez que os gastos com a compra de gás natural
sejam reduzidos. Além disto, a substituição de gás natural diminui a quantidade
de dióxido de carbono produzida pelo sistema como um todo. Uma vez que o gás
gerado deverá ser queimado de forma completa após o processo, e o calor
13 gerado desta queima é utilizado para secagem dos briquetes, transformando todo
o monóxido de carbono em dióxido de carbono.
1.2 Justificativa
A reutilização do gás residual do processo na substituição do gás natural
possibilita vantagens à tecnologia como um todo, como por exemplo:
� Menor emissão de dióxido de carbono;
� Eliminar a dependência de fornecimento de gás natural;
� Diminuir o custo operacional (OPEX) da etapa de secagem dos briquetes;
1.3 Objetivo Geral
Avaliar a possibilidade de substituir o gás natural pelo gás residual do
processo de redução de minério de ferro, no sistema de secagem de briquetes.
1.4 Objetivos Específicos
� Avaliar a possibilidade de aplicação dos gases provenientes da redução de
minério de ferro.
� Identificar a formação dos gases provenientes da redução do minério de
ferro, como também sua composição
� Estudar o Sistema de Limpeza de gases.
� Realizar o comparativo entre a energia fornecida para a Câmara de
Combustão entre o Gás Natural e o Gás de Processo.
14 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 O reator de redução de ferro primário
Atualmente existem diversas tecnologias de redução de minério de ferro, à
ferro primário e a tecnologia que será utilizada como exemplo é a Tecnored.
Segundo Noldin et al (2002), esta tecnologia brasileira possui alimentação lateral
de combustíveis (aglomerados na forma de briquetes combustíveis) e alimentação
central de minério de ferro (aglomerado na forma de Briquetes Auto-redutores),
onde algumas características de processo são explicadas na Figura 1.
Figura 1 - Forno Tecnored
Fonte: NOLDIN, 2002
A grande maioria dos processos de redução de ferro primário possui o
modelo de alimentação e retirada de material muito semelhante ao Processo do
Alto Forno, como explica de forma resumida, Noldin et al (2007), este consiste de
alimentação de matérias primas pela parte superior do reator. Alimentação de gás
atmosférico (ou até mesmo de Oxigênio puro em algumas exceções) em uma, ou
duas, regiões de diferentes alturas do reator. Retirada dos gases provenientes da
redução pela parte superior do reator, e por fim, retirada de escória e ferro
primário (ou até mesmo ferro gusa) pela parte inferior do reator.
15 2.2 Termodinâmica da redução dos óxidos de ferro
Para realizar a redução de óxidos de ferro, são utilizados agentes
redutores. Usualmente, são utilizados na metalurgia o Monóxido de Carbono (CO)
e o gás Hidrogênio (H2), ou até mesmo uma mistura destes dois gases. A redução
sólido-sólido dos óxidos de ferro via intermediários gasosos, pode ser dividida em
quatro principais etapas: formação do monóxido de carbono, redução de hematita
para magnetita, redução da magnetita para wustita e a redução de wustita para
ferro (NOLDIN, 2002, p.50), através das reações (1) a (4).
C(s) + 1/2O2 =>CO (g) (1)
3Fe2O3 + CO =>2Fe3O4 + CO2(g) (2)
Fe3O4 + CO(g) => 3FeO + CO2(g) (3)
FeO + CO(g) => Fe + CO2 (g) (4)
Estas reações somadas a outras são responsáveis por uma enorme
geração de gás de processo e este gás residual pode possuir os mais variados
tipos de composição, variando conforme a composição das matérias-primas e tipo
de reator utilizado para redução dos óxidos de ferro. Entretanto, a composição de
alguns compostos, como o monóxido de carbono e o hidrogênio se mantêm
praticamente constante na saída do reator como também após o sistema de
limpeza de gases.
2.2.1 Equilíbrio Ferro-Oxigênio (Fe-O)
O diagrama de fases Fe-O, que é mostrado na Figura 2, apresenta as fases
FexOy . Dentre estas fases, existem seis fases que são denominadas fases
condensadas (Rizzo, 1966, p.137). Estas fases são: ferro metálico (onde existe a
subdivisão entre: ferro-alfa, ferro-gama e ferro-delta), wustita, magnetita, hematita,
ferro líquido e o óxido de ferro líquido.
16
Figura 2 - Diagrama Fe - O
Fonte: RIZZO, H. P.; BROSCH, C. D.; DA SILVA, L. C., 1966
2.2.2 Hematita
Apresenta como composição química Fe2O3 e representa o maior estado de
oxidação do ferro. Assim sendo, de acordo com Machado et al (2002), quando
está se apresenta pura, isto é, sem a presença de ganda, corresponde a 69,94%
de ferro e 30,06% de oxigênio. Apresenta estrutura hexagonal compacta, e sua
cor natural é acinzentada com peso específico aproximado de 5,25t/m3. No Brasil,
a Hematita é um dos mais importantes tipos de minério de ferro, principalmente
por sua abundância e alta pureza. Além disso, alguns depósitos de baixo grau
têm sido tratados de forma eficiente, obtendo uma produção de alta qualidade de
concentrados, utilizando principalmente técnicas de flotação e gravimetria.
17 Ainda segundo Machado et al (2002), outro tipo de obtenção da Hematita é
através da oxidação da Magnetita, onde esta é apresenta uma única notação
estequiométrica, entretanto, possui diferentes tipos de óxidos, que são:
Maguemita, γ- Fe2O3, e Hematita, α - Fe2O3. No que diz respeito a redução da
Hematita, a diferenciação se faz extremamente importante. Na redução da
Hematita (α - Fe2O3) à Magnetita (Fe3O4) ocorre o efeito do crescimento
anisotrópico da estrutura de espinélio invertido CFC (cúbica de face centrada), o
que normalmente implica em geração de trincas e micro trincas. A superfície
resultante desta reação é maior, logo a Magnetita 46 resultante desta reação é
mais reativa do que a Magnetita mineral, mas por outro lado, apresenta menor
resistência mecânica.
Em análises microscópicas, alguns fatores são observados para diferenciar-
se a Maguemita da Hematita. A Maguemita é essencialmente circular por ser
formada pela oxidação do Ferro metálico solidificado e para identificar as fases
Hematita, Magnetita e Wustita são feitas pela forma de como estas refletem a luz
incidente, através da incidência de luz polarizada que se direciona para cada
amostra.
2.2.3 Wustita
Como abordado por Schenck, Rudolf & Dingmann (1927), a Wustita
apresenta estrutura cristalina CFC (cúbica de face centrada), onde o íon de ferro
está arranjado nos interstícios octaédricos entre os íons de oxigênio. Quando
abaixo de 560ºC, é instável se decompondo em Fe- ⇒α + magnetita (4”FeO”
Fe3O4 + Fe-α). Geralmente a Wustita é representada como "FeO", por
simplicidade de apresentação, mas na verdade a Wustita se apresenta com déficit
de ferro, onde o correto seria apresentá-la sempre na forma de FexO, onde X está
nos entornos de 0,95 (Fontini 2000). Na Figura 3, é apresentado o campo como
há predominância de Wustita.
18
Figura 3 - Diagrama Wustita - Magnetita - Fe α - Fe β
Fonte: Campo de predominância da Wustita (“FeO”). Adaptado de FORTINI, O. M., 2000.
2.2.4 Magnetita
A Magnetita possui composição química Fe3O4, onde 73,36% é de ferro e
27,64% é de oxigênio, isto quando livre de impurezas. Apresenta cor preta ou de
uma forma mais próxima ao cinza escura, possui peso molecular específico de
5.16 t/m3 (Rizzo 1966). Apresenta alta força magnética, onde esta propriedade é
utilizada em seus processos de separação. Assim, torna-se possível a sua
separação da ganga, ainda nas mineradoras.
2.2.5 Ferro
De acordo com Rizzo e Brosch (1966), o ferro puro pode ser evidenciado
em seu estado metálico (Fe0) até 912ºC na forma alotrópica alfa (α), a partir de
912°C até 1394°C no estado alotrópico gama (γ) e a partir de 1394°C até 1538°C
no estado alotrópico delta (δ), e facilmente determinado por análise química. Suas
formas alotrópicas são caracterizadas por reticulados cristalinos distintos, onde: o
Ferro-α, reticulado cúbico de corpo centrado, o Ferro-γ reticulado cúbico de face
centrada e o Ferro-δ, reticulado cúbico de corpo centrado.
19 2.3 Briquetagem
Briquetagem é um processo no qual pequenas partículas de materiais
sólidos são prensadas para formar blocos de forma definida e maior tamanho.
Este processo pode ser utilizado para a briquetagem de finos de coque, finos de
carvão e minérios, por exemplo. Em alguns casos, é necessária a utilização de
um aglutinante, onde este tem a função de unir estas pequenas partículas
(SIMÕES, 1999, p.4). A quantidade de água adicionada à mistura é sempre
superior à quantidade prevista na formulação dos briquetes. A água é alimentada
em excesso visando à melhora no desempenho da aglomeração das partículas
(GRANDIN et al. 1994), como pode ser visto na Figura 4, após aglomerados,
estes materiais encontram-se em um formato específico, que tem como objetivo
melhorar a cinética de redução do minério de ferro, dispersar o fluxo gasoso
dentro do reator dentre outros fatores que visam otimizar o processo de redução
do minério.
Figura 4 – Diferentes formatos de Briquetes
Fonte: KOMAREK, 1991
2.3.1 Briquetadeira de cilindros rotatórios
Provavelmente, é o mais conhecido e aplicado processo para confecção de
briquetes, onde o material a ser briquetado é prensado por dois cilindros de
diâmetros iguais, girando em direções opostas, à mesma velocidade, conforme
exemplificado na Figura 5. O movimento é geralmente efetivado por volantes de
engrenagem com abs
superfícies dos cilindr
(KOMAREK, 1994, p.
um funil ou por uma ro
bsoluto sincronismo e na Figura 6, podem
dros possuem várias cavidades com o for
p.32). Vale lembrar que o material é carr
rosca de alimentação.
Figura 5 – Esquema de Cilindros Rotatórios
Fonte: Chaves, 2012
Figura 6 – Cilindros de briquetagem
Fonte: Rijeza Metalurgia, 1991
20
mos observar que as
formato dos briquetes
rregado por meio de
21 2.3.2 Sistema de secagem de briquetes
O Sistema de secagem basicamente consiste de uma secadora e uma
câmara de combustão, uma vez que a secadora é responsável por retirar a
umidade excedente dos briquetes e na Figura 7, é apresentada uma secadora do
tipo esteira.
Figura7 – Secadora tipo esteira
Fonte: Buhlergroup, 2014
A umidade excedente a formulação final desejada, como já citado, está
ligada ao desejo de aumentar a produtividade de briquetes, visando um menor
tempo de mistura dos componentes do briquete. A energia destinada para
evaporação desta água excedente é proveniente da passagem contínua de um
gás a alta temperatura. Este gás de alta temperatura, por sua vez, é proveniente
de uma câmara de combustão, cujo esquema é apresentado na Figura 8 e um
exemplo é evidenciado na Figura 9, onde esta câmara deve ser alimentada por
um gás de alto poder calorífico, no caso o gás natural.
FFigura 8 – Esquema de Câmara de Combustão
Fonte: modificado de MORAN et al, 2013
Figura 9 - Câmara de Combustão Industrial
Fonte: http://www.sellermecanica.com.br/
22
23 2.4 Sistema de limpeza de gases
Este sistema basicamente possui três unidades que podem ser vistas na Figura 10.
Figura 10 – Sistema de limpeza de gases
Fonte: INFOMET, 2014
O coletor de poeiras e o ciclone são responsáveis pela retirada das
partículas de maior granulometria, já o separador a úmido, utiliza a aspersão de
água para retirada das partículas de menor granulometria. No caso do alto-forno,
por exemplo, após o sistema de limpeza de gases, este apresenta em sua
composição de 19 a 30% de monóxido de carbono(CO), 14 a 18% de dióxido de
carbono (CO2), 3 a 7% de hidrogênio (H2), e aproximadamente 1% de metano
(CH4) e Nitrogênio (N2) completando a composição do gás (NOLDIN, 2002, p. 33).
2.5 Aplicação difundida de Gás de Processo – Turbina de Recuperação de
Topo
A Turbina de Recuperação de Topo (TRT) é um sistema que utiliza a
pressão de escape e o calor oriundo do alto-forno da siderúrgica como fonte de
energia. Neste sistema, o gás de alto-forno produzido durante o processo de
redução do minério de ferro é utilizado para a geração de eletricidade
(ABRANCHES, 2009, p.40) e esta aplicação, como pode ser vista na Figura 11, é
utilizada para grandes alto-fornos, pois é necessária uma grande quantidade de
gás e alta pressão após o sistema de limpeza de gases.
2.6 Poder Calorífico
Poder Calorífico
da unidade de massa
fumos da combustão r
O Poder Calorífico d
independente do fato
poder calorífico inclui
poder calorífico super
(BRIANNE, D. & DO A
Existe uma depe
pela quantidade de hi
utilizar o poder calorífi
da água da umidade
levar em consideração
pois nos seus gases
encontra (vapor ou líq
Pode-se estabelecer a
e (2) equação.
Onde: qH2O=mH2O fu
L = calor de condensa
Figura 11 – Esquema do sistema TRT
Fonte: ABRANCHES, 2009
co é a quantidade de calor liberada pela c
sa (ou volume, no caso de gases) do com
o resfriados até a temperatura do combustí
de um combustível é o "conteúdo ener
o de ser ou não realizada a combustão d
luir ou não, calor de condensação da á
erior (PCS) ou poder calorífico inferior (PC
AT. J et al. 1985).
pendência entre o poder calorífico superio
hidrogênio presente no combustível e na
ífico inferior, visto que o poder calorífico s
e do ar e da água gerada na combustã
ão especial aqueles combustíveis que con
s de combustão se encontra água, cujo
íquido) influi no valor do poder calorífico. (K
r a relação entre o PCS e PCI,de acordo c
PCS - PCI = qH2O (1)
fumos x L
sação da água a 18ºC.
24
combustão completa
ombustível, sendo os
stível (18 ou 25ºC).
ergético" do mesmo,
do mesmo.Quando o
água é chamado de
PCI), respectivamente
rior e o inferior regido
a prática é preferível
superior inclui o calor
tão. Então, devem-se
ontenham hidrogênio,
jo estado em que se
KOLLMANN, 1959).
com as equações (1)
25 Pode-se então descrever:
PCS - PCI = mH2Ofumos X L (2)
Em todos os processos técnicos somente interessa o poder calorífico
inferior, porque o calor de condensação do vapor d'água contido nos gases de
combustão não é utilizável.
26 3 METODOLOGIA DE PESQUISA
3.1 Natureza da Pesquisa
A pesquisa foi conduzida como um estudo de caso. Segundo Yin et al
(2005), o estudo de caso investiga um fenômeno contemporâneo dentro de seu
contexto e baseia-se em várias fontes de evidências, com os dados precisando
convergir em um formato triângulo. A coleta e análise destes dados devem
fomentar proposições teóricas. A pesquisa foi realizada em uma usina de
produção de ferro primário. A produção de ferro primário tem como resíduo do
reator de redução, o Gás de Processo, proveniente das reações de redução de
minério de ferro a ferro e uma das peculiaridades deste gás é a presença de
monóxido de carbono em sua composição de forma estável. Foram coletadas
diversas amostras do gás de processo para análise quantitativa e qualitativa
destas amostras com o objetivo de identificar a composição química deste gás.
Foram coletadas as vazões de gás de processo e gás natural. O estudo se aplica
ao potencial calorífico deste gás e sua aplicação, uma vez que foi avaliado que o
mesmo pode substituir o gás natural como combustível de uma câmara de
combustão, dentro do sistema de secagem dos briquetes.
3.2 Abordagem
A abordagem foi quantitativa, pois o estudo se refere a um cenário real.
3.3 Métodos
3.3.1 Identificação
O estudo de caso foi baseado em uma pesquisa realizada em uma
indústria de produção de ferro primário. As matérias primas para serem
adicionadas ao reator são aglomeradas na forma de briquetes. O estudo foi
dedicado mais precisamente na etapa de secagem dos briquetes. A Figura 12
apresenta o processo de fabricação de ferro primário, onde está destacado o
sistema de secagem dos briquetes.
27
Figura 12 - Indústria de Fabricação de ferro primário
Fonte: Elaborado pelo Autor
Esta secagem se faz necessária pois a água é adicionada em excesso na
etapa de mistura das matérias primas. Este excesso, garante maior eficiência do
misturador. Entretanto, a adição de briquetes úmidos no reator é prejudicial a
eficiência do mesmo pois esta quantidade de água excedente a formulada,
prejudica a performance do reator. Uma vez que, parte da energia que seria
utilizada para fusão e redução do minério de ferro, seria utilizada para evaporação
desta água.
Além disto, os briquetes quando ainda úmidos, possuem baixa resistência
mecânica dificultando assim seu transporte pelas correias transportadoras, por
ocasionar danos a estrutura dos briquetes ou até mesmo seu desmanche. Vale
28 lembrar que a alteração da estrutura destes briquetes prejudica a cinética da
reação de redução do minério de ferro.
Neste estudo foram abordadas as trocas térmicas realizadas entre o gás
aquecido e os briquetes por dois fatores: o primeiro por questões de Propriedade
Intelectual. Uma vez que a troca térmica está ligada diretamente ao tipo de ligante
utilizado para aglomerar os briquetes, e este é mantido sob sigilo. O segundo
fator, e principal, é o fato que existem poucos estudos relacionados a este
assunto, pois a troca térmica briquetes - gás combusto, depende diretamente da
forma geométrica dos briquetes e estes possuem as mais variadas formas como é
mostrado na Figura 4. Entretanto, este fato não compromete o presente estudo,
pois o mesmo tem o objetivo de avaliar apenas a substituição do combustível
(gás) utilizado na câmara de combustão. Assim, serão equiparados os resultados
obtidos por estes dois gases.
3.3.2 Funcionamento do Sistema de Secagem
O sistema de secagem dos Briquetes atua de forma contínua como ilustra
esquematicamente a Figura 13. Constitui-se um sistema de secagem simples do
tipo esteira, onde o gás combusto entra ao final da esteira de forma proposital.
Assim, evita-se o choque térmico entre o gás combusto e os briquetes que ainda
contenham alta umidade, evitando a formação de trincas nestes briquetes.
Figura 13 - Sistema de Secagem de Briquetes tipo esteira
Fonte: modificado de http://www.buhlergroup.com/southamerica/pt/produtos/secadora-de-esteira-
unica-aerodry.htm#.VmEft3arTIU
29 3.3.3 Análise dos gases
A análise do gás de processo é realizada de forma contínua e eletrônica,
por meio de analisadores a laser onde cada analisador comporta o monitoramento
de até 2 componentes do gás. Para a análise deste estudo foram utilizados os
resultados de dois destes analisadores, onde o primeiro é responsável pela
medição de CO e CO2 e o segundo pela medição de H2 e N2.
3.3.3.1 O Analisador a Laser
O analisador a Laser, LS25 mede seletivamente as concentrações de no
máximo dois componentes da forma “Insitu” em tubulações, vasos ou chaminés.
O Laser trabalha pelo princípio de espectroscopia de linha única. Para a medição
é escolhida cada linha de absorção do gás a ser determinado na faixa espectral
do Infravermelho próximo onde nenhum outro componente se situa da forma a
evitar interferências. Esta frequência de cada linha de absorção é emitida para o
processo. Na Figura 14 pode-se observar o analisador.
Figura 14 – Analisador a Laser
Fonte: Analisadores contínuos modulares de gás Tecnologia analítica inovadora de alto nível ,
AO2000 Série <http://www.abb.com/product/seitp330/fdced0139f82ebd0c125713900746325.aspx>
30 O detector no outro lado capta a absorção causada pelo gás de medição e
calcula a concentração do componente de interesse. Os módulos de análise a
Laser são compostos de unidade de transmissão e unidade de recepção como
podem ser observados na Figura 15.
Figura 15 – Analisador a Laser
Fonte: Analisadores contínuos modulares de gás Tecnologia analítica inovadora de alto nível ,
AO2000 Série <http://www.abb.com/product/seitp330/fdced0139f82ebd0c125713900746325.aspx>
Estes podem ser instalados em dutos ou vasos com distâncias entre as
duas unidades de 0,5 e 6 m. De acordo com a versão podem trabalhar sob
pressão do processo de até 10 bar e temperaturas do gás de até 1500 °C. Além
disso, o fabricante descreve em seu manual que seu equipamento possui desvio
de ± 0,005 N/m3 para os componentes CO, CO2 e H2, e 0,01N/m3 para N2.Este
modelo de analisador possui aplicações de longa data para: monitoramento de
31 emissões, controle de combustão, otimização de queimadores, controle de
processos com análise nos segmentos da Química, Petroquímica, Papel
&Celulose, Siderurgia, Energia, Vidro, etc. e Controle de unidades de DeNOx.
3.3.4 Coletas de amostras do gás de processo após o Sistema de Limpeza
de Gases e suas Composições
Para conhecer o Poder Calorífico do gás após o sistema de limpeza de
gases é necessário conhecer a composição química deste gás, para isto, foram
coletadas 15 amostras de composições deste gás após o Sistema de Limpeza de
gases, como é mostrado na Figura 16.
Figura 16 - Ponto de Coleta de gás
Fonte: Elaborado pelo Autor
32 Estas 15 amostras foram coletadas em dias distintos, como mostrado na
Tabela 1, para determinar-se sua composição média e além disso, efetuou-se o
cálculo da média destas composições para efetuar-se posteriormente o cálculo do
poder calorífico.
Tabela 1 - Composições do gás de processo
Composição dos gases (%)
Molécula / Nº Amostra H2 CO CO2 N2
1 2,52 24,95 10,25 62,28
2 2,55 24,63 10,48 62,33
3 2,47 25,03 10,57 61,93
4 2,5 25,47 9,87 62,17
5 2,38 26,18 8,77 62,67
6 2,05 24,57 8,27 65,12
7 1,73 17,8 6,92 73,55
8 2,62 25,23 12,23 59,92
9 2,55 24,8 12,72 59,93
10 2,45 26,3 11,57 59,68
11 2,62 25,13 12,58 59,67
12 2,57 25,15 12,8 59,48
13 2,57 25,82 11,95 59,67
14 2,6 25,52 11,93 59,95
15 2,58 25,6 11,6 60,22
16 2,58 26,92 10,8 59,7
17 2,57 27,27 10,18 59,98
Média 2,45 24,81 10,83 61,9
Fonte: Elaborado pelo Autor
Assim, a composição média para o gás após a saída do Sistema de
Limpeza de Gases é: 2,45% H2; 24,81% CO; 10,83 CO2 e 62,28% de N2.
3.3.5 Poder Calorífico e a Fórmula de Dulong
O poder calorífico pode ser determinado, teoricamente, através de cálculos,
desde que se tenha a composição elementar do combustível e o calor de
combustão dos elementos ou compostos gasosos. Esse parâmetro também pode
33 ser determinado experimentalmente através de calorímetros. Neste estudo ele
será calculado através da composição química do gás de processo.
Através da Fórmula de Dulong, o poder calorífico é calculado a partir da
análise elementar do combustível. O cálculo através da fórmula de Dulong baseia-
se na seguinte idéia: o calor de combustão de um composto é igual à soma dos
calores desprendidos pela combustão dos elementos que o integram. Além disso,
a fórmula de Dulong assume que o oxigênio do combustível está combinado com
o hidrogênio formando a água de constituição. Segue a fórmula de Dulong para
PCS, equação (3) e PCI equação (4).
(3) PCS = PCSx. X + PCSy.Y +...
(4) PCI = PCIx. X + PCIy.Y +...
Sendo que:
PCS = Pode Calorífico Superior [Kcal/Nm³]
PCI = Pode Calorífico Inferior [Kcal/Nm³]
PCSx = Poder Calorífico Superior do gás X puro
PCIx = Poder Calorífico Inferior do gás X puro
X = Teor da gás X [Nm³X/Nm³combustível]
34 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Cálculos através da Fórmula de Dulong
Utilizando os valores de poder calorífico na Tabela 2, pode-se estimar o
poder calorífico do gás de processo aplicando a Fórmula de Dulong.
Tabela 2 - Poder de Combustão
Fonte : http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/podercalorifico.php
Uma vez que o produto da combustão do gás hidrogênio é a água e nosso
combustível é constituído pelo gás hidrogênio com um valor acima de 1% (então,
não será desprezado), deve-se utilizar o Poder Calorífico Inferior pois o calor de
condensação do vapor d'água contido nos gases de combustão não é utilizável.
Sendo assim, pode-se calcular o Poder Calorífico o mais próximo do real.
Cálculo do Poder Calorífico Inferior do gás de processo.
PCIGás= 0,0245 x H2 + 0,2481 x CO
PCI Gás = 0,0245 x 2582,89 + 0,2481x 3016,08
PCIGás = 819,915 Kcal/Nm³
Onde:
PCI = Pode Calorífico Inferior [Kcal/Nm³];
H2 = Teor do gás H2;
CO = Teor do gás CO.
Poder Calorífico das Substâncias Puras
Substância Fórmula Massa
Molecular
Poder Calorífico
Superior Inferior Superior Inferior Superior Inferior
kcal/kg kWh/kg kcal/Nm³
Carbono C 12,01 7.819,00 7.819,00 9,09 9,09 4192,24 4192,24
Hidrogênio H2 2,02 33.900,00 28.642,00 39,4 33,29 3057,05 2582,89
Monóxido de Carbono
CO 28,01 2.412,00 2.412,00 2,8 2,8 3016,08 3016,08
Enxofre S 32,06 2.210,00 2.210,00 2,57 2,57 3163,06 3163,06
Gás Sulfídrico H2S 34,08 3.939,00 3.631,00 4,58 4,22 5992,91 5524,31
Amônia NH3 17,03 5.364,00 4.439,00 6,23 5,16 4078,08 3374,83
Metano CH4 16,04 13.249,00 11.940,00 15,4 13,88 9487,23 8549,89
35 4.2 Vazões de gás de processo e calculo da energia que pode ser
aproveitada
Realizou-se a coleta em 15 dias distintos da vazão de gás de processo,
para que fosse determinada a média das vazões, onde pode ser visto na Tabela
3.
Tabela 3 - Consumo de Gás Natural (Nm3/h)
Nº
Amostra
Vazão de Gás
de
Processo[103x
Nm3/h]
1 20,8
2 22,6
3 23,4
4 23,3
5 14,3
6 12,2
7 16,6
8 16,4
9 18,6
10 19,4
11 15,4
12 18,8
13 19,1
14 19,4
15 20,1
Fonte: Elaborado pelo Autor
Com estes dados, foi calculado que a vazão média de gás de processo é
18951,4 Nm3/h. Utilizando o poder calorífico do gás de processo, calculado
anteriormente, estima-se a energia que pode ser fornecida por este gás a
Câmara de Combustão.
Energia Possível de ser Fornecida = Vazão de Gás de Processo x Poder
Calorífico
Energia Possível de ser Fornecida = 18951,4 x 819,915
36 Energia Possível de ser Fornecida = 15 538 537,131 Kcal/h
4.3 Combustão de Gás Natural e energia fornecida pelo sistema
Durante 15 dias distintos foram coletadas vazões de gás natural pela
câmara de combustão, como mostrado na Tabela 4.
Tabela 4 - Consumo de Gás Natural (Nm3/h)
Fonte: Elaborado pelo Autor
Assim, a vazão média de Gás Natural consumida pela Câmara de
Combustão é 469,41 Nm3/h. Sabe-se que o pode Calorífico do Gás Natural é
9400,00 Kcal/Nm³, então estima-se a quantidade de energia de energia fornecida
pelo Gás Natural após sua combustão.
Energia Fornecida = Vazão Consumida x Poder Calorífico
Energia Fornecida = 469,41 x 9400
Energia Fornecida = 4 412 454,00 Kcal/h
37 4.4 Discussão
Primeiramente, realizou-se uma coleta do gás proveniente da redução do
Minério de Ferro, logo após o Sistema de Limpeza de Gases, assim, seria
garantido que o gás não possuiria material particulado, onde este poderia
danificar os equipamentos da Câmara de Combustão e Secadora.
Após a Coleta, as amostras retiradas foram analisadas quimicamente para
determinação da composição do gás, após identificada a presença significativa do
Monóxido de Carbono (CO), foi levantada a dúvida com relação ao poder
calorífico deste gás. Feito isso, foi realizado um Brainstorming sobre o assunto,
onde foi levantada a hipótese de utilização do mesmo pela câmara de combustão,
visando utilizar o gás combusto como fonte de energia. Para a determinação do
Poder Calorífico, foi estipulado o uso do Poder Calorífico Inferior, pois o gás
apresenta teor relativamente considerável de gás hidrogênio (H2) em sua
composição e este possui como produto de reação a água, sendo que a mesma
posteriormente "sequestra" energia do sistema para entrar em ebulição. Assim,
não se pode contar com toda a energia fornecida pela queima do gás hidrogênio.
5 CONCLUSÃO
Por meio deste estudo foi possível chegar a conclusão de que é possível
realizar a substituição do Gás natural completamente pelo Gás de
Processo,mesmo o Poder Calorífico do Gás de Processo sendo 10 vezes menor
do que o Poder Calorífico do Gás Natural utilizado na Câmara de Combustão
(PCIGás de processo = 819,915 Kcal/Nm³ e PCIGás Natural = 9400,00 Kcal/Nm³). Isto só é
possível pois a geração de Gás de Processo (Vazão de saída após o Sistema de
Limpeza de Gases) é 40 vezes maior do que a Vazão necessária de Gás Natural
para alimentar a Câmara de Combustão. Portanto, o baixo poder calorífico do Gás
de Processo, se comparado ao Gás Natural, é compensado pelo enorme volume
que este gás é gerado.
Do ponto de vista econômico, o seguinte estudo também trouxe benefício.
De acordo com a fornecedora de gás natural, COMGÁS, a câmara de combustão
que encontrava-se na faixa de consumo de 300 000,00 à 50 000,00 m3 de gás por
mês, possuía o valor fixo mensal de R$46346,73, valor este que será reduzido ao
valor mínimo de R$177,74 pois o consumo de gás natural será necessário apenas
38 para o funcionamento da chama de ignição da câmara de Combustão. Assim
sendo, garantindo que sejam poupados mensalmente R$46168,99.
Concluiu-se que se obteve resultado satisfatório através do
desenvolvimento deste trabalho, pois foi identificado que o gás proveniente do
reator possui Poder Calorífico expressivo e poderá gerar redução de custo com a
compra de Gás Natural.
39 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Abranches, A. M. B. Utilização do gás de alto-forno para produção de energia
na indústria siderúrgica de Minas Gerais, p.40, 2009.
ABB, Analisadores contínuos modulares de gás Tecnologia analítica
inovadora de alto nível, AO2000 Série
<http://www.abb.com/product/seitp330/fdced0139f82ebd0c125713900746325.asp
x>
Baker, R R; J G Mather, J H Kennaugh (1983-01-06). "Magnetic bones in
human sinuses". Nature 301 (5895): 79–80.
Brianne, D. & DO AT. J.: Technique de lacarbonisation.
AgenceFançaisepourlaMaîtrise de l'Énergie, 2ème ed, 1985.
Buhlergroup. Disponível em: < http://www.buhlergroup.com/southamerica/pt/
solucoes-industriais/>. Acesso em: 30/07/2014.
Chaves, A. F. Granuladores por via seca
<http://www.erivero.com.br/p_ind_mine_via_seca_grana1.php>. Acesso em
22/09/2015.
Comgás, Disponível em : <
http://www.comgas.com.br/pt/nossosServicos/Tarifas/Paginas/industrial.aspx >.
Acesso em 21/12/2015.
Machado, F. B.. Uma breve descrição sobre a Hematita
<http://www.rc.unesp.br/museudpm/banco/oxidos/hematita.html>. Acesso em
10/10/2015.
Fortini, O. M. Exploratory research on renewable energy steelmaking.
Progress report. USA, September 2000, 25p.(AISI-DOE, 6298,1,1020006).
projeto em andamento.
Grandin, F. H. Compacting and Briquetting. In: Environmental Technology
Applications- Power Handling and Processing, 6th ed, nº 1, 1994.
40 Iinfomet. LIMPEZA DE GASES Disponível em:
http://www.infomet.com.br/siderurgia-3a-limpeza-gases.php. Acesso em:
30/07/2014.
Kollmann, F.: Tecnologia de lamaderay sus aplicaciones. Madrid, Volume 1,
1959.
Komarek, R. K. Binderless Briquetting of Peat, Lignite, Sub-Bituminous and
Bituminous Coals in Roll Press. (IBA Proceedings, vol. 22, 22nd
BiennialConference, San Antonio, TX, 1991)
Noldin, J. H. J. Modelo termoquímico da auto redução em fornos de cuba:
p.17, 2007.
______, J. H. J. Contribuição ao estudo da cinética de redução de briquetes
auto redutores: p.50, 2002.
Rijeza Metalurgia. Rolo de Briquetagem. Disponível em: <http://www.rijeza.
com.br/aplicacoes/rolo-de-briquetagem>. Acesso em 30/07/2014.
Rizzo, H. P.; BROSCH, C. D.; DA SILVA, L. C. Ensaios de redutibilidade dos
minérios de ferro e seus aglomerados – Estudo de um novo tipo de
ensaio.In:__Congresso anual da ABM, 21o, 1966, Volta Redonda, anais, Brasil,
ABM.
Schenck, Rudolf & Dingmann, Th.; 1927: Gleichgewichtsuntersuchungen über
die Reduktions-, Oxydations- und Kohlungsvorgänge beim Eisen III, in:
Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 166, p. 113-154, here p. 141.
Simões, V. P. M. Modelo termoquímico da auto redução em fornos de cuba:
p.4, 1999.
Yin, R. K. Estudo de Caso – Planejamento e Métodos p.33, 2005.