manual de operação de cadeiras

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Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável Fundação Estadual do Meio Ambiente Diretoria de Pesquisa e Desenvolv imento Gerência de Desenvolvimento e Apoio Técnico às Atividades Industriais Utilização do Gás de Alto-forno para Produção de Energia em Indústria Siderúrgica no Estado de Minas Gerais Sumário Executivo

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Page 1: Manual de operação de Cadeiras

8162019 Manual de operaccedilatildeo de Cadeiras

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Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento SustentaacutevelFundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente

Diretoria de Pesquisa e DesenvolvimentoGerecircncia de Desenvolvimento e Apoio Teacutecnico agraves Atividades Industriais

Utilizaccedilatildeo do Gaacutes de Alto-forno para Produccedilatildeo deEnergia em Induacutestria Sideruacutergica no Estado de

Minas Gerais

Sumaacuterio Executivo

8162019 Manual de operaccedilatildeo de Cadeiras

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8162019 Manual de operaccedilatildeo de Cadeiras

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copy 2010 Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente

Governo do Estado de Minas Gerais

Antocircnio Augusto Junho Anastasia

Governador

Sistema Estadual do Meio Ambiente ndash Sisema

Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentaacutevel -

Semad

Joseacute Carlos Carvalho

Secretaacuterio

Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente - Feam

Joseacute Claacuteudio Junqueira

Presidente

Diretoria de Pesquisa e Desenvolvimento

Paulo Eduardo Fernandes de Almeida

Diretor

Gerecircncia de Desenvolvimento e Apoio Teacutecnico agraves Atividades Industriais

Liliana Adriana Nappi Mateus

Gerente

ElaboraccedilatildeoArnaldo Abranches Mota Batista

Analista Ambiental

Ficha catalograacutefica elaborada pelo Nuacutecleo de Documentaccedilatildeo Ambiental

Rodovia Prefeito Ameacuterico Gianetti snordm - Serra Verde - Belo HorizonteMGCEP - 31630-900 (31) 3915-1465wwwmeioambientemggovbr

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70983152

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983107983108983125 66962097(8151)

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feam

SUMAacuteRIO EXECUTIVO

Este sumaacuterio conteacutem os principais resultados que compotildeem a dissertaccedilatildeo de

mestrado ldquoUtilizaccedilatildeo do gaacutes de alto-forno para produccedilatildeo de energia na induacutestriasideruacutergica de Minas Geraisrdquo do servidor Msc Arnaldo Abranches Mota Batista da

Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente A referida dissertaccedilatildeo foi requisito parcial do

curso de Mestrado Profissionalizante em Sustentabilidade Soacutecio-econocircmica e

Ambiental realizado em conjunto com outros servidores da Fundaccedilatildeo Estadual do

Meio Ambiente Instituto Mineiro de Gestatildeo das Aacuteguas e Instituto Estadual de

Florestas no acircmbito do convecircnio firmado entre a FEAM e a Universidade Federal de

Ouro Preto (UFOP)

Este trabalho mostra a situaccedilatildeo atual do aproveitamento de gaacutes de alto-forno para

geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais por meio de levantamento

realizado nos anos de 2008 e 2009 onde eacute discutida a melhor tecnologia de limpeza

de gaacutes de alto-forno utilizando as experiecircncias do proacuteprio setor de produccedilatildeo de

ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo vegetal

O trabalho tambeacutem contemplou uma pesquisa mais detalhada dos sistemas delimpeza de gaacutes utilizados pelos empreendimentos do setor de ferro-gusa que jaacute

possuem termoeleacutetricas Para comparar os dados pesquisados em campo e nas

informaccedilotildees existentes no Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais sobre lavadores foi utilizado um modelo matemaacutetico par calcular a

eficiecircncia teoacuterica de lavadores

Aleacutem disso foi ainda adaptado um modelo de caacutelculo de custobenefiacutecio para

termoeleacutetricas a gaacutes de alto forno onde se verificaram as vantagens econocircmicas de

instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em alto-fornos a carvatildeo vegetal mesmo levando-se em

conta os investimentos adicionais em equipamentos de limpeza de gaacutes discutidos

neste estudo Por fim foram levantados provaacuteveis ganhos com creacuteditos de carbono

aplicando a metodologia do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo para caacutelculo de

emissotildees evitadas de dioacutexido de carbono (CO2)

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1 INTRODUCcedilAtildeO

A conservaccedilatildeo e preservaccedilatildeo de energia devem ser prioridades em todos os

empreendimentos por razotildees econocircmicas e ambientais principalmente devido agravenecessidade de um balanccedilo positivo quanto agraves emissotildees de gases que provocam o

efeito estufa visando contribuir na minimizaccedilatildeo do aquecimento global do planeta

A sideruacutergica mineira eacute um segmento industrial relevante inclusive no cenaacuterio

nacional Identifica-se nesse setor o gaacutes de alto-forno da produccedilatildeo de ferro-gusa

com elevada temperatura e teores de monoacutexido de carbono (CO) como principal

perda energeacutetica pelo fato de natildeo ser totalmente utilizado como redutor no processoprodutivo O gaacutes de alto-forno eacute parcialmente utilizado hoje para preacute-aquecimento do

ar de processo no alto-forno mas numa quantidade que varia de 40 a 60 sendo

o restante descartado para a atmosfera apoacutes a queima nas tochas

Em processos de geraccedilatildeo de eletricidade por meio da cogeraccedilatildeo o uso do gaacutes de

alto-forno eacute adequado uma vez que o calor rejeitado ainda pode ser parcialmente

convertido em energia uacutetil Assim o aproveitamento do gaacutes de alto-forno tem se

tornado fundamental no processo de produccedilatildeo de ferro-gusa

Algumas usinas sideruacutergicas jaacute possuem centrais termeleacutetricas utilizando os gases

oriundos dos processos de fabricaccedilatildeo do ferro-gusa que satildeo queimados em

caldeiras para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Parte significativa dessa cogeraccedilatildeo

destaca-se por natildeo advir da queima do gaacutes e sim do aproveitamento de

caracteriacutesticas fiacutesicas do gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia

Dessa forma eacute importante conhecer a situaccedilatildeo atual da recuperaccedilatildeo energeacutetica de

gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais e as

possibilidades para aumento desta geraccedilatildeo

Em se tratando de altos-fornos a carvatildeo vegetal tendo em vista o atual ldquoestado da

arterdquo da limpeza do gaacutes de alto-forno faz-se necessaacuterio tambeacutem conhecer a melhor

tecnologia disponiacutevel possibilitando aumentar a eficiecircncia de limpeza do gaacutes para

sua recuperaccedilatildeo energeacutetica

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Os principais objetivos do presente trabalho satildeo

bull Levantar a situaccedilatildeo atual do uso do gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia

eleacutetrica no Estado de Minas Gerais

bull Realizar um estudo da melhor tecnologia de limpeza de gaacutes de alto-forno a

carvatildeo vegetal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Os objetivos secundaacuterios satildeo

bull Levantar o cenaacuterio atual de produccedilatildeo de ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo

vegetal no Estado de Minas Gerais

bull Verificar a eficiecircncia de lavadores tipo Venturi por meio da aplicaccedilatildeo de

modelo matemaacutetico e comparar os resultados com dados fornecidos pelas

empresas em questionaacuterios e arquivos ndash Sistema Integrado de Informaccedilatildeo

Ambiental (SIAM) de Minas Gerais aleacutem de informaccedilotildees da literatura

bull Calcular o custo benefiacutecio de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno por meio

de modelo matemaacutetico

bull Calcular por meio de metodologia especiacutefica as emissotildees de dioacutexido de

carbono CO2 evitadas com a utilizaccedilatildeo de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-

forno conforme os princiacutepios do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ndash

MDL

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2 DISCUSSAtildeO E RESULTADOS

Como consequumlecircncia da compilaccedilatildeo dos dados de questionaacuterios aplicados nos altos-

fornos no Estado de Minas Gerais o setor se apresenta resumidamente conforme aFigura 21 com a distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal

Figura 21 ndash Distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal em Minas Gerais

Verifica-se que os altos-fornos a coque possuem maior capacidade produtiva e satildeo

em nuacutemero muito menor enquanto que os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem

menor capacidade produtiva e satildeo em maior nuacutemero

Atualmente em Minas Gerais existe um determinado niacutevel de produccedilatildeo

aproximadamente 1000 tdia em que se pode utilizar tanto o coque quanto o

carvatildeo vegetal Os altos-fornos a carvatildeo vegetal podem ser modificados para

utilizarem coque

21 Cenaacuterios do Aproveitamento Energeacutetico do Gaacutes de Alto-Forno ParaGeraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica

Obviamente a diferenccedila entre altos-fornos a coque e altos-fornos a carvatildeo vegetal

natildeo se esgota na diferenccedila de produccedilatildeo e tamanho dos fornos Quando se pretende

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analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 2: Manual de operação de Cadeiras

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copy 2010 Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente

Governo do Estado de Minas Gerais

Antocircnio Augusto Junho Anastasia

Governador

Sistema Estadual do Meio Ambiente ndash Sisema

Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentaacutevel -

Semad

Joseacute Carlos Carvalho

Secretaacuterio

Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente - Feam

Joseacute Claacuteudio Junqueira

Presidente

Diretoria de Pesquisa e Desenvolvimento

Paulo Eduardo Fernandes de Almeida

Diretor

Gerecircncia de Desenvolvimento e Apoio Teacutecnico agraves Atividades Industriais

Liliana Adriana Nappi Mateus

Gerente

ElaboraccedilatildeoArnaldo Abranches Mota Batista

Analista Ambiental

Ficha catalograacutefica elaborada pelo Nuacutecleo de Documentaccedilatildeo Ambiental

Rodovia Prefeito Ameacuterico Gianetti snordm - Serra Verde - Belo HorizonteMGCEP - 31630-900 (31) 3915-1465wwwmeioambientemggovbr

983110983157983150983140983137983271983267983151 983109983155983156983137983140983157983137983148 983140983151 983117983141983145983151 983105983149983138983145983141983150983156983141

983110981983157 983125983156983145983148983145983162983137983271983267983151 983140983141 983143983265983155 983140983141 983137983148983156983151983085983142983151983154983150983151 983152983137983154983137 983152983154983151983140983157983271983267983151 983140983141 983141983150983141983154983143983145983137

983141983149 983145983150983140983290983155983156983154983145983137 983155983145983140983141983154983290983154983143983145983139983137 983141983149 983117983145983150983137983155 983111983141983154983137983145983155 983155983157983149983265983154983145983151 983141983160983141983139983157983156983145983158983151 983111983141983154983274983150983139983145983137 983140983141983108983141983155983141983150983158983151983148983158983145983149983141983150983156983151 983141 983105983152983151983145983151 983124983273983139983150983145983139983151 983264983155 983105983156983145983158983145983140983137983140983141983155 983113983150983140983157983155983156983154983145983137983145983155 983085983085983085 983106983141983148983151

983112983151983154983145983162983151983150983156983141 983110983157983150983140983137983271983267983151 983109983155983156983137983140983157983137983148 983140983151 983117983141983145983151 983105983149983138983145983141983150983156983141 2010

70983152

1 983120983154983151983140983157983271983267983151 983140983141 983141983150983141983154983143983145983137 2 983113983150983140983290983155983156983154983145983137 983155983145983140983141983154983290983154983143983145983139983137 991251 983143983265983155

983140983141 983137983148983156983151 983142983151983154983150983151 3 983105983152983154983151983158983141983145983156983137983149983141983150983156983151 983141983150983141983154983143983273983156983145983139983151 983113 983124983277983156983157983148983151

983107983108983125 66962097(8151)

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feam

SUMAacuteRIO EXECUTIVO

Este sumaacuterio conteacutem os principais resultados que compotildeem a dissertaccedilatildeo de

mestrado ldquoUtilizaccedilatildeo do gaacutes de alto-forno para produccedilatildeo de energia na induacutestriasideruacutergica de Minas Geraisrdquo do servidor Msc Arnaldo Abranches Mota Batista da

Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente A referida dissertaccedilatildeo foi requisito parcial do

curso de Mestrado Profissionalizante em Sustentabilidade Soacutecio-econocircmica e

Ambiental realizado em conjunto com outros servidores da Fundaccedilatildeo Estadual do

Meio Ambiente Instituto Mineiro de Gestatildeo das Aacuteguas e Instituto Estadual de

Florestas no acircmbito do convecircnio firmado entre a FEAM e a Universidade Federal de

Ouro Preto (UFOP)

Este trabalho mostra a situaccedilatildeo atual do aproveitamento de gaacutes de alto-forno para

geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais por meio de levantamento

realizado nos anos de 2008 e 2009 onde eacute discutida a melhor tecnologia de limpeza

de gaacutes de alto-forno utilizando as experiecircncias do proacuteprio setor de produccedilatildeo de

ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo vegetal

O trabalho tambeacutem contemplou uma pesquisa mais detalhada dos sistemas delimpeza de gaacutes utilizados pelos empreendimentos do setor de ferro-gusa que jaacute

possuem termoeleacutetricas Para comparar os dados pesquisados em campo e nas

informaccedilotildees existentes no Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais sobre lavadores foi utilizado um modelo matemaacutetico par calcular a

eficiecircncia teoacuterica de lavadores

Aleacutem disso foi ainda adaptado um modelo de caacutelculo de custobenefiacutecio para

termoeleacutetricas a gaacutes de alto forno onde se verificaram as vantagens econocircmicas de

instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em alto-fornos a carvatildeo vegetal mesmo levando-se em

conta os investimentos adicionais em equipamentos de limpeza de gaacutes discutidos

neste estudo Por fim foram levantados provaacuteveis ganhos com creacuteditos de carbono

aplicando a metodologia do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo para caacutelculo de

emissotildees evitadas de dioacutexido de carbono (CO2)

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2feam

1 INTRODUCcedilAtildeO

A conservaccedilatildeo e preservaccedilatildeo de energia devem ser prioridades em todos os

empreendimentos por razotildees econocircmicas e ambientais principalmente devido agravenecessidade de um balanccedilo positivo quanto agraves emissotildees de gases que provocam o

efeito estufa visando contribuir na minimizaccedilatildeo do aquecimento global do planeta

A sideruacutergica mineira eacute um segmento industrial relevante inclusive no cenaacuterio

nacional Identifica-se nesse setor o gaacutes de alto-forno da produccedilatildeo de ferro-gusa

com elevada temperatura e teores de monoacutexido de carbono (CO) como principal

perda energeacutetica pelo fato de natildeo ser totalmente utilizado como redutor no processoprodutivo O gaacutes de alto-forno eacute parcialmente utilizado hoje para preacute-aquecimento do

ar de processo no alto-forno mas numa quantidade que varia de 40 a 60 sendo

o restante descartado para a atmosfera apoacutes a queima nas tochas

Em processos de geraccedilatildeo de eletricidade por meio da cogeraccedilatildeo o uso do gaacutes de

alto-forno eacute adequado uma vez que o calor rejeitado ainda pode ser parcialmente

convertido em energia uacutetil Assim o aproveitamento do gaacutes de alto-forno tem se

tornado fundamental no processo de produccedilatildeo de ferro-gusa

Algumas usinas sideruacutergicas jaacute possuem centrais termeleacutetricas utilizando os gases

oriundos dos processos de fabricaccedilatildeo do ferro-gusa que satildeo queimados em

caldeiras para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Parte significativa dessa cogeraccedilatildeo

destaca-se por natildeo advir da queima do gaacutes e sim do aproveitamento de

caracteriacutesticas fiacutesicas do gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia

Dessa forma eacute importante conhecer a situaccedilatildeo atual da recuperaccedilatildeo energeacutetica de

gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais e as

possibilidades para aumento desta geraccedilatildeo

Em se tratando de altos-fornos a carvatildeo vegetal tendo em vista o atual ldquoestado da

arterdquo da limpeza do gaacutes de alto-forno faz-se necessaacuterio tambeacutem conhecer a melhor

tecnologia disponiacutevel possibilitando aumentar a eficiecircncia de limpeza do gaacutes para

sua recuperaccedilatildeo energeacutetica

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3feam

Os principais objetivos do presente trabalho satildeo

bull Levantar a situaccedilatildeo atual do uso do gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia

eleacutetrica no Estado de Minas Gerais

bull Realizar um estudo da melhor tecnologia de limpeza de gaacutes de alto-forno a

carvatildeo vegetal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Os objetivos secundaacuterios satildeo

bull Levantar o cenaacuterio atual de produccedilatildeo de ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo

vegetal no Estado de Minas Gerais

bull Verificar a eficiecircncia de lavadores tipo Venturi por meio da aplicaccedilatildeo de

modelo matemaacutetico e comparar os resultados com dados fornecidos pelas

empresas em questionaacuterios e arquivos ndash Sistema Integrado de Informaccedilatildeo

Ambiental (SIAM) de Minas Gerais aleacutem de informaccedilotildees da literatura

bull Calcular o custo benefiacutecio de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno por meio

de modelo matemaacutetico

bull Calcular por meio de metodologia especiacutefica as emissotildees de dioacutexido de

carbono CO2 evitadas com a utilizaccedilatildeo de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-

forno conforme os princiacutepios do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ndash

MDL

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4feam

2 DISCUSSAtildeO E RESULTADOS

Como consequumlecircncia da compilaccedilatildeo dos dados de questionaacuterios aplicados nos altos-

fornos no Estado de Minas Gerais o setor se apresenta resumidamente conforme aFigura 21 com a distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal

Figura 21 ndash Distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal em Minas Gerais

Verifica-se que os altos-fornos a coque possuem maior capacidade produtiva e satildeo

em nuacutemero muito menor enquanto que os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem

menor capacidade produtiva e satildeo em maior nuacutemero

Atualmente em Minas Gerais existe um determinado niacutevel de produccedilatildeo

aproximadamente 1000 tdia em que se pode utilizar tanto o coque quanto o

carvatildeo vegetal Os altos-fornos a carvatildeo vegetal podem ser modificados para

utilizarem coque

21 Cenaacuterios do Aproveitamento Energeacutetico do Gaacutes de Alto-Forno ParaGeraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica

Obviamente a diferenccedila entre altos-fornos a coque e altos-fornos a carvatildeo vegetal

natildeo se esgota na diferenccedila de produccedilatildeo e tamanho dos fornos Quando se pretende

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5feam

analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

8162019 Manual de operaccedilatildeo de Cadeiras

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 3: Manual de operação de Cadeiras

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copy 2010 Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente

Governo do Estado de Minas Gerais

Antocircnio Augusto Junho Anastasia

Governador

Sistema Estadual do Meio Ambiente ndash Sisema

Secretaria de Estado de Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentaacutevel -

Semad

Joseacute Carlos Carvalho

Secretaacuterio

Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente - Feam

Joseacute Claacuteudio Junqueira

Presidente

Diretoria de Pesquisa e Desenvolvimento

Paulo Eduardo Fernandes de Almeida

Diretor

Gerecircncia de Desenvolvimento e Apoio Teacutecnico agraves Atividades Industriais

Liliana Adriana Nappi Mateus

Gerente

ElaboraccedilatildeoArnaldo Abranches Mota Batista

Analista Ambiental

Ficha catalograacutefica elaborada pelo Nuacutecleo de Documentaccedilatildeo Ambiental

Rodovia Prefeito Ameacuterico Gianetti snordm - Serra Verde - Belo HorizonteMGCEP - 31630-900 (31) 3915-1465wwwmeioambientemggovbr

983110983157983150983140983137983271983267983151 983109983155983156983137983140983157983137983148 983140983151 983117983141983145983151 983105983149983138983145983141983150983156983141

983110981983157 983125983156983145983148983145983162983137983271983267983151 983140983141 983143983265983155 983140983141 983137983148983156983151983085983142983151983154983150983151 983152983137983154983137 983152983154983151983140983157983271983267983151 983140983141 983141983150983141983154983143983145983137

983141983149 983145983150983140983290983155983156983154983145983137 983155983145983140983141983154983290983154983143983145983139983137 983141983149 983117983145983150983137983155 983111983141983154983137983145983155 983155983157983149983265983154983145983151 983141983160983141983139983157983156983145983158983151 983111983141983154983274983150983139983145983137 983140983141983108983141983155983141983150983158983151983148983158983145983149983141983150983156983151 983141 983105983152983151983145983151 983124983273983139983150983145983139983151 983264983155 983105983156983145983158983145983140983137983140983141983155 983113983150983140983157983155983156983154983145983137983145983155 983085983085983085 983106983141983148983151

983112983151983154983145983162983151983150983156983141 983110983157983150983140983137983271983267983151 983109983155983156983137983140983157983137983148 983140983151 983117983141983145983151 983105983149983138983145983141983150983156983141 2010

70983152

1 983120983154983151983140983157983271983267983151 983140983141 983141983150983141983154983143983145983137 2 983113983150983140983290983155983156983154983145983137 983155983145983140983141983154983290983154983143983145983139983137 991251 983143983265983155

983140983141 983137983148983156983151 983142983151983154983150983151 3 983105983152983154983151983158983141983145983156983137983149983141983150983156983151 983141983150983141983154983143983273983156983145983139983151 983113 983124983277983156983157983148983151

983107983108983125 66962097(8151)

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feam

SUMAacuteRIO EXECUTIVO

Este sumaacuterio conteacutem os principais resultados que compotildeem a dissertaccedilatildeo de

mestrado ldquoUtilizaccedilatildeo do gaacutes de alto-forno para produccedilatildeo de energia na induacutestriasideruacutergica de Minas Geraisrdquo do servidor Msc Arnaldo Abranches Mota Batista da

Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente A referida dissertaccedilatildeo foi requisito parcial do

curso de Mestrado Profissionalizante em Sustentabilidade Soacutecio-econocircmica e

Ambiental realizado em conjunto com outros servidores da Fundaccedilatildeo Estadual do

Meio Ambiente Instituto Mineiro de Gestatildeo das Aacuteguas e Instituto Estadual de

Florestas no acircmbito do convecircnio firmado entre a FEAM e a Universidade Federal de

Ouro Preto (UFOP)

Este trabalho mostra a situaccedilatildeo atual do aproveitamento de gaacutes de alto-forno para

geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais por meio de levantamento

realizado nos anos de 2008 e 2009 onde eacute discutida a melhor tecnologia de limpeza

de gaacutes de alto-forno utilizando as experiecircncias do proacuteprio setor de produccedilatildeo de

ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo vegetal

O trabalho tambeacutem contemplou uma pesquisa mais detalhada dos sistemas delimpeza de gaacutes utilizados pelos empreendimentos do setor de ferro-gusa que jaacute

possuem termoeleacutetricas Para comparar os dados pesquisados em campo e nas

informaccedilotildees existentes no Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais sobre lavadores foi utilizado um modelo matemaacutetico par calcular a

eficiecircncia teoacuterica de lavadores

Aleacutem disso foi ainda adaptado um modelo de caacutelculo de custobenefiacutecio para

termoeleacutetricas a gaacutes de alto forno onde se verificaram as vantagens econocircmicas de

instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em alto-fornos a carvatildeo vegetal mesmo levando-se em

conta os investimentos adicionais em equipamentos de limpeza de gaacutes discutidos

neste estudo Por fim foram levantados provaacuteveis ganhos com creacuteditos de carbono

aplicando a metodologia do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo para caacutelculo de

emissotildees evitadas de dioacutexido de carbono (CO2)

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2feam

1 INTRODUCcedilAtildeO

A conservaccedilatildeo e preservaccedilatildeo de energia devem ser prioridades em todos os

empreendimentos por razotildees econocircmicas e ambientais principalmente devido agravenecessidade de um balanccedilo positivo quanto agraves emissotildees de gases que provocam o

efeito estufa visando contribuir na minimizaccedilatildeo do aquecimento global do planeta

A sideruacutergica mineira eacute um segmento industrial relevante inclusive no cenaacuterio

nacional Identifica-se nesse setor o gaacutes de alto-forno da produccedilatildeo de ferro-gusa

com elevada temperatura e teores de monoacutexido de carbono (CO) como principal

perda energeacutetica pelo fato de natildeo ser totalmente utilizado como redutor no processoprodutivo O gaacutes de alto-forno eacute parcialmente utilizado hoje para preacute-aquecimento do

ar de processo no alto-forno mas numa quantidade que varia de 40 a 60 sendo

o restante descartado para a atmosfera apoacutes a queima nas tochas

Em processos de geraccedilatildeo de eletricidade por meio da cogeraccedilatildeo o uso do gaacutes de

alto-forno eacute adequado uma vez que o calor rejeitado ainda pode ser parcialmente

convertido em energia uacutetil Assim o aproveitamento do gaacutes de alto-forno tem se

tornado fundamental no processo de produccedilatildeo de ferro-gusa

Algumas usinas sideruacutergicas jaacute possuem centrais termeleacutetricas utilizando os gases

oriundos dos processos de fabricaccedilatildeo do ferro-gusa que satildeo queimados em

caldeiras para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Parte significativa dessa cogeraccedilatildeo

destaca-se por natildeo advir da queima do gaacutes e sim do aproveitamento de

caracteriacutesticas fiacutesicas do gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia

Dessa forma eacute importante conhecer a situaccedilatildeo atual da recuperaccedilatildeo energeacutetica de

gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais e as

possibilidades para aumento desta geraccedilatildeo

Em se tratando de altos-fornos a carvatildeo vegetal tendo em vista o atual ldquoestado da

arterdquo da limpeza do gaacutes de alto-forno faz-se necessaacuterio tambeacutem conhecer a melhor

tecnologia disponiacutevel possibilitando aumentar a eficiecircncia de limpeza do gaacutes para

sua recuperaccedilatildeo energeacutetica

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3feam

Os principais objetivos do presente trabalho satildeo

bull Levantar a situaccedilatildeo atual do uso do gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia

eleacutetrica no Estado de Minas Gerais

bull Realizar um estudo da melhor tecnologia de limpeza de gaacutes de alto-forno a

carvatildeo vegetal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Os objetivos secundaacuterios satildeo

bull Levantar o cenaacuterio atual de produccedilatildeo de ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo

vegetal no Estado de Minas Gerais

bull Verificar a eficiecircncia de lavadores tipo Venturi por meio da aplicaccedilatildeo de

modelo matemaacutetico e comparar os resultados com dados fornecidos pelas

empresas em questionaacuterios e arquivos ndash Sistema Integrado de Informaccedilatildeo

Ambiental (SIAM) de Minas Gerais aleacutem de informaccedilotildees da literatura

bull Calcular o custo benefiacutecio de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno por meio

de modelo matemaacutetico

bull Calcular por meio de metodologia especiacutefica as emissotildees de dioacutexido de

carbono CO2 evitadas com a utilizaccedilatildeo de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-

forno conforme os princiacutepios do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ndash

MDL

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4feam

2 DISCUSSAtildeO E RESULTADOS

Como consequumlecircncia da compilaccedilatildeo dos dados de questionaacuterios aplicados nos altos-

fornos no Estado de Minas Gerais o setor se apresenta resumidamente conforme aFigura 21 com a distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal

Figura 21 ndash Distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal em Minas Gerais

Verifica-se que os altos-fornos a coque possuem maior capacidade produtiva e satildeo

em nuacutemero muito menor enquanto que os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem

menor capacidade produtiva e satildeo em maior nuacutemero

Atualmente em Minas Gerais existe um determinado niacutevel de produccedilatildeo

aproximadamente 1000 tdia em que se pode utilizar tanto o coque quanto o

carvatildeo vegetal Os altos-fornos a carvatildeo vegetal podem ser modificados para

utilizarem coque

21 Cenaacuterios do Aproveitamento Energeacutetico do Gaacutes de Alto-Forno ParaGeraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica

Obviamente a diferenccedila entre altos-fornos a coque e altos-fornos a carvatildeo vegetal

natildeo se esgota na diferenccedila de produccedilatildeo e tamanho dos fornos Quando se pretende

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5feam

analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 4: Manual de operação de Cadeiras

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feam

SUMAacuteRIO EXECUTIVO

Este sumaacuterio conteacutem os principais resultados que compotildeem a dissertaccedilatildeo de

mestrado ldquoUtilizaccedilatildeo do gaacutes de alto-forno para produccedilatildeo de energia na induacutestriasideruacutergica de Minas Geraisrdquo do servidor Msc Arnaldo Abranches Mota Batista da

Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente A referida dissertaccedilatildeo foi requisito parcial do

curso de Mestrado Profissionalizante em Sustentabilidade Soacutecio-econocircmica e

Ambiental realizado em conjunto com outros servidores da Fundaccedilatildeo Estadual do

Meio Ambiente Instituto Mineiro de Gestatildeo das Aacuteguas e Instituto Estadual de

Florestas no acircmbito do convecircnio firmado entre a FEAM e a Universidade Federal de

Ouro Preto (UFOP)

Este trabalho mostra a situaccedilatildeo atual do aproveitamento de gaacutes de alto-forno para

geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais por meio de levantamento

realizado nos anos de 2008 e 2009 onde eacute discutida a melhor tecnologia de limpeza

de gaacutes de alto-forno utilizando as experiecircncias do proacuteprio setor de produccedilatildeo de

ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo vegetal

O trabalho tambeacutem contemplou uma pesquisa mais detalhada dos sistemas delimpeza de gaacutes utilizados pelos empreendimentos do setor de ferro-gusa que jaacute

possuem termoeleacutetricas Para comparar os dados pesquisados em campo e nas

informaccedilotildees existentes no Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais sobre lavadores foi utilizado um modelo matemaacutetico par calcular a

eficiecircncia teoacuterica de lavadores

Aleacutem disso foi ainda adaptado um modelo de caacutelculo de custobenefiacutecio para

termoeleacutetricas a gaacutes de alto forno onde se verificaram as vantagens econocircmicas de

instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em alto-fornos a carvatildeo vegetal mesmo levando-se em

conta os investimentos adicionais em equipamentos de limpeza de gaacutes discutidos

neste estudo Por fim foram levantados provaacuteveis ganhos com creacuteditos de carbono

aplicando a metodologia do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo para caacutelculo de

emissotildees evitadas de dioacutexido de carbono (CO2)

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2feam

1 INTRODUCcedilAtildeO

A conservaccedilatildeo e preservaccedilatildeo de energia devem ser prioridades em todos os

empreendimentos por razotildees econocircmicas e ambientais principalmente devido agravenecessidade de um balanccedilo positivo quanto agraves emissotildees de gases que provocam o

efeito estufa visando contribuir na minimizaccedilatildeo do aquecimento global do planeta

A sideruacutergica mineira eacute um segmento industrial relevante inclusive no cenaacuterio

nacional Identifica-se nesse setor o gaacutes de alto-forno da produccedilatildeo de ferro-gusa

com elevada temperatura e teores de monoacutexido de carbono (CO) como principal

perda energeacutetica pelo fato de natildeo ser totalmente utilizado como redutor no processoprodutivo O gaacutes de alto-forno eacute parcialmente utilizado hoje para preacute-aquecimento do

ar de processo no alto-forno mas numa quantidade que varia de 40 a 60 sendo

o restante descartado para a atmosfera apoacutes a queima nas tochas

Em processos de geraccedilatildeo de eletricidade por meio da cogeraccedilatildeo o uso do gaacutes de

alto-forno eacute adequado uma vez que o calor rejeitado ainda pode ser parcialmente

convertido em energia uacutetil Assim o aproveitamento do gaacutes de alto-forno tem se

tornado fundamental no processo de produccedilatildeo de ferro-gusa

Algumas usinas sideruacutergicas jaacute possuem centrais termeleacutetricas utilizando os gases

oriundos dos processos de fabricaccedilatildeo do ferro-gusa que satildeo queimados em

caldeiras para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Parte significativa dessa cogeraccedilatildeo

destaca-se por natildeo advir da queima do gaacutes e sim do aproveitamento de

caracteriacutesticas fiacutesicas do gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia

Dessa forma eacute importante conhecer a situaccedilatildeo atual da recuperaccedilatildeo energeacutetica de

gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais e as

possibilidades para aumento desta geraccedilatildeo

Em se tratando de altos-fornos a carvatildeo vegetal tendo em vista o atual ldquoestado da

arterdquo da limpeza do gaacutes de alto-forno faz-se necessaacuterio tambeacutem conhecer a melhor

tecnologia disponiacutevel possibilitando aumentar a eficiecircncia de limpeza do gaacutes para

sua recuperaccedilatildeo energeacutetica

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3feam

Os principais objetivos do presente trabalho satildeo

bull Levantar a situaccedilatildeo atual do uso do gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia

eleacutetrica no Estado de Minas Gerais

bull Realizar um estudo da melhor tecnologia de limpeza de gaacutes de alto-forno a

carvatildeo vegetal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Os objetivos secundaacuterios satildeo

bull Levantar o cenaacuterio atual de produccedilatildeo de ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo

vegetal no Estado de Minas Gerais

bull Verificar a eficiecircncia de lavadores tipo Venturi por meio da aplicaccedilatildeo de

modelo matemaacutetico e comparar os resultados com dados fornecidos pelas

empresas em questionaacuterios e arquivos ndash Sistema Integrado de Informaccedilatildeo

Ambiental (SIAM) de Minas Gerais aleacutem de informaccedilotildees da literatura

bull Calcular o custo benefiacutecio de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno por meio

de modelo matemaacutetico

bull Calcular por meio de metodologia especiacutefica as emissotildees de dioacutexido de

carbono CO2 evitadas com a utilizaccedilatildeo de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-

forno conforme os princiacutepios do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ndash

MDL

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4feam

2 DISCUSSAtildeO E RESULTADOS

Como consequumlecircncia da compilaccedilatildeo dos dados de questionaacuterios aplicados nos altos-

fornos no Estado de Minas Gerais o setor se apresenta resumidamente conforme aFigura 21 com a distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal

Figura 21 ndash Distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal em Minas Gerais

Verifica-se que os altos-fornos a coque possuem maior capacidade produtiva e satildeo

em nuacutemero muito menor enquanto que os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem

menor capacidade produtiva e satildeo em maior nuacutemero

Atualmente em Minas Gerais existe um determinado niacutevel de produccedilatildeo

aproximadamente 1000 tdia em que se pode utilizar tanto o coque quanto o

carvatildeo vegetal Os altos-fornos a carvatildeo vegetal podem ser modificados para

utilizarem coque

21 Cenaacuterios do Aproveitamento Energeacutetico do Gaacutes de Alto-Forno ParaGeraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica

Obviamente a diferenccedila entre altos-fornos a coque e altos-fornos a carvatildeo vegetal

natildeo se esgota na diferenccedila de produccedilatildeo e tamanho dos fornos Quando se pretende

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5feam

analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 5: Manual de operação de Cadeiras

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2feam

1 INTRODUCcedilAtildeO

A conservaccedilatildeo e preservaccedilatildeo de energia devem ser prioridades em todos os

empreendimentos por razotildees econocircmicas e ambientais principalmente devido agravenecessidade de um balanccedilo positivo quanto agraves emissotildees de gases que provocam o

efeito estufa visando contribuir na minimizaccedilatildeo do aquecimento global do planeta

A sideruacutergica mineira eacute um segmento industrial relevante inclusive no cenaacuterio

nacional Identifica-se nesse setor o gaacutes de alto-forno da produccedilatildeo de ferro-gusa

com elevada temperatura e teores de monoacutexido de carbono (CO) como principal

perda energeacutetica pelo fato de natildeo ser totalmente utilizado como redutor no processoprodutivo O gaacutes de alto-forno eacute parcialmente utilizado hoje para preacute-aquecimento do

ar de processo no alto-forno mas numa quantidade que varia de 40 a 60 sendo

o restante descartado para a atmosfera apoacutes a queima nas tochas

Em processos de geraccedilatildeo de eletricidade por meio da cogeraccedilatildeo o uso do gaacutes de

alto-forno eacute adequado uma vez que o calor rejeitado ainda pode ser parcialmente

convertido em energia uacutetil Assim o aproveitamento do gaacutes de alto-forno tem se

tornado fundamental no processo de produccedilatildeo de ferro-gusa

Algumas usinas sideruacutergicas jaacute possuem centrais termeleacutetricas utilizando os gases

oriundos dos processos de fabricaccedilatildeo do ferro-gusa que satildeo queimados em

caldeiras para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica Parte significativa dessa cogeraccedilatildeo

destaca-se por natildeo advir da queima do gaacutes e sim do aproveitamento de

caracteriacutesticas fiacutesicas do gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia

Dessa forma eacute importante conhecer a situaccedilatildeo atual da recuperaccedilatildeo energeacutetica de

gaacutes de alto-forno para a geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais e as

possibilidades para aumento desta geraccedilatildeo

Em se tratando de altos-fornos a carvatildeo vegetal tendo em vista o atual ldquoestado da

arterdquo da limpeza do gaacutes de alto-forno faz-se necessaacuterio tambeacutem conhecer a melhor

tecnologia disponiacutevel possibilitando aumentar a eficiecircncia de limpeza do gaacutes para

sua recuperaccedilatildeo energeacutetica

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3feam

Os principais objetivos do presente trabalho satildeo

bull Levantar a situaccedilatildeo atual do uso do gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia

eleacutetrica no Estado de Minas Gerais

bull Realizar um estudo da melhor tecnologia de limpeza de gaacutes de alto-forno a

carvatildeo vegetal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Os objetivos secundaacuterios satildeo

bull Levantar o cenaacuterio atual de produccedilatildeo de ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo

vegetal no Estado de Minas Gerais

bull Verificar a eficiecircncia de lavadores tipo Venturi por meio da aplicaccedilatildeo de

modelo matemaacutetico e comparar os resultados com dados fornecidos pelas

empresas em questionaacuterios e arquivos ndash Sistema Integrado de Informaccedilatildeo

Ambiental (SIAM) de Minas Gerais aleacutem de informaccedilotildees da literatura

bull Calcular o custo benefiacutecio de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno por meio

de modelo matemaacutetico

bull Calcular por meio de metodologia especiacutefica as emissotildees de dioacutexido de

carbono CO2 evitadas com a utilizaccedilatildeo de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-

forno conforme os princiacutepios do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ndash

MDL

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4feam

2 DISCUSSAtildeO E RESULTADOS

Como consequumlecircncia da compilaccedilatildeo dos dados de questionaacuterios aplicados nos altos-

fornos no Estado de Minas Gerais o setor se apresenta resumidamente conforme aFigura 21 com a distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal

Figura 21 ndash Distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal em Minas Gerais

Verifica-se que os altos-fornos a coque possuem maior capacidade produtiva e satildeo

em nuacutemero muito menor enquanto que os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem

menor capacidade produtiva e satildeo em maior nuacutemero

Atualmente em Minas Gerais existe um determinado niacutevel de produccedilatildeo

aproximadamente 1000 tdia em que se pode utilizar tanto o coque quanto o

carvatildeo vegetal Os altos-fornos a carvatildeo vegetal podem ser modificados para

utilizarem coque

21 Cenaacuterios do Aproveitamento Energeacutetico do Gaacutes de Alto-Forno ParaGeraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica

Obviamente a diferenccedila entre altos-fornos a coque e altos-fornos a carvatildeo vegetal

natildeo se esgota na diferenccedila de produccedilatildeo e tamanho dos fornos Quando se pretende

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5feam

analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 6: Manual de operação de Cadeiras

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3feam

Os principais objetivos do presente trabalho satildeo

bull Levantar a situaccedilatildeo atual do uso do gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia

eleacutetrica no Estado de Minas Gerais

bull Realizar um estudo da melhor tecnologia de limpeza de gaacutes de alto-forno a

carvatildeo vegetal para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

Os objetivos secundaacuterios satildeo

bull Levantar o cenaacuterio atual de produccedilatildeo de ferro-gusa em altos-fornos a carvatildeo

vegetal no Estado de Minas Gerais

bull Verificar a eficiecircncia de lavadores tipo Venturi por meio da aplicaccedilatildeo de

modelo matemaacutetico e comparar os resultados com dados fornecidos pelas

empresas em questionaacuterios e arquivos ndash Sistema Integrado de Informaccedilatildeo

Ambiental (SIAM) de Minas Gerais aleacutem de informaccedilotildees da literatura

bull Calcular o custo benefiacutecio de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno por meio

de modelo matemaacutetico

bull Calcular por meio de metodologia especiacutefica as emissotildees de dioacutexido de

carbono CO2 evitadas com a utilizaccedilatildeo de uma termoeleacutetrica a gaacutes de alto-

forno conforme os princiacutepios do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ndash

MDL

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4feam

2 DISCUSSAtildeO E RESULTADOS

Como consequumlecircncia da compilaccedilatildeo dos dados de questionaacuterios aplicados nos altos-

fornos no Estado de Minas Gerais o setor se apresenta resumidamente conforme aFigura 21 com a distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal

Figura 21 ndash Distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal em Minas Gerais

Verifica-se que os altos-fornos a coque possuem maior capacidade produtiva e satildeo

em nuacutemero muito menor enquanto que os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem

menor capacidade produtiva e satildeo em maior nuacutemero

Atualmente em Minas Gerais existe um determinado niacutevel de produccedilatildeo

aproximadamente 1000 tdia em que se pode utilizar tanto o coque quanto o

carvatildeo vegetal Os altos-fornos a carvatildeo vegetal podem ser modificados para

utilizarem coque

21 Cenaacuterios do Aproveitamento Energeacutetico do Gaacutes de Alto-Forno ParaGeraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica

Obviamente a diferenccedila entre altos-fornos a coque e altos-fornos a carvatildeo vegetal

natildeo se esgota na diferenccedila de produccedilatildeo e tamanho dos fornos Quando se pretende

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5feam

analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 7: Manual de operação de Cadeiras

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4feam

2 DISCUSSAtildeO E RESULTADOS

Como consequumlecircncia da compilaccedilatildeo dos dados de questionaacuterios aplicados nos altos-

fornos no Estado de Minas Gerais o setor se apresenta resumidamente conforme aFigura 21 com a distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal

Figura 21 ndash Distribuiccedilatildeo dos altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal em Minas Gerais

Verifica-se que os altos-fornos a coque possuem maior capacidade produtiva e satildeo

em nuacutemero muito menor enquanto que os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem

menor capacidade produtiva e satildeo em maior nuacutemero

Atualmente em Minas Gerais existe um determinado niacutevel de produccedilatildeo

aproximadamente 1000 tdia em que se pode utilizar tanto o coque quanto o

carvatildeo vegetal Os altos-fornos a carvatildeo vegetal podem ser modificados para

utilizarem coque

21 Cenaacuterios do Aproveitamento Energeacutetico do Gaacutes de Alto-Forno ParaGeraccedilatildeo de Energia Eleacutetrica

Obviamente a diferenccedila entre altos-fornos a coque e altos-fornos a carvatildeo vegetal

natildeo se esgota na diferenccedila de produccedilatildeo e tamanho dos fornos Quando se pretende

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5feam

analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 8: Manual de operação de Cadeiras

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5feam

analisar o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica

eacute importante verificar a disparidade que existe nas pressotildees de topo vazotildees e

concentraccedilatildeo de material particulado nos gases da chamineacute do Glendon ou Cowper 1

como mostrado na Figura 22

Figura 22 ndash Altos-fornos a coque e a carvatildeo vegetal no Estado de Minas Gerais

No entanto quando examinamos somente os altos-fornos a carvatildeo vegetal natildeo

verificamos uma relaccedilatildeo muito clara entre pressatildeo de topo vazatildeo de gaacutes e

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes O motivo disto seraacute discutido neste trabalho

Os valores de variaccedilatildeo de material particulado e pressatildeo de topo apresentados na

Figura 22 satildeo apenas um indicativo da realidade natildeo podendo ser interpretadocomo valores exatos mas como uma ferramenta didaacutetica para exemplificarmos a

diferenccedila de valores obtidos pelo uso de coque e de carvatildeo vegetal em Minas

Gerais

Como visto na Figura 22 os altos-fornos a coque possuem uma pressatildeo de topo

muito elevada assim como elevadas vazotildees de gaacutes e concentraccedilatildeo de material

particulado no gaacutes mais reduzidas Isto faz com que o gaacutes de alto-forno seja1 Glendon ou cowper eacute um trocador de calor destinado a preacute-aquecer o ar que seraacute soprado pelasventaneiras do alto-forno a carvatildeo vegetal

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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6feam

aproveitado para geraccedilatildeo de energia eleacutetrica por meio da utilizaccedilatildeo das chamadas

turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

As turbinas de recuperaccedilatildeo de topo satildeo utilizadas em fornos a coque devido a

energia cineacutetica do gaacutes (grande vazatildeo e grande energia de topo) e somente eacute

possiacutevel esta utilizaccedilatildeo porque o gaacutes possui baixa concentraccedilatildeo de material

particulado (inferior a 5 mgNm3)

Eacute importante salientar que neste trabalho estamos tratando do gaacutes de alto-forno

puro sem ser misturado com outros gases Quando o gaacutes de alto-forno passa pela

turbina de recuperaccedilatildeo de topo para gerar energia eleacutetrica o seu poder caloriacutefico

ainda eacute aproveitado na usina Poreacutem apoacutes passar por um balatildeo de gaacutes onde o

mesmo eacute misturado com outros gases por exemplo de coqueria e aciaria

Na Figura 23 eacute apresentado um exemplo de aproveitamento do gaacutes de alto-forno a

coque em uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo

Figura 23 ndash Aproveitamento de gaacutes de alto-forno a coque em turbina de recuperaccedilatildeo de topo

A Figura 24 mostra o layout de uma turbina de recuperaccedilatildeo de topo instalada em

Minas Gerais

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 10: Manual de operação de Cadeiras

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7feam

Figura 24 ndash Turbina de Topo empresaFonte Shaangu Group 2008

Conforme verificado na Figura 24 o princiacutepio de funcionamento da turbina de

recuperaccedilatildeo de topo eacute muito simples uma vez que o gaacutes passa pela turbina e

aciona um gerador apenas aproveitando a energia cineacutetica do gaacutes

A Tabela 21 mostra o cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo por

empreendimentos do setor sideruacutergico no Estado de Minas Gerais

Tabela 21 ndash Cenaacuterio da utilizaccedilatildeo das turbinas de recuperaccedilatildeo de topo noEstado de Minas Gerais

EmpresaCapacidade

do Forno(td)

Potecircncia daTurbina

(MW)

Pressatildeo deTopo do

Forno(mmca)

Sistemade

Limpezado Gaacutes

Vazatildeode Gaacutes(Nmsup3h)

Perda deCargaLavadorVenturi(mmca)

Concentraccedilatildeode Particulado

no Gaacutes(mgNmsup3)

1 8500 Capacidade 18 2000 1 balatildeo 480000 4000 lt 5Geraccedilatildeo 9 a 12 2 Venturi

2 7800 1045 2000 1 balatildeo 450000 4000 lt 52 Venturi

2 4155 68 2000 1 balatildeo 300000 4000 lt 52 Venturi

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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8feam

Portanto conforme a Tabela 21 existem 3 turbinas de recuperaccedilatildeo de topo

instaladas em empreendimentos do setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

gerando aproximadamente 2925 MW de energia eleacutetrica

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal possuem uma pressatildeo de topo muito inferior no

maacuteximo de 2000 mmca (98Nmsup2) quando comparada agrave pressatildeo de topo dos altos-

fornos a coque e normalmente uma alta concentraccedilatildeo de material particulado

geralmente superior a 50 mgNm3 impossibilitando a utilizaccedilatildeo de turbinas de

recuperaccedilatildeo de topo

Conforme demonstra a Figura 25 a alternativa para os altos-fornos a carvatildeo vegetal

passa a ser a termoeleacutetrica

Neste caso o poder caloriacutefico do gaacutes eacute aproveitado para sua queima em uma

caldeira para gerar vapor que por sua vez iraacute movimentar as palhetas de uma

turbina que estaraacute acoplada a um eixo de um gerador de energia eleacutetrica

As caldeiras implantadas podem ser flamotubulares ou aquatubulares conforme as

Figuras 26 e 27

Figura 25 ndash Esquema de utilizaccedilatildeo de gaacutes de alto-forno em Minas Gerais- Termoeleacutetrica

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 12: Manual de operação de Cadeiras

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9feam

Figura 26 ndash Caldeira FlamotubularFonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

Figura 27ndash Caldeira Aquatubular

Fonte Cataacutelogo da Biochamm 2008

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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10feam

Nas Tabelas 22 e 23 foram consolidadas as principais caracteriacutesticas das

termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase de implantaccedilatildeo no Estado de Minas Gerais

respectivamente

Conforme a Tabela 22 a produccedilatildeo atual de energia eleacutetrica no Estado de Minas

Gerais eacute de aproximadamente 362 MWh utilizando o gaacutes de alto-forno a carvatildeo

vegetal em termoeleacutetricas As caldeiras mistas existentes no Estado tambeacutem foram

classificadas com flamotubulares na tabela 22

Com relaccedilatildeo agrave emissatildeo demonstrada na tabela 22 natildeo foram utilizados somente os

dados fornecidos pelas empresas durante as visitas mas tambeacutem dados que foram

adquiridos pesquisando os projetos de sistemas de limpeza nos arquivos da FEAM-Fundaccedilatildeo Estadual do Meio Ambiente atraveacutes do sistema informatizado Esses

dados referem-se agrave concentraccedilatildeo de material particulado do gaacutes na chamineacute do

glendon

Quanto agraves informaccedilotildees referentes agrave frequumlecircncia das paradas estas foram fornecidas

pelas empresas durante as visitas Verifica-se que ocorrem paradas mensais

bimensais quadrimensais dependendo do teor de material particulado no gaacutes

Para reduzir estas paradas para limpeza das caldeiras propotildee-se que o teor de

particulado na chamineacute do glendon (ou da chamineacute da termoeleacutetrica) seja de no

maacuteximo 50 mgNm-3 visando tambeacutem atender a legislaccedilatildeo nacional para emissatildeo de

material particulado em sideruacutergicas integradas e para termoeleacutetricas

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feam

Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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Tabela 22 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em operaccedilatilde

Observaccedilotildees

(1) ndash Uma empresa possui 2 termoeleacutetricas

(2) ndash Somente o gaacutes do forno 2 vai para a termoeleacutetrica

Empresa FornoProduccedilatildeo

(td)Vazatildeo

(Nmsup3h)

PressatildeoTopo

(mmca)

TipoCaldeira

Produccedilatildeode Vapor

(th)

Potecircncia(kW)

Pressatildeo deVapor

(kgfcmsup2)

112

80145 8500

600600

flamotubular 12 1200 21

2123

80120160

11200

70012001700

flamotubular 25 2500 25

3(1)

1 158 11460 1000 flamotubular 13 1200 21

3 1 110 11460 900 flamotubular 13 1200 21

412

420500 21984

(2)600800

flamotubular 20 2000 21

5 1 200 10200 870 flamotubular 12 1000 21

612

282420

36667 800 aquatubular 30 5000 35

712

170330

33000 850 aquatubular 30 6000 44

8 1 440 18000 380 flamotubular 18 2000 24

912

120210

14166400700

flamotubular 20 1200 21

10 12

1200600

40500 29002800

aquatubular 60 12900 60

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 15: Manual de operação de Cadeiras

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feam

Conforme observado na tabela 23 haveraacute ainda a geraccedilatildeo de mais 11 MWh de energia eleacutetrica n

termoeleacutetricas que se encontravam em construccedilatildeo no momento da pesquisa

Tabela 23 ndash Caracteriacutesticas das termoeleacutetricas a gaacutes de alto-forno em fase de impla

Observaccedilotildees

(1) Esta empresa possui 7 fornos iguais sendo que funcionaraacute apenas com 6 fornos de 170 tdia

(2) Somente em um alto-forno

(3) Adicional refere-se a equipamentos adicionais na l inha da termoeleacutetrica

Empresa Forno Produccedilatildeo

(td)

Vazatildeo

Termoeleacutetrica

(Nmsup3h)

Pressatildeo

Topo

(mmca)

Tipo

Caldeira

Produccedilatildeo de

Vapor

(th)

Potecircncia

(kW)

1

2(2)

420

500 15800

1100

1300 aquatubular 17 2200

2 6AF(1) 170 43312 500 aquatubular 42 8800

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 16: Manual de operação de Cadeiras

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13feam

As Figuras 28 e 29 mostram as vazotildees e potencias teoacutericas comparadas com as

vazotildees e potencias das termoeleacutetricas instaladas informadas

Figura 28 ndash Dados de vazatildeo de gaacutes na entrada da termoeleacutetrica informado e calculado

Figura 29 ndash Dados de potecircncia de saiacuteda da termoeleacutetrica informada e calculada

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

8162019 Manual de operaccedilatildeo de Cadeiras

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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14feam

A potencia foi calculada utilizando-se a seguinte foacutermula

(21)

sendo

Q = vazatildeo de gaacutes no topo do alto-forno (Nmsup3h)PCI = poder caloriacutefico do gaacutes de alto-forno (kcalNm3)

η = rendimento da termoeleacutetrica

PI = potencia em kWh

Analisando as Figuras 28 e 29 observa-se que os dados calculados tanto de

vazatildeo de gaacutes quanto de potecircncia apresentaram-se maiores em relaccedilatildeo aos dados

informados pelas empresas com poucas exceccedilotildees Esse fato pode ser justificadopelo fato de que na realidade a maior parte do gaacutes eacute dirigido ao glendon e natildeo agrave

termoeleacutetrica e tambeacutem as empresas foram conservadoras ao dimensionar as

termoeleacutetricas visando garantir mais gaacutes para os glendon s enquanto que os dados

calculados satildeo estimados de acordo com a produccedilatildeo total de cada forno em plena

operaccedilatildeo

A Figura 210 apresentada a distribuiccedilatildeo de termoeleacutetricas em operaccedilatildeo e em fase

de implantaccedilatildeo por municiacutepio no Estado de Minas Gerais

Figura 210 ndash Distribuiccedilatildeo das termoeleacutetricas por municiacutepio em Minas Gerais

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15feam

22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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22 ndash Configuraccedilotildees de Sistemas de Limpeza de Gaacutes de Alto-Forno aCarvatildeo Vegetal em Termoeleacutetricas no Estado de Minas Gerais

As Figuras 211 a 218 a seguir representam esquematicamente as principais

configuraccedilotildees de sistemas de limpeza de gaacutes de alto-forno que eacute queimado em

termoeleacutetricas instaladas no Estado

Onde nestas figuras

P topo = Pressatildeo de Topo do alto-forno em mmca (98 Nmsup2)

50 = Porcentagem do gaacutes que eacute dirigido para termoeleacutetrica ou para o glendon

P entrada = Pressatildeo do gaacutes na entrada da caldeira da termoeleacutetricaTeor de Particulado = Teor de material particulado no gaacutes medido na chamineacute do

glendon

Figura 211 ndash Configuraccedilatildeo 1 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 1 a pressatildeo de topo do alto-forno eacute reduzida da ordem de

600 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que o empreendimento adote um sistema de

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 19: Manual de operação de Cadeiras

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16feam

controle de limpeza de gaacutes de baixa eficiecircncia que consiste de balatildeo (separador

gravimeacutetrico) e multiciclone

A empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com outro multiciclone na

linha da termoeleacutetrica o que adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de

particulado seja considerada alta maior que 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por utilizar como ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) o proacuteprio ventilador da termoeleacutetrica o que natildeo

eacute recomendado pelos fabricantes de caldeira por elevar o niacutevel de riscos de

explosatildeo

A empresa neste caso se preocupou em apenas melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com elevados teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessita-se de mais gaacutes no

glendon faltando gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 212 ndash Configuraccedilatildeo 2 do sistema de gaacutes de alto-forno

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 20: Manual de operação de Cadeiras

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17feam

Nesta Configuraccedilatildeo 2 a empresa tambeacutem opera com pressatildeo de topo do alto-forno

pequena na ordem de 700 mmca (98Nmsup2) fazendo com que seja adotado um

sistema de controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico)

e multiciclone

Neste caso a empresa tentou compensar a baixa eficiecircncia de limpeza com a

implantaccedilatildeo de um lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica o que

tambeacutem adiantou pouco fazendo com que a concentraccedilatildeo de particulado seja

considerada alta na faixa de 100 a 150 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo a empresa optou por implantar um ventilador adicional (para

compensar a baixa pressatildeo na linha) Este ventilador no entanto constantementeprecisa ser limpo porque o gaacutes com particulado natildeo permite o seu funcionamento

correto (sujando as palhetas) Aleacutem disso existe tambeacutem o risco de explosatildeo devido

agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno A empresa tambeacutem

neste caso preocupou se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para

a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o

glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de particulado

prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 213 - Configuraccedilatildeo 3 do sistema de gaacutes de alto-forno

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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18feam

Nesta Configuraccedilatildeo 3 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno muito

pequena na ordem de 400 mmca (98 Nmsup2) e a empresa adota um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e dois

lavadores de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de mais um

lavador de baixa energia na linha da termoeleacutetrica e um ventilador depois do lavador

para compensar a perda de carga necessaacuteria O conteuacutedo de particulado para a

termoeleacutetrica eacute considerada alta na faixa de 100 mgNm3 Este ventilador por estar

depois do lavador requer menos limpeza porque o gaacutes estaacute com menor

concentraccedilatildeo de particulado poreacutem neste caso tambeacutem ocorre risco de explosatildeo

devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

A empresa tambeacutem neste caso preocupou-se apenas em melhorar a limpeza de gaacutes

que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 214 ndash Configuraccedilatildeo 4 do sistema de gaacutes de alto-forno

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Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 22: Manual de operação de Cadeiras

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19feam

Nesta Configuraccedilatildeo 4 a empresa opera com pressatildeo de topo do alto-forno baixa na

ordem de 800 mmca (98 Nmsup2) e adota um sistema de controle de baixa eficiecircncia

consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador de baixa energia

A empresa compensou a baixa eficiecircncia de limpeza com a implantaccedilatildeo de um

lavador Venturi na linha da termoeleacutetrica e um ventilador antes do lavador para

compensar a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes ateacute a termoeleacutetrica O

conteuacutedo de particulado medido eacute na faixa de 70 mgNm3 devido agrave boa eficiecircncia do

lavador Venturi

Este ventilador por estar antes do Venturi requer muitas paradas para limpeza de

suas paacutes para natildeo desbalancear sendo que tambeacutem neste caso existe o risco deexplosatildeo devido agrave presenccedila de pressatildeo negativa na linha de gaacutes de alto-forno

Similar agraves configuraccedilotildees anteriores essa empresa tambeacutem se preocupou apenas

em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se

preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute dirigido para o glendon fazendo com que

continue com altos teores de particulado prejudicando a sua eficiecircncia de operaccedilatildeo

Figura 215 ndash Configuraccedilatildeo 5 do sistema de gaacutes de alto-forno

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 23: Manual de operação de Cadeiras

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20feam

A Configuraccedilatildeo 5 na realidade foi um teste realizado em uma das empresas com

termoeleacutetrica em implantaccedilatildeo sendo pequena a pressatildeo de topo do alto-forno na

ordem de 500 mmca (98 Nmsup2) fazendo com que seja adotado um sistema de

controle de baixa eficiecircncia consistindo de balatildeo (separador gravimeacutetrico) e lavador

de baixa energia

Para compensar a baixa eficiecircncia de limpeza a empresa instalou de um filtro de

mangas na linha da termoeleacutetrica o que natildeo funcionou uma vez que a umidade e o

conteuacutedo de alcatratildeo no gaacutes natildeo permitiram o funcionamento a contento do filtro de

mangas ocasionando o entupimento das mangas A tentativa era de alcanccedilar uma

emissatildeo de 50 mgNm3 na chamineacute da termoeleacutetrica Nesta configuraccedilatildeo a empresa

optou por utilizar um ventilador adicional para compensar a perda de carganecessaacuteria

A empresa se preocupou tambeacutem somente em melhorar a limpeza de gaacutes que eacute

dirigido para a termoeleacutetrica natildeo se preocupando com a limpeza do gaacutes que eacute

dirigido para o glendon fazendo que o mesmo continue com altos teores de

particulado Para manter a temperatura de sopro necessitar-se-ia de mais gaacutes no

glendon o que diminuiria o gaacutes para a termoeleacutetrica

Figura 216 - Configuraccedilatildeo 6 do sistema de gaacutes de alto-forno

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 24: Manual de operação de Cadeiras

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21feam

Figura 217 -Configuraccedilatildeo 7 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nas Configuraccedilotildees 6 e 7 que correspondem as Figuras 216 e 217

respectivamente trecircs empreendimentos optaram por instalar um equipamento delimpeza de gaacutes de maior eficiecircncia constituiacutedo pelo o lavador Venturi No entanto

optaram por lavadores Venturi de baixa energia

Estas configuraccedilotildees possuem a vantagem de se obter um gaacutes mais limpo para ser

dirigido agrave termoeleacutetrica e ainda permitem limpar o gaacutes que eacute dirigido ao glendon No

entanto natildeo alcanccedilaram a eficiecircncia necessaacuteria para se obter uma concentraccedilatildeo de

50 mgNm3 medida na chamineacute do glendon sugerida por este trabalho

Na configuraccedilatildeo 7 algumas empresas optaram por adicionar um ventilador na linha

da termoeleacutetrica para ajudar a vencer a perda de carga necessaacuteria para dirigir o gaacutes

porque as pressotildees de topo dos fornos natildeo satildeo altas o suficiente Esta opccedilatildeo como

discutido anteriormente eacute preocupante porque pode estar criando pressatildeo negativa

na linha de gaacutes de alto-forno fazendo com que provaacutevel injeccedilatildeo de ar na linha cause

risco de explosatildeo Foram relatados pelo menos dois casos que tal fato ocorrera

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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22feam

Pelo menos uma empresa modificou a casa de maacutequina para aumentar a pressatildeo de

topo evitando a utilizaccedilatildeo do ventilador adicional

Figura 218 - Configuraccedilatildeo 8 do sistema de gaacutes de alto-forno

Nesta Configuraccedilatildeo 8 o alto-forno possui alta pressatildeo de topo proporcionando a

utilizaccedilatildeo de lavadores Venturi de alta energia e alta eficiecircncia sendo que a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes antes da termoeleacutetrica eacute menor que

10 mgNm3

Nesta configuraccedilatildeo o glendon tambeacutem fica limpo e a casa de maacutequina utiliza o turbo

compressor Ocorre parada para limpeza da caldeira somente com as paradas

programadas dos altos- fornos

Eacute importante destacar que a concentraccedilatildeo de material particulado em todas estas

configuraccedilotildees satildeo medidas nos glendon s Portanto deve-se levar em consideraccedilatildeo

o ar de combustatildeo utilizado no glendon que eleva a quantidade do gaacutes de

combustatildeo em aproximadamente 25 vezes o gaacutes de alto-forno Aleacutem disso natildeo foi

considerado o carbono presente no particulado do gaacutes (aproximadamente 40 ) que

pode ser queimado nos glendons e nas tochas

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 26: Manual de operação de Cadeiras

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23feam

23 Cenaacuterio do Setor de Produccedilatildeo de Ferro-Gusa a Carvatildeo Vegetal noEstado de Minas Gerais

Conforme a metodologia proposta no projeto procurou-se utilizando a proacutepria

experiecircncia do setor de ferro-gusa a carvatildeo vegetal detectar as melhores

tecnologias de processo e limpeza de gaacutes de alto-forno que poderiam ser

aproveitadas pelas demais empresas

Para tanto foi realizado o diagnoacutestico do setor referente aos anos de 2008 e 2009

por meio de consulta ao Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental (SIAM) de

Minas Gerais e de visitas teacutecnicas aos empreendimentos que respondiam um

questionaacuterio desenvolvido especificamente para a coleta de dados teacutecnicos do setor

O setor produtor de ferro-gusa possui um total de 74 empresas a carvatildeo vegetal no

Estado de Minas Gerais sendo que dentre elas uma estava em construccedilatildeo e oito

empresas estavam com as atividades paradas haacute anos por intervenccedilatildeo judicial ou

por se tratar de massa falida Essa parcela corresponde a 12 das empresas do

setor

Das 65 empresas agrave carvatildeo vegetal restantes seis natildeo responderam ao questionaacuterio

o que corresponde a 9 das empresas visitadas Dentre as 59 empresas que

preencheram o questionaacuterio apenas 29 empresas estavam operando pelo menos

um forno o que corresponde a 49 deste total em atividade as demais natildeo se

encontrava em operaccedilatildeo

A Figura 219 mostra a relaccedilatildeo de empresas por municiacutepio considerando as 65empresas analisadas

O setor sideruacutergico possui atualmente 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de

funcionamento e quatro paralisados haacute vaacuterios anos sendo desconsiderados nesse

levantamento

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 27: Manual de operação de Cadeiras

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24feam

Figura 219 ndash Distribuiccedilatildeo dos empreendimentos do setor de ferro-gusa por municiacutepio noEstado de Minas Gerais

A Figura 220 mostra a capacidade instalada unitaacuteria considerando o total de alto-

fornos em condiccedilotildees de funcionamento A capacidade de produccedilatildeo total destes

fornos por dia eacute de 27515 toneladas de gusa De acordo com os dados obtidos o

total de carvatildeo vegetal consumido pelas empresas foi de 73703 msup3d com exceccedilatildeo

de duas empresas que natildeo informaram o consumo de carvatildeo O consumo especiacutefico

meacutedio de energia eleacutetrica eacute de 84 kwh por tonelada produzida

Figura 220 - Capacidade instalada unitaacuteria (td) por nuacutemero de alto-fornos em condiccedilotildees defuncionamento

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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25feam

O levantamento verificou junto agraves empresas o tipo de vazamento de gusa podendo

esse ser contiacutenuo ou intermitente demonstrado na Figura 221

Figura 221 ndash Percentagem de alto-fornos com vazamento contiacutenuo ou intermitente de gusa

Outro dado analisado no levantamento se refere agrave presenccedila de sistema de injeccedilatildeode finos conforme a distribuiccedilatildeo percentual apresentada na Figura 222 onde se

observou que dos 98 fornos analisados ainda a maior parte natildeo possui sistema de

injeccedilatildeo de finos

Figura 222 ndash Percentagem de alto-fornos que possuem sistema de injeccedilatildeo de finos de carvatildeovegetal

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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26feam

Aleacutem do sistema de injeccedilatildeo de finos tambeacutem foram obtidas informaccedilotildees nesse

levantamento quanto agraves caracteriacutesticas dos glendons como a percentagem de

glendons em relaccedilatildeo ao total de alto-fornos analisados apresentado na Figura 223

a percentagem de queimadores por glendon conforme a Figura 224 e a

porcentagem de empresas com sopradores de ar combustatildeo nos glendons

Figura 225

Figura 223 ndash Percentagem de glendons em relaccedilatildeo ao nuacutemero total de alto-forno

Figura 224 - Porcentagem de queimadores por glendon

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Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 30: Manual de operação de Cadeiras

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27feam

Figura 225 ndash Percentagem de empresas dotadas de sopradores de ar combustatildeo nosglendons

Outra caracteriacutestica analisada se refere agrave posiccedilatildeo da chamineacute nos glendons cuja

distribuiccedilatildeo por eacute apresentada na Figura 226

Figura 226 ndash Distribuiccedilatildeo percentual da posiccedilatildeo de chamineacutes nos glendons

Ainda referente ao processo produtivo as informaccedilotildees referentes agrave tocha satildeo

mostradas na Figura 227

Das 98 tochas existentes cerca de 64 possuem igniccedilatildeo manual o que equivale a86 dos alto-fornos analisados

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 31: Manual de operação de Cadeiras

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28feam

Figura 227 - Porcentagem de tochas com igniccedilatildeo manual ou automaacutetica

A Figura 228 mostra as faixas do iacutendice de produtividade de cada alto-forno sendo

esse iacutendice determinado pela divisatildeo da produccedilatildeo do forno pelo seu volume uacutetil

conforme a abaixo

E = P V (22)

Onde

V = volume uacutetil do alto-forno (m3)

P = produccedilatildeo diaacuteria de ferro-gusa (td)

Figura 228 - Porcentagem de altos-fornos com variados iacutendices de produtividade

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 32: Manual de operação de Cadeiras

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29feam

Conforme observado na Figura 228 a maior parte das empresas possuem iacutendice de

produtividade variando na faixa de 20 a 25

Os dados de pressatildeo de topo foram correlacionados agrave potecircncia total dos

ventiladores agrave produccedilatildeo e agrave pressatildeo de sopro e estatildeo apresentados nas Figuras

229 230 e 231

Figura 229 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e potecircncia total dos ventiladores

Figura 230 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e produccedilatildeo

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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30feam

Figura 231 ndash Relaccedilatildeo entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

Observa-se na Figura 229 a falta de correlaccedilatildeo matemaacutetica entre pressatildeo de topo e

potencia total de ventiladores (Rsup2 pequeno) a despeito de teoricamente ser

esperada essa correlaccedilatildeo uma vez que quanto maior potencia maior deveria ser a

pressatildeo de topo Este fato nos mostra que existem problemas de perda de pressatildeo

nos fornos muito frequentemente devido a vazamentos no sistema decarregamento problemas de projeto e desgaste

O mesmo vale para a Figura 231 onde tambeacutem deveria haver uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica entre pressatildeo de topo e pressatildeo de sopro

A Figura 230 demonstra que os fornos com vazamento intermitente trabalham com

uma pressatildeo de sopro maior que os fornos com vazamento contiacutenuo o que confirmauma preocupaccedilatildeo constante pelas empresas detectada na aplicaccedilatildeo dos

questionaacuterios de que esses fornos com vazamento contiacutenuo precisam trabalhar

com pressatildeo de topo menor para que a escoacuteria natildeo vaze pelo canal de gusa devido

a diminuiccedilatildeo da chamada zona de amolecimento no forno

Natildeo foi possiacutevel avaliar se trabalhar com pressatildeo de topo menor em forno com

vazamento contiacutenuo eacute funccedilatildeo desta ldquocrenccedilardquo de vazamento de escoacuteria ou se eacute

teacutecnicamente necessaacuteria Tambeacutem natildeo foi possiacutevel observar uma correlaccedilatildeo

matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

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31feam

Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 34: Manual de operação de Cadeiras

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Figura 232 ndash a) Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes da coroa e vazatildeo de gaacutes de topo do alto-fornob) mesma relaccedilatildeo em a) considerando apenas os dados aproximados

Em teoria deveria haver uma correlaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes na coroa e vazatildeo de

gaacutes no topo e esta relaccedilatildeo entre pressatildeo topo e pressatildeo da coroa ( que seria o

coeficiente angular) deveria ser aproximadamente entre 14 e 15 devido ao balanccedilo

de Nitrogenio o que natildeo foi detectado na Figura 232a Infelizmente isto demonstra

que grande parte das empresas natildeo tem conhecimento da vazatildeo de gaacutes no topo do

alto-forno sendo que muitas responderam no questionaacuteruio que a vazatildeo de topo eacute a

mesma na coroa

Desta forma os dados considerados equivocados foram desconsiderados e a Figura

232b mostra uma correlaccedilatildeo entre vazatildeo de topo e vazatildeo na coroa

Figura 233 ndash a) Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes do topo do alto-forno b) mesmarelaccedilatildeo de a) considerando apenas os dados aproximados

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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32feam

Assim como na Figura 232 na Figura 233 a relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e vazatildeo do gaacutes

de topo teoricamente deveria existir e seria na ordem de 2100 a 2300 Nmsup3 de gaacutes

por tonelada produzida Pelos mesmos motivos da Figura 232 (desconhecimento

teacutecnico dos entrevistados) esta correlaccedilatildeo somente eacute observada na Figura 233b

Figura 234 - Relaccedilatildeo entre consumo de carvatildeo vegetal e pressatildeo de topo

A Figura 234 mostra a relaccedilatildeo entre o consumo de carvatildeo vegetal e a pressatildeo detopo onde observa-se atraveacutes do baixo valor de Rsup2 que natildeo haacute uma relaccedilatildeo direta

entre as variaacuteveis percebendo-se no entanto uma importante tendecircncia de menor

consumo de carvatildeo com o aumento da pressatildeo de topo

Figura 235 - Relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de carvatildeo vegetal

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 36: Manual de operação de Cadeiras

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33feam

Na anaacutelise da Figura 235 a relaccedilatildeo entre temperatura de sopro e consumo de

carvatildeo vegetal pode ser entendida no sentido de que com o aumento da

temperatura de sopro ocorrre uma dimiuiccedilatildeo do consumo de carvatildeo vegetal uma

vez que diminui a necessidade energeacutetica do carvatildeo

As interpretaccedilotildees das Figuras 234 e 235 podem ser complementares uma vez que

aumentando a pressatildeo de topo existe maior disponibilidade de energia para limpeza

do gaacutes e portanto um gaacutes mais limpo eacute dirigido ao glendon aumentando a

eficiencia do mesmo e consequentemente aumentando a temperatura de sopro

diminuindo a necessidade de consumo de carvatildeo Esta anaacutelise natildeo leva em conta

aspectos metaluacutergicos como a melhoria da permeabidade da carga favorecendo as

reaccedilotildees quiacutemicas envolvidas e diminuindo a necessidade de carvatildeo com o aumentoda pressatildeo

Na Figura 236 observa-se que um menor consumo de carvatildeo eacute alcanccedilado com

empresas que utilizam sistemas de injeccedilatildeo de fino

Figura 236 - Relaccedilatildeo entre produccedilatildeo e consumo de carvatildeo vegetal

As Figuras 237 e 238 relacionam o volume uacutetil do forno a potecircncia total dos

ventiladores e a produccedilatildeo

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 37: Manual de operação de Cadeiras

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34feam

Figura 237 ndash Relaccedilatildeo entre o volume uacutetil do alto-forno e potecircncia total dos ventiladores

Figura 238 ndash Relaccedilatildeo volume uacutetil do alto-forno e produccedilatildeo de ferro-gusa

Uma relaccedilatildeo direta foi observada nas Figuras 237 e 238 demonstrando uma

necessidade de maior potecircncia dos ventiladores para uma maior vazatildeo de sopro na

coroa agrave medida que se tem um forno com volume uacutetil maior e tambeacutem umapossibilidade de produccedilatildeo de gusa maior Entretanto nota-se que natildeo eacute a uacutenica

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 38: Manual de operação de Cadeiras

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35feam

condiccedilatildeo visto que haacute fornos com o mesmo volume uacutetil de outros fornos que

alcanccedilam uma produccedilatildeo maior o que jaacute foi apresentado na Figura 228 onde

demonstrou diferentes iacutendices de produtividade dos fornos

Quanto ao de sistema de limpeza dos gases dos altos-fornos adotado pelo setor no

estado de Minas Gerias sua distribuiccedilatildeo eacute apresentada na Figura 239 A anaacutelise

dos sistemas de tratamento de gases de alto-forno foi realizada considerando os

tipos de sistemas mais utilizados equivalentes ao sistema a seco e uacutemido sendo

esse uacuteltimo constituiacutedo por lavador comum ou Venturi Os fornos definidos por

sistema a seco apresentam somente esse tipo de limpeza dos gases enquanto os

fornos com lavadores tambeacutem possuem sistema a seco

Figura 239 ndash Distribuiccedilatildeo percentual do tipo de sistemas de limpeza de gases a seco ouuacutemido adotados pelo setor de ferro-gusa no Estado de Minas Gerais

Aleacutem dos sistemas tratamento de efluentes atmosfeacutericos foram analisados tambeacutem

os sistemas de tratamento da aacutegua de lavagem dos gasesFigura 240 e sistema dedesidrataccedilatildeo do lodo Figura 241

Observa-se que a metade das empresas do setor que utilizam lavadores ainda utiliza

o sistema de decantadores retangulares cuja dificuldade de retirada do lodo eacute bem

maior e apresentam uma eficiencia no caso de altos-fornos bem menor que os

decantadores cirulares Tambeacutem eacute preocupante que 63 das empresas natildeo

utilizam nenhum sistema de desidrataccedilatildeo do lodo

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 39: Manual de operação de Cadeiras

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36feam

Figura 240 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de tratamentos das aacuteguas de lavagem de

gaacutes por tipo adotado pelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Figura 241 ndash Distribuiccedilatildeo percentual dos sistemas de desidrataccedilatildeo de lodo por tipo adotadopelo setor de ferro-gusa em Minas Gerais

Egrave muito importante que as empresas utilizem um sistema eficiente de sedimentaccedilatildeo

e tratamento do lodo para recircular a aacutegua para o lavador visando natildeo soacute amelhoria da limpeza do gaacutes do alto-forno mas tambeacutem a aacutegua de limpeza do gaacutes eacute

muito toacutexica chegando a ter niacuteveis de fenoacuteis na ordem de 600 mgL natildeo podendo

ser descartada em corpo receptor

Como discutido anteriormente a maior parte do setor utiliza sistema a uacutemido na

limpeza dos gases sabidamente mais eficiente que o sistema a seco Entretando

esse fato natildeo ficou claramente demonstrado nas Figuras 242 e 243 visto quealguns dados de sistema a seco alcanccedilaram concentraccedilotildees de material particulado

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 40: Manual de operação de Cadeiras

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37feam

bem menores que a faixa da maioria dos lavadores levando ao questionamento da

qualidade das mediccedilotildees na chamineacute dos glendons condiccedilotildees de operaccedilatildeo e

projeto dos lavadores e excesso de ar de combustatildeo utilizado nos glendons

podendo estar ocorrendo diluiccedilatildeo do efluente

Figura 242 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de sistemas de

tratamento a seco e a uacutemido

Figura 243 - Niacuteveis de concentraccedilatildeo de material particulado nas saiacutedas de diferentes sistemasde limpeza

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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38feam

Figura 244 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo da coroa e vazatildeo total das chamineacutes dos glendons

A Figura 244 mostra a relaccedilatildeo entre a vazatildeo da coroa e a vazatildeo total dos glendons

medida Observa-se que para a mesma vazatildeo da coroa tem-se diferentes vazotildees

totais das chamineacutes dos glendons natildeo conseguindo se efetuar uma relaccedilatildeo que

teoricamente deveria existir devido as grandes inconstacircncias de funcionamento dos

glendons com diferentes vazotildees de ar de combustatildeo e problemas nas mediccedilotildees de

chamineacute natildeo se conseguiu estabelecer uma correlaccedilatildeo

Assunccedilatildeo (2006) obteve as vazotildees volumeacutetricas de ar de combustatildeo e de gaacutes de

alto-forno no glendon O valor meacutedio nas condiccedilotildees normais de temperatura e

pressatildeo (CNTP) encontradas para o ar de combustatildeo foi a relaccedilatildeo de 167 Nm3 h

para 1 Nm3 h de gaacutes de alto-forno Considerando o princiacutepio de conservaccedilatildeo das

massas e o fato de que a densidade do gaacutes de combustatildeo (na chamineacute do glendon )

ser semelhante aacute densidade do gaacutes de alto-forno e do ar a quantidade de gaacutes naschamineacutes dos glendons deveria ser 267 vezes a quantidade de gaacutes de alto-forno

24 Proposta do Sistema de Limpeza de Gaacutes mais Adequado

Conforme a metodologia utilizada foi considerada a concentraccedilatildeo maacutexima de

material particulado no gaacutes a ser queimado nas caldeiras da termoeleacutetrica de

50 mgNm3 medido na chamineacute da termoeleacutetrica e o estudo se concentrou no lavador

venturi uma vez que filtros de manga e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo ainda muito

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caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 42: Manual de operação de Cadeiras

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39feam

caros e natildeo satildeo comumente utilizados na limpeza de gaacutes de alto-forno sendo que o

filtro de manga ainda se mostrou ateacute o momento tecnicamente inadequado e os

equipamentos a seco como ciclones e balotildees gravitacionais possuem baixa

eficiecircncia de remoccedilatildeo

241 Anaacutelise estatiacutestica sobre eficiecircncia de lavador Venturi

Por meio do questionaacuterio aplicado nas empresas e anaacutelise de desenhos de

lavadores Venturi empregados tentou-se realizar uma correlaccedilatildeo entre eficiecircncia

desse tipo de lavador utilizando-se o resultado de mediccedilatildeo na chamineacute dos glendons

e perda de carga nos lavadores Venturi

A Figura 245 foi construiacuteda em funccedilatildeo das perdas de carga informadas no

questionaacuterio dos lavadores Venturi do sistema de limpeza do gaacutes de alto-forno

utilizado no setor sendo estas informaccedilotildees complementadas pelos Relatoacuterios de

Controle Ambiental (RCA) e Planos de Controle Ambiental (PCA) dos

empreendimentos em consulta ao Sistema Integrado de informaccedilatildeo Ambiental

Figura 245 ndash Relaccedilatildeo da concentraccedilatildeo de material particulado na saiacuteda da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores

A fim de se obter uma melhor correlaccedilatildeo dos dados Figura 246 excluiu-se ospontos considerados equivocados devido aos mencionados erros de mediccedilatildeo nos

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 43: Manual de operação de Cadeiras

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40feam

glendons e eventual diluiccedilatildeo com ar do efluente tambeacutem no glendon onde lavadores

com perda de carga inferior a 200 mmca (98 Nmsup2) obtiveram uma concentraccedilatildeo de

material particulado na chamineacute do glendon inferior a 100 mgNm3

Figura 246 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado da chamineacute dosglendons com a perda de carga dos lavadores venturi

Observa-se na Figura 246 que uma concentraccedilatildeo de material particulado inferior a

50 mgNm3 soacute foi obtida com lavadores Venturi com perdas de carga superiores a

800 e 1000 mmca (98 Nmsup2)

Nota-se uma relaccedilatildeo inversa entre a perda de carga e a concentraccedilatildeo de material

particulado porem natildeo foi possiacutevel obter uma correlaccedilatildeo matemaacutetica (Rsup2 pequeno)

Apesar da metodologia utilizada adotar o valor de 50 mgNm3 na chamineacute da

termoeleacutetrica ou do glendon foi calculado tambeacutem a concentraccedilatildeo de particulado no

gaacutes na tubulaccedilatildeo antes do glendon levando-se em conta uma relaccedilatildeo de 25 Nmsup3 de

gaacutes de combustatildeo para 1 Nmsup3 de gaacutes de alto-forno conforme a Figura 247

Observa-se que a concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes que eacute dirigida para a

termoeleacutetrica na verdade eacute bem maior que o encontrado na chamineacute do glendon

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 44: Manual de operação de Cadeiras

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41feam

Figura 247 ndash Relaccedilatildeo modificada da concentraccedilatildeo de material particulado na tubulaccedilatildeo antesda chamineacute dos glendons com a perda de carga dos lavadores Venturi

242 Modelamento Matemaacutetico

Visando verificar as observaccedilotildees da anaacutelise estatiacutestica foram utilizadas as equaccedilotildees

descritas abaixo

)1000 ( acfmhpPPP LGT += (23)

Onde

P T = energia total de contato (hp1000 acfm)

P G = energia para fluxo de gaacutes (hp1000 acfm)

P L = energia para injeccedilatildeo de liacutequido (hp1000 acfm)

A energia gasta para movimentar o gaacutes atraveacutes do sistema P G eacute expressa em

termos da perda de carga do lavador

)1000 (15750 acfmhp pPG ∆= (24)

Onde

∆p = perda de pressatildeo [pol H2O (249 Nm2)]

acfm = 003 (msup3min)

A energia gasta no fluxo liacutequido (P L) eacute expressa como

)1000 (5830 acfmhpQQPPG

Ll L

= (25)

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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42feam

Onde

P l = pressatildeo de entrada do liacutequido (lbpol2) (00703 kgfcmsup2)

Q L = vazatildeo de liacutequido (galmin) (378 Lmin)

Q G = vazatildeo de gaacutes (peacute3 min) (003 msup3min)

As constantes dadas nas expressotildees para P G e P L incorporam os fatores de

conversatildeo A energia total pode ser expressa como

)1000 (583015750 acfmhpQ

QP pP

G

LlT

+∆= (26)

Semrau correlaciona a eficiecircncia do lavador atraveacutes da formula

minus

minus=

β α

η T

P

exp1 (27)

Onde

α e β = constantes empiacutericas que satildeo determinadas experimentalmente e

dependem da caracteriacutestica do material particulado

Uma das formas de calcular a perda de carga em um lavador Venturi eacute citada por

Suhara (1992) sendo

QG

QLV P

g

2310850 minustimes= (28)

Onde

P = perda de carga (cmH2O)

V g = velocidade do gaacutes na garganta (cms)

=

QG

QL relaccedilatildeo liacutequidogaacutes (adimensional)

Calculou-se a eficiecircncia de lavadores Venturi com perda de carga de 700 800 900

1000 1100 e 1200 mmca (98 Nm2) com variaccedilatildeo da pressatildeo de entrada do

liacutequido de 5 7 e 10 kgfcm2 e relaccedilatildeo liacutequido (msup3h) gaacutes (Nm3 h) = 10 obtendo-se a

concentraccedilatildeo de material particulado no gaacutes apoacutes sua limpeza no sistema preliminar

a seco eou uacutemido de baixa energia (considerado uma eficiecircncia de 80) e no

lavador Venturi A quantidade de particulado no gaacutes antes do sistema de limpezanesta simulaccedilatildeo eacute de 10 gNm3 ( dado de literatura)

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 46: Manual de operação de Cadeiras

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43feam

A partir dos dados obtidos foram geradas as Figuras 248 e 249

Figura 248 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado apoacutes a limpeza do gaacutes em sistema aseco com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi variando com a perda de carga no Venturi

Figura 249 ndash Relaccedilatildeo entre a perda de carga e a eficiecircncia do lavador com diferentes pressotildeesde entrada do liacutequido

Para as perdas de carga entre 700 a 1200 mmca (98 Nm2) a velocidade na

garganta variou de 987 a 1293 ms Conforme dados de literatura esta variaccedilatildeo de

velocidade pode ser de 60 a 180 ms

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 47: Manual de operação de Cadeiras

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44feam

Uma concentraccedilatildeo de material particulado igual a 50 mgNm3 eacute alcanccedilada com um

lavador venturi de 1000 mmca (98 Nm2) trabalhando com pressatildeo de entrada de

7 kgfcm2

Na Figura 250 destaca-se a eficiecircncia para lavadores de 1000 mmca (98 Nm2)

com pressatildeo de entrada do liacutequido de 10 7 e 5 kgfcm2 sendo maior a eficiecircncia

para pressatildeo maior de entrada do liacutequido O efeito da diferenccedila de pressatildeo de

entrada do liacutequido tende a diminuir com o aumento da perda de carga no lavador

Figura 250 ndash Porcentagem de fornos por pressatildeo de topo

Nota-se que considerando uma concentraccedilatildeo inicial de particulado do gaacutes do alto-

forno de 10 gNm3 alcanccedila-se uma concentraccedilatildeo inferior a 50 mgNm3 jaacute na entrada

da caldeira com um lavador com eficiecircncia maior que 975 e um sistema de

limpeza preliminar com 80 de eficiecircncia

De acordo com a simulaccedilatildeo efetuada concentraccedilotildees proacuteximas ou inferiores a

50 mgNm3 somente foram obtidas em lavadores com perda de carga igual ou

superior a 1000mmca (98 Nm2) Entretanto apenas 29 dos fornos do setor

Figura 250 possuem pressatildeo de topo superior a 1000 mmca (98 Nm2) O que

poderia ser alterado em alguns casos com melhorias nas casas de maacutequinas e

concomitantemente em outros casos principalmente por problemas de layout da

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 48: Manual de operação de Cadeiras

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45feam

usina ou distancia da termoeleacutetrica seria preciso a instalaccedilatildeo de ventiladores na

linha da termoeleacutetrica sempre funcionando com pressatildeo positiva

Foi realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores variando a perda de

carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes gerando as Figuras 251e 252

Figura 251 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e relaccedilatildeo liacutequidogaacutesconsiderando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2

Figura 252 ndash Eficiecircncia dos lavadores em funccedilatildeo da perda de carga e pressatildeo de entrada doliacutequido considerando relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 49: Manual de operação de Cadeiras

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46feam

O aumento da pressatildeo de entrada do liacutequido leva a um aumento da eficiecircncia

entretanto a utilizaccedilatildeo de pressotildees elevadas pode danificar os bicos spray do

lavador venturi em funccedilatildeo do material em suspensatildeo presente na aacutegua de lavagem

e levar a um consumo de energia desnecessaacuterio Os fabricantes de bicos

consultados garantem a sua operaccedilatildeo com uma pressatildeo de ateacute 25 kgfcm2

Nestas simulaccedilotildees a concentraccedilatildeo de 50 mgNm3 estaacute sendo atingida na entrada

da termoeleacutetrica para uma concentraccedilatildeo inicial de 10 gNm3 O valor na chamineacute da

termoeleacutetrica levando-se em conta o ar de combustatildeo seria de aproximadamente

20 mgNm3

No entanto na consulta ao SIAM contatou-se que em pelo menos duas mediccedilotildeesrealizadas do gaacutes de alto-forno em empresas diferentes antes do sistema de

tratamento a concentraccedilatildeo do particulado era 17 mgNm3

Desta forma foi realizada outra simulaccedilatildeo para aproximar mais o estudo teoacuterico da

realidade utilizando a concentraccedilatildeo inicial de 17 mgNm3 e levando-se em

consideraccedilatildeo a relaccedilatildeo de ar de combustatildeo como 15 vezes o gaacutes de alto-forno e foi

construiacuteda a Tabela 24

Observa-se que para atingir a mesma concentraccedilatildeo final de particulado no caso de

17000 mgNm3 incluindo ar combustatildeo um lavador de 800 mmca (98 Nm2) e

pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcm2 seria suficiente

As Figuras 253 e 254 permitem uma melhor visualizaccedilatildeo

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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feam

Tabela 24 - Perdas de carga de lavadores com suas respectivas eficiecircncia e concentraccedilatildeo f

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

Eficiecircncia

do lavador

Eficiecircnciado sistemapreliminar

Eficiecircncia

total

C

600 915 10 5 093732 08 098746

700 987 10 5 095037 08 099007

800 1055 10 5 096031 08 099206

900 1119 10 5 096791 08 099358

1000 118 10 5 097385 08 099477

1100 1238 10 5 097851 08 099570

1200 1293 10 5 098219 08 099644

600 915 10 7 093984 08 098797 700 987 10 7 095225 08 099045

800 1055 10 7 096174 08 099235

900 1119 10 7 096901 08 099380

1000 118 10 7 097471 08 099494

1100 1238 10 7 097920 08 099584

1200 1293 10 7 098274 08 099655

600 915 10 10 094340 08 098868

700 987 10 10 095492 08 099098

800 1055 10 10 096376 08 099275

900 1119 10 10 097058 08 099412

1000 118 10 10 097594 08 099519

1100 1238 10 10 098017 08 099603

1200 1293 10 10 098352 08 099670

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48feam

Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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Figura 253 ndash Concentraccedilatildeo final de material particulado partindo de 17000 mgNmsup3 apoacutes alimpeza do gaacutes em sistema preliminar com eficiecircncia de 80 e lavador Venturi conforme a

perda de carga no lavador considerando ar combustatildeo

Figura 254 ndash Relaccedilatildeo perda de carga no lavador para diferentes pressotildees de entrada doliacutequido e eficiecircncia de limpeza considerando ar combustatildeo na inicial de 17000 mgNmsup3

Foi ainda realizada uma avaliaccedilatildeo teoacuterica da eficiecircncia de lavadores Venturi

variando a perda de carga pressatildeo de entrada do liacutequido e relaccedilatildeo liacutequidogaacutes

conforme a Tabela 25 gerando as Figuras 255 e 256

8 28 48 68 88

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 52: Manual de operação de Cadeiras

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feam

Tabela 2 5 - Avaliaccedilatildeo teoacuterica de lavadores venturi considerando ar de c

Perda decarga ∆p(mmca)

Velocidade

(ms)

Pressatildeo deentrada do

liacutequido(kgfcm

2)

RelaccedilatildeoQLQgaacutes(LNm3)

Eficiecircncia

do Lavador

Eficiecircncia dosistema

preliminarEficiecircncia to

600 915 7 100 093984 08 098797

600 747 7 150 094394 08 098879

600 646 7 200 094750 08 098950

700 987 7 100 095225 08 099045

700 806 7 150 095536 08 099107

700 698 7 200 095820 08 099164

800 1056 7 100 096186 08 099237

800 862 7 150 096417 08 099283

800 746 7 200 096627 08 099325

900 112 7 100 096912 08 099382

900 914 7 150 097088 08 099418

900 792 7 200 097262 08 099452

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 53: Manual de operação de Cadeiras

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50feam

Figura 255 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da relaccedilatildeoliacutequidogaacutes considerando pressatildeo de entrada do liacutequido de 7 kgfcmsup2 e ar combustatildeo

Figura 256 ndash Eficiecircncia dos lavadores Venturi em funccedilatildeo da perda de carga e da pressatildeo deentrada do liacutequido considerando a relaccedilatildeo liacutequidogaacutes = 1 e ar combustatildeo

Portanto um lavador Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nm2 ) atende

aos objetivos do trabalho ou seja uma emissatildeo de 50 mgNm3 medida na chamineacute

da termoeleacutetrica

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 54: Manual de operação de Cadeiras

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51feam

243 Configuraccedilatildeo de sistema de limpeza proposto

O diagrama da Figura 257 foi elaborado baseado nas discussotildees dos capiacutetulos

241 e 242 sendo este a proposta de sistema de limpeza de gaacutes de alto-forno

deste estudo

Apesar da simulaccedilatildeo matemaacutetica indicar que um lavador de 800 mmca (98 Nm2 )

seria suficiente para atender o objetivo do trabalho optou-se por um sistema de

lavador Venturi com perda de carga de 1000 mmca (98 Nm2 ) por seguranccedila (a

concentraccedilatildeo de particulado no gaacutes antes do sistema de limpeza pode passar de

17 gNm3 devido agraves peculiaridades do processo produtivo)

Figura 257 ndash Proposta de configuraccedilatildeo do sistema de limpeza de gaacutes do alto-forno

A razatildeo da escolha de um duplo Venturi eacute baseado no fato de que dois

equipamentos em seacuterie com a mesma energia 800mmca (98 Nm2 ) ou 400 mmca

(98 Nm2 ) cada Venturi alcanccedila uma melhor eficiecircncia devido agrave equaccedilatildeo abaixo

Etotal = 1 ndash [(1-E1)( 1-E2)(1-E3)(1-En)] (29)

Onde

Etotal = Eficiecircncia Total

En = Eficiecircncia do equipamento n

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 55: Manual de operação de Cadeiras

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52feam

Assim aplicando a equaccedilatildeo de eficiecircncia total a emissatildeo de um duplo Venturi com a

mesma energia de um uacutenico Venturi chegaria a 14 mgm3 No entanto foi adotado o

princiacutepio da seguranccedila uma vez que o segundo Venturi natildeo teria a mesma

eficiecircncia do primeiro porque as partiacuteculas diminuem de tamanho agrave medida que satildeo

limpas pelos equipamentos (diminuindo a eficiecircncia do segundo Venturi em seacuterie) e

neste trabalho foi considerado que a emissatildeo final continuaria a ser de 50 mgNm3

Trata-se apenas de uma sugestatildeo sendo que a escolha de um uacutenico Venturi de

1000 mmca (98 Nm2) de perda de carga conforme o modelo empregado chegaria

ao resultado proposto de forma mais barata

A escolha de maior velocidade na garganta e maior ou menor consumo de aacutegua eacuteopccedilatildeo de cada empresa dependendo de vaacuterios fatores como disponibilidade de aacutegua

e disposiccedilatildeo de desgastar mais ou menos o material do Venturi

A adoccedilatildeo de lavador Venturi moacutevel podendo-se variar a largura da garganta eacute mais

aconselhaacutevel porque permite um maior controle da pressatildeo de topo do alto-forno

Eacute importante lembrar novamente que os equipamentos preliminares como balatildeo comou sem lavador ou ciclone deve ter uma eficiecircncia miacutenima de 80 ou seja o gaacutes

dirigido ao Venturi deveraacute conter no maacuteximo 3400 mgNmsup3 Na praacutetica esta eacute uma

condiccedilatildeo muito conservadora porque mediccedilotildees de material particulado na chamineacute

do glendon em empresas que apresentam somente como equipamento de limpeza

de gaacutes esta configuraccedilatildeo nunca atingiram mais que 1000 mgNmsup3 ou

2500 mgNm3 considerando o ar de combustatildeo

Desta forma fica evidente a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nm2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo -

compressores jaacute implantados em muitas empresas maiores e em uma empresa

menor (produccedilatildeo menor que 500 td) que possibilitam um melhor controle de

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 56: Manual de operação de Cadeiras

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53feam

paracircmetros de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia

energeacutetica poreacutem satildeo mais caros

Egrave preferiacutevel natildeo colocar ventiladores na linha da termoeleacutetrica para evitar riscos de

explosatildeo e assim os fornos deveriam funcionar com perdas de pressotildees de topo

maiores de 1600 a 1800 mmca (98 Nm2) No entanto sabemos que em muitos

casos por motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a

utilizaccedilatildeo do ventilador torna-se imperiosa Neste caso eacute importante destacar que

este ventilador na verdade deveria ser uma chamada torre elevatoacuteria sendo que

seria rigorosamente projetado para funcionar apenas com pressatildeo positiva evitando

a entrada de ar na tubulaccedilatildeo este ventilador deveria ter um inversor de frequumlecircncia e

possuir controle de pressatildeo e vazatildeo na sua entrada

25 Sistemas de Limpeza da Aacutegua de Lavagem

Eacute muito importante que a aacutegua do Venturi esteja em condiccedilotildees de ser utilizada na

lavagem do gaacutes ou seja deve conter no maacuteximo 100 mgL de soacutelidosA aacutegua deve

ser recirculada e para tanto se utiliza como equipamento mais eficiente o espessadorcircular com retirada continua da lama e um filtro prensa ou a vaacutecuo As Tabelas 26

e 27 mostram a situaccedilatildeo do setor com relaccedilatildeo agrave utilizaccedilatildeo de espessadores e

produtos quiacutemicos que auxiliam na sedimentaccedilatildeo de partiacuteculas

Conforme verificado muito poucas informaccedilotildees estatildeo disponiacuteveis sobre sistema de

tratamento da aacutegua do lavador No entanto podemos inferir que um espessador com

pelo menos quatro horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo deno maacuteximo 1 mh eacute capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de

100 mgL se utilizar de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a

decantaccedilatildeo das partiacuteculas que variam de empresas para empresa

Eacute importante ressaltar novamente que este eacute um efluente muito toacutexico com teores

de fenoacuteis que podem atingir 600 mgL e sendo assim eacute prudente recomendar que

este efluente deva ser inteiramente recirculado e para assegurar deveria existir um

tanque adicional para estoque do efluente quando acontecer paradas para

manutenccedilatildeo e vazamentos

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 57: Manual de operação de Cadeiras

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54feam

Tabela 26 ndash Dados do espessador circular

Aacuterea uacutetil(m2)

Altura uacutetil(m)

Volume uacutetil(m3)

Vazatildeo(m3h)

Tempo dedetenccedilatildeo

(h)

Velocidade desedimentaccedilatildeo

(mh)

Concentraccedilatildeode soacutelidos

(mgL)

2010 75 15180 1800 22 09 150

1130 106 12000 5800 21 51 200

1130 106 12000 6000 20 53 200

1330 38 5000 5040 10 38 Natildeo )

502 30 1507 200 75 04 Natildeo

204 17 352 320 11 16 Natildeo

437 42 1844 400 46 09 150

2111 62 13000 6000 22 28 200

490 40 1960 400 49 08 Natildeo

2010 46 9250 2000 46 10 25

600 30 1800 730 25 12 200

283 32 893 500 18 18 Natildeo

ni(1) ni 100 267 04 ni Natildeo

158 52 813 900 09 57 Natildeo

315 38 1183 1500 08 48 Natildeo

470 45 2110 700 30 15 60

ni ni 3000 800 38 ni 10015000 40 60000 8000 75 05 100

Observaccedilatildeo (1) ni = natildeo informado (2) Natildeo = Natildeo realiza

Tabela 2 7 ndash Produtos quiacutemicos utilizados

Poliacutemerocatiocircnicoaniocircnico

Produtos Quiacutemicos (gm3) Sistema deverificaccedilatildeo SS

(mgl)Anti-espumante Coagulante Dispersante

07 116 104 23 150

10 52 10 21 150

21 104 21 42 200

04 63 71 17 50

Natildeo 205 247 Natildeo 200

Natildeo 52 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 93 Natildeo Natildeo Natildeo

Natildeo 29 38 20 60

208 139 Natildeo Natildeo 10003 35 Natildeo Natildeo 100

Observaccedilatildeo Natildeo = Natildeo utiliza

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55feam

26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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56feam

Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 58: Manual de operação de Cadeiras

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26 Estudos Econocircmicos (Custo Benefiacutecio)

Tendo como base as informaccedilotildees apresentadas pelas empresas do setor sideruacutergico

foi possiacutevel calcular o custobenefiacutecio da instalaccedilatildeo de termoeleacutetricas em todas as

empresas consumidoras de carvatildeo vegetal utilizando a metodologia descrita abaixo

Avaliaccedilatildeo Econocircmica de Projetos de Termoeleacutetricas

Numa distribuiccedilatildeo tiacutepica dos custos de um empreendimento energeacutetico os custos

distribuiacutedos satildeo modelados por meio de Fluxos de Caixa uniformes Tal modelo se

aplica sem grande perda de generalidade uma vez que se pode sempre calcularcom pequeno esforccedilo adicional o fluxo uniforme equivalente a outro fluxo mais

complexo quaisquer (Barja 2006)

No Fluxo de Caixa projeta-se o investimento inicial para uma data futura ao fim de

um tempo de construccedilatildeo e de instalaccedilatildeo Figura 258 Assim estima-se o valor do

investimento inicial como sendo o valor futuro relativo ao consumo do equipamento

somado ao valor futuro equivalente a seacuterie uniforme dos custos de instalaccedilatildeo Dessa

forma propotildee-se que a anaacutelise comparativa seja feita em um tempo infinito com

reposiccedilotildees sucessivas ao final da vida uacutetil para todas as alternativas consideradas

(Barja 2006)

Figura 258 - Fluxo de caixa de um empreendimento energeacuteticoFonte Barja 2006

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Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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Assim o Fluxo de Caixa pode ser decomposto em dois outros sendo o primeiro uma

seacuterie uniforme de valor CC + CM ndash VS e o segundo um investimento inicial aplicado

no tempo zero somado a uma seacuterie uniforme de valores I ndash R A seacuterie uniforme

equivalente agrave soma destas duas composiccedilotildees de Fluxo de Caixa corresponde ao

Custo Distribuiacutedo Total (Barja 2006)

(210)

De posse do CDtotal calcula-se a energia produzida (En) em kWh que no periacuteodo de

um ano seraacute igual agrave potecircncia instalada (PI) em kW multiplicado ao nuacutemero de horas

de um ano corrigido pelo fator de capacidade (FC) O fator de capacidade pode ser

definido como sendo a razatildeo entre a energia efetivamente gerada ao longo de um

ano e aquela que seria produzida se a instalaccedilatildeo operasse a plena carga no mesmo

periacuteodo (Barja 2006)

(211)

Neste modelo conforme Carvalho apud Barja (2006) a razatildeo entre as expressotildees

isto eacute o custo distribuiacutedo anual total e a energia anual produzida eacute o principal

indicador oferecido ao passo que permite a comparaccedilatildeo de alternativas de geraccedilatildeo

ou de economia de energia com sucessivas reposiccedilotildees ao fim da vida uacutetil de cada

uma Este indicador avalia o custo da energia produzida ao ano e tem a vantagem

adicional de permitir uma comparaccedilatildeo direta com os preccedilos da energia praticados

pelas concessionaacuterias de energia eleacutetrica

A relaccedilatildeo custobenefiacutecio (CB) de um empreendimento energeacutetico eacute expressa de

forma mais ampla com poucas restriccedilotildees

(211)

Onde

CB - relaccedilatildeo custo benefiacutecio em $kWh

CC - custo anual do insumo energeacutetico em $ano

CM - custo de manutenccedilatildeo especiacutefico em $ano

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 60: Manual de operação de Cadeiras

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57feam

VS - valor do subproduto especiacutefico em $ano

R - valor residual em $

I - investimento inicial em $

FC - fator de capacidade

V - vida em anos

PI - potecircncia instalada em kW

i - taxa de juros ao ano

Anaacutelise Econocircmica de Custo Benefiacutecio

Tendo em vista que grande parte dessas empresas natildeo possui termoeleacutetrica o

caacutelculo considerou os dados de produccedilatildeo e vazatildeo de gaacutes de alto-forno gerado

propondo analisar a viabilidade econocircmica dessa instalaccedilatildeo

Para se obter resultados mais correlatos neste estudo optou-se por utilizar uma

vazatildeo de gaacutes de 2200 Nmsup3t de gusa produzida e uma eficiecircncia de produccedilatildeo de

90 utilizando a equaccedilatildeo 21 para o caacutelculo da potecircncia

Considerando que o processo de geraccedilatildeo de energia se faz atraveacutes da cogeraccedilatildeo

sendo o insumo utilizado o gaacutes de alto-forno resiacuteduo da produccedilatildeo do gusa que seria

enviado para a atmosfera foram considerados como nulos os custos do insumo

energeacutetico e valor do subproduto

O caacutelculo do investimento inicial pode ser realizado considerando-se que

(212)

Assim o investimento inicial equivale agrave potecircncia instalada multiplicado a R$350000

sendo esse o valor estimado pelo custo do kWh

Foi considerado que todos os dados de produccedilatildeo e vazatildeo apresentados equivalem

ao somatoacuterio da produccedilatildeo e vazatildeo de todos os fornos da empresa que utilizam como

mateacuteria-prima o carvatildeo vegetal Os fornos que utilizam coque como mateacuteria-prima

natildeo foram considerados nesses caacutelculos

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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63feam

3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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65feam

de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

Page 61: Manual de operação de Cadeiras

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58feam

Para os caacutelculos de custobenefiacutecio foram considerados dois tipos de investimentos

adicionais de R$250000000 chamado investimento adicional IA1 e de

R$150000000 chamado investimento adicional IA2

Esses investimentos foram inseridos ao investimento inicial para cada forno estando

relacionados com os custos adicionais para a instalaccedilatildeo de equipamentos mais

modernos e eficientes nas termoeleacutetricas

O investimento de IA1 seria para termoeleacutetricas que optassem por modificar a casa

de maacutequinas com turbo compressor e lavador de 1000 mmca (98 Nmsup2) e o

investimento IA2 seria para instalar o mesmo lavador Venturi e modificar a casa de

maacutequinas de forma convencional (acrescentando exaustores de ar na casa demaacutequinas)

A partir dos caacutelculos de custobenefiacutecio sem investimento adicional e com

investimentos adicionais IA1 e IA2 foram calculados os tempos de retorno desses

investimentos utilizando a foacutermula

(213)

Onde

TR ndash tempo de retorno (ano)

I ndash investimento inicial ($)

IA ndash investimento adicional ($)

P ndash produccedilatildeo (tdia)

c ndash consumo de energia (kWt-1)

PE ndash preccedilo da energia ($)

CB ndash custobenefiacutecio ($)

Para a anaacutelise dos dados obtidos foram gerados graacuteficos relacionando Produccedilatildeo

versus Tempo de Retorno e Empresa versus CustoBenefiacutecio demonstrados nas

figuras 259 e 260

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59feam

Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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61feam

Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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62feam

Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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Para o valor da taxa de juros foi considerada uma variaccedilatildeo anual de inflaccedilatildeo de

45 a vida uacutetil da instalaccedilatildeo de 20 anos e o consumo de energia eacute de 84 kW por

tonelada produzida

Figura 259 ndash Custo da energia com termoeleacutetrica e investimentos adicionais

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900

A n o s

TR

TR-IA1

TR-IA2

Produccedilatildeo X TRs

983120 983154983151983140983157 983267 983151 983156983087983140983145983137

Figura 260 ndash Correlaccedilatildeo entre produccedilatildeo e tempo de retorno

Conforme a Figura 260 verifica-se que quanto maior a produccedilatildeo menor o tempo de

retorno do investimento Os tempos de retorno denominados TRIA1 e TRIA2 que

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correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

8162019 Manual de operaccedilatildeo de Cadeiras

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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60feam

correspondem aos tempos de retorno contando os investimentos adicionais IA1 de

R$ 250000000 e IA2 deR$150000000 natildeo modificam de forma substancial o

retorno do investimento inicial para as empresas com maior produccedilatildeo o mesmo natildeo

valendo para as empresas menores que em alguns casos o tempo eacute duplicado

O custo da energia eleacutetrica em kWh com termoeleacutetrica varia de R$006 a R$009

dependendo do investimento inicial sendo que a energia da concessionaacuteria custa

para as empresas R$040kWh

As diferenccedilas de custo da energia entre os investimentos adicionais 1 e 2 variou

devido a presenccedila do nuacutemero de fornos diferentes em cada empresa o que onera o

custo de instalaccedilatildeo de investimentos adicionais para uma mesma produccedilatildeo

Nestes caacutelculos natildeo estatildeo computados os ganhos adicionais de queda de consumo

de carvatildeo (com o aumento da pressatildeo de topo do forno) e diminuiccedilatildeo de parada

das termoeleacutetricas por funcionar com gas mais limpo

27 Mecanismos de Desenvolvimento Limpo ndash Reduccedilatildeo de Emissatildeo de

CO 2

Para calcular as reduccedilotildees nas emissotildees de dioacutexido de carbono (CO2) eacute utilizada a

foacutermula descrita abaixo

ER = (Ep Gp) - (Ec Gc) - (Et Ct) ndash L ( 214)

Onde

Ep - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de linha de base

(energia produzida)

Gp - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de linha de base

Ec - Energia requerida do sistema nacional durante o cenaacuterio de projeto (energia

consumida)Gc - Intensidade de carbono da energia fornecida pelo sistema nacional durante o

cenaacuterio de projeto

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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64feam

do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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Et - Energia produzida no cenaacuterio de projeto

Ct - Intensidade de carbono da energia no cenaacuterio de projeto

L - Emissotildees de carbono por vazamento

Uma vez que o cenaacuterio de referecircncia (linha de base) tenha sido definido eacute simples

se determinar as reduccedilotildees de gases de efeito estufa obtidas por meio do uso de

combustiacutevel renovaacutevel na produccedilatildeo de energia eleacutetrica Economias liacutequidas na

emissatildeo (ER) satildeo calculadas pela quantidade de energia da rede puacuteblica

substituiacuteda descontando-se todas as emissotildees relacionadas agrave operaccedilatildeo da usina

termoeleacutetrica e qualquer vazamento

A quantidade de energia da rede puacuteblica substituiacuteda eacute calculada como a diferenccedilaentre a energia requerida no cenaacuterio de referecircncia menos a energia requerida do

projeto em estudo considerando-se que esta diferenccedila foi causada pela energia

adicional provida pelas atividades de projeto em estudo

Considerando as informaccedilotildees sobre o caacutelculo de reduccedilatildeo de emissotildees e custo da

tonelada de CO2 equivalente as emissotildees evitadas foram estimadas para as

empresas do setor sideruacutergico de Minas Gerais

Dessa forma obtiveram os resultados apresentados nas Figuras 261 e 262

Figura 261 - Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e emissotildees de CO2 evitadas

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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Figura 262 ndash Relaccedilatildeo entre vazatildeo de gaacutes de alto-forno e ganho em doacutelares pela reduccedilatildeo deemissotildees de CO2

A relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de alto-forno e as emissotildees evitadas de CO2 pela

instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente e similar agrave relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes de

alto-forno e o ganho em doacutelares

Um estudo de projeto MDL no ano de 2008 para se chegar agrave certificaccedilatildeo natildeo custa

menos de R$30000000 tendo em vista a necessidade de se contratar auditorias

internacionais Sendo assim a empresa deveraacute ficar atenta em sua vazatildeo de gaacutes

para o caacutelculo do ganho compensar o custo do estudo

Pelo menos uma empresa jaacute possui estudo aprovado para certificaccedilatildeo de creacuteditos de

carbono conforme a metodologia descrita neste trabalho sendo que os certificadosvalem por 7 anos podendo ser renovados por este periacuteodo ateacute 20 anos

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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3 CONCLUSAtildeO

O Estado de Minas Gerais possui atualmente 74 empresas utilizando carvatildeo vegetal

com 102 fornos estando 98 em condiccedilotildees de funcionamento e 4 paralisados haacute

anos A capacidade de produccedilatildeo total destes fornos por dia eacute de 27515 toneladas

de gusa O levantamento demonstrou que quanto maior a pressatildeo de topo do alto-

forno maior eacute a temperatura de sopro e menor eacute o consumo de carvatildeo vegetal Foi

demonstrado tambeacutem o desconhecimento de boa parte das empresas (pelo menos

dos seus representantes entrevistados) de paracircmetros importantes de processo

como vazatildeo de topo pressatildeo de topo temperatura na coroa dentre outros

A capacidade atual de geraccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Geraisutilizando turbina de recuperaccedilatildeo de topo eacute de aproximadamente 29 MW em trecircs

altos-fornos No entanto este tipo de aproveitamento energeacutetico somente eacute utilizado

em fornos de grande porte (maior que 4000 td) utilizando coque

Os altos-fornos a carvatildeo vegetal utilizam a termoeleacutetrica para geraccedilatildeo da energia

eleacutetrica aproveitando o gaacutes excedente sendo que possui uma capacidade de

produccedilatildeo de aproximadamente 32 MW contando com onze termoeleacutetricas Encontra-se em construccedilatildeo mais duas termoeleacutetricas que iratildeo gerar mais 11 MW A

capacidade teoacuterica de produccedilatildeo de energia eleacutetrica no Estado de Minas Gerais em

termoeleacutetricas a gaacutes de altos-fornos a carvatildeo vegetal eacute de 224 MW Na praacutetica as

empresas estatildeo implantando suas termoeleacutetricas com capacidade inferior que a

calculada teoricamente uma vez que aparentemente estatildeo sendo conservadoras no

dimensionamento das mesmas visando garantir mais gaacutes para os glendons

O lavador tipo Venturi ainda eacute o equipamento de limpeza de gaacutes de alto-forno mais

eficiente sendo que os dados fornecidos pelas empresas no campo por meio de

questionaacuterios e pesquisando os arquivos e informaccedilotildees constantes nos processos

dos empreendimentos constantes do Sistema Integrado de Informaccedilatildeo Ambiental

(SIAM) demonstraram que um lavador venturi com perda de carga de 800 mmca

(98 Nmsup2) jaacute atinge a emissatildeo de material particulado medida em chamineacute do

glendon ou da termoeleacutetrica de 50 mgNm3 No entanto o mesmo levantamento

demonstrou que sistemas com esta perda de carga ainda permitiam emissotildees acima

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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do valor citado sendo que lavadores venturi com perda de carga acima de 1000

mmca (98 Nmsup2) seriam os mais indicados

A emissatildeo de 50 mgNm3 foi adotada como referecircncia por se tratar do limite previsto

pela legislaccedilatildeo ambiental brasileira uma vez que natildeo haacute uma exigecircncia dos

fabricantes de caldeira para teor de particulado no gaacutes na entrada da fornalha

O modelo matemaacutetico aplicado para calcular a eficiecircncia do lavador Venturi se

ajustou muito bem aos dados fornecidos pela empresas e de literatura O modelo

demonstrou que lavadores Venturi com perda de carga de 800 mmca (98 Nmsup2) satildeo

capazes de atingir a concentraccedilatildeo em chamineacute de 50 mgNm3

Com a aplicaccedilatildeo do modelo se verificou tambeacutem a possibilidade de que uma

concentraccedilatildeo de poacute no gaacutes na saiacuteda do alto-forno de 17 gNm3 (valor medido por

algumas empresas segundo levantamento nos arquivos do SIAM) eacute mais realista

que a concentraccedilatildeo de 10 gNm3 encontrado na literatura

O trabalho propotildee o sistema de limpeza descrito na Figura 257 (proposta sistema

de limpeza de gaacutes) onde o lavador Venturi a ser implantado tenha uma perda decarga de 1000 mmca (98 Nmsup2) e tenha garganta moacutevel

Verificou-se tambeacutem a necessidade da maioria das empresas pesquisadas

modificarem a casa de maacutequinas para atingir a pressatildeo de topo sugerida de no

miacutenimo 1400 mmca (98 Nmsup2) e natildeo soacute modificar a casa de maacutequinas solucionar

problemas relativos a projetos do forno e vazamentos na aacuterea de carregamento de

mateacuterias primas visando alcanccedilar este objetivo

Sugere-se a utilizaccedilatildeo de casas de maacutequinas com os chamados turbo-

compressores jaacute implantados em vaacuterias empresas de maior porte maiores e em

uma empresa de menor porte que possibilitam um melhor controle de paracircmetros

de processo como pressatildeo e vazatildeo possuem maior eficiecircncia energeacutetica poreacutem

satildeo mais caros

Para evitar risco de explosatildeo eacute preferiacutevel natildeo posicionar os ventiladores na linha datermoeleacutetrica e assim os fornos deveriam funcionar com pressotildees de topo maiores

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente

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de 1600 a 1800 mmca (98 Nmsup2) No entanto sabe-se que em muitos casos por

motivo de layout da planta industrial e distancia da termoeleacutetrica a utilizaccedilatildeo do

ventilador torna-se imperiosa Devem sempre funcionar com pressatildeo positiva na

linha

Em relaccedilatildeo aos efluentes liacutequidos apesar dos poucos dados de espessadores

utilizados pelas empresas verificou-se que um espessador com pelo menos quatro

horas de tempo de detenccedilatildeo e velocidade de sedimentaccedilatildeo de no maacuteximo 1 mh eacute

capaz de atingir uma concentraccedilatildeo de soacutelidos suspensos de 100 mgL caso sejam

utilizados de forma adequada os produtos quiacutemicos necessaacuterios para a decantaccedilatildeo

das partiacuteculas cujos teores variam de empresa para empresa Desta forma deveria

ser adotado um tanque adicional para estoque do efluente no caso de paradas paramanutenccedilatildeo e vazamentos tendo em vista a toxidade dos despejos que podem

conter teores de fenoacuteis na ordem de 600 mgL

O modelo de custo benefiacutecio adaptado para termoeleacutetrica a gaacutes de alto-forno indicou

que o custo da energia eleacutetrica passa de R$040 para a faixa de R$006 a R$009 o

kWh dependendo do investimento com a utilizaccedilatildeo da termoeleacutetrica Quanto maior a

produccedilatildeo com o menor nuacutemero de fornos menor seraacute o tempo de retorno doinvestimento contando os custos adicionais propostos por este trabalho Outra forma

de se adquirir retorno do investimento com a termoeleacutetrica eacute a aquisiccedilatildeo de creacuteditos

de carbono atraveacutes da emissatildeo de certificados seguindo a metodologia do

Mecanismo de Desenvolvimento Limpo sendo que a relaccedilatildeo entre a vazatildeo de gaacutes

de alto-forno e as emissotildees evitadas pela instalaccedilatildeo da termoeleacutetrica eacute crescente