sustentabilidade da produção de gusa a cv: ações em curso no país

Sustentabilidade da produção de gusa a CV: ações em curso no país

Túlio Raad e Vamberto de Melo

Seminário CGEE & DECOI da SDP/MDIC - Brasília, 20.05.2014

MODERNIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE CARVÃO VEGETAL

OBJETIVO

Ø Mapeamento das ações em curso para a sustentabilidade da produção do ferro-‐gusa a par8r de carvão vegetal, realizadas pelas empresas siderúrgicas e pelos produtores independentes, governos estaduais e órgãos do governo federal

Ø  Dos projetos em curso, o carvão vegetal produzido deve atender as especificações que permitam o melhor desempenho possível do alto forno e a sua produção deve ser feita com o melhor rendimento possível

SUMÁRIO

1 – Introdução

2 – Desenvolvimento

2.1 – Melhoria do Rendimento Gravimétrico

2.2 – Periféricos – Queimador das Fumaças da Carbonização da Madeira

3 – Conclusões e Recomendações

2.3 – Periféricos – Secadores de Madeira

2.4 – Novas Tecnologias de Carbonização da Madeira

2.5 – Produtores Independentes

2.6 – Governo – Financiamentos para o setor siderúrgico a carvão vegetal

INTRODUÇÃO

Conceitos básicos do Alto Forno a Carvão Vegetal

Ø  Os altos fornos a carvão vegetal diferem dos altos fornos a coque basicamente pela menor distância entre o eixo das ventaneiras e o nível de carga no topo, denominada altura úLl.

Ø  Esta altura limita o volume interno dos altos fornos a carvão vegetal. Atualmente o alto forno com maior volume úLl está em operação na Vallourec, em Belo Horizonte, com volume úLl aproximado de 500 m3.

Ø  Quanto maior o volume úLl dos altos fornos, maior a necessidade de preparação da carga. A resistência mecânica do carvão vegetal atualmente produzido é o que limita esta altura úLl.

INTRODUÇÃO


Ø  O alto forno opera em regime de contra corrente, gases quentes no senLdo ascendente e carga no senLdo descendente. A passagem dos gases através da carga é conhecida como permeabilidade.

Ø  A permeabilidade é fortemente afetada pela distribuição granulométrica da carga e a baixa resistência mecânica do carvão afeta a distribuição granulométrica, devido à maior geração de finos, necessitando de maior cuidado no manuseio para produção, estocagem e enfornamento;

Ø  A maior geração de finos dificulta o contato gás / carga metálica, através da formação de caminhos preferenciais dentro do alto forno, dificultando a remoção do oxigênio do minério, denominado reações de redução;

Ø  Os finos de carvão gerados no processo de beneficiamento, geralmente menores que 10 mm, podem ser direcionados para processo de injeção de finos ou comercializados. A tecnologia atual permite injetar através das ventaneiras na faixa de 100 a 200 Kg de pó de carvão por tonelada de ferro gusa;

INTRODUÇÃO


Ø  A injeção de carvão pelas ventaneiras permite aumentar o peso da carga metálica e assim aumentar o tempo de permanência no interior do alto forno, contribuindo para maior contato gás / carga que leva à redução do consumo de carvão por tonelada de ferro gusa;

Ø  O ferro gusa produzido pode ser consumido líquido o que ocorre nas empresas integradas ou solidificado formando lingotes pesando até 30 Kg para uso como matéria prima na fabricação de aço.

Ø  O ferro gusa produzido com carvão vegetal apresenta baixo nível de contaminantes como fósforo e enxofre, o que o qualifica para produção aços nobres e além de ser ambientalmente correto pelo balanço de emissões de CO2.

INTRODUÇÃO

Qualidade exigida do carvão vegetal para uma boa performance dos Altos Fornos

Ø  Quanto à análise química, os processos de carbonização almejam a composição da tabela abaixo, entretanto as faixas de atendimento são muito mais ampliadas em função da falta de padrões:

Elemento Faixa -‐ %

Carbono 72< C<78

Cinzas < 1

Voláteis 20<V<28

Umidade < 7

INTRODUÇÃO


Ø  Quanto à análises bsicas, a geração de finos é fortemente influenciada pela resistência mecânica e não deve ser maior que 15%, contabilizados após a reLrada do forno de carbonização e passante na tela de 9,52 mm;

Ø  O tamanho máximo do carvão não pode exceder 200 mm, para não causar problemas no carregamento do alto forno;

Ø  A densidade aparente do carvão vegetal para as caracterísLcas químicas relatadas, pode variar entre 220 e 270 Kg/m3. Para a operação do alto forno, maior densidade do carvão indica número maior de carga dentro do alto forno, maior tempo de permanência da carga dentro do alto forno, implicando redução do consumo específico por tonelada de ferro gusa;

INTRODUÇÃO


Ø  Não existe método aprovado para avaliação da resistência mecânica do carvão vegetal. Em estudos realizados em grandes empresas siderúrgicas, principalmente as integradas, não foram ob8das correlações nos resultados experimentais que pudessem fornecer subsídio para normaLzar alguma metodologia;

Ø  Madeira mal carbonizada, denominada a8ços, geralmente com teor de carbono menor que 60%, não podem ser produzidas, influenciando no rendimento do processo e causando danos ao processo do alto forno, interferindo no sistema de limpeza dos gases;

Ø  O controle do processo de carbonização permite estreitar a faixa de Carbono Fixo do carvão e controlar a resistência mecânica. A faixa estreita de carbono e maior resistência mecânica influenciam fortemente na estabilidade operacional do alto forno;

INTRODUÇÃO

Procedimentos necessários para se obter um carvão de qualidade siderúrgica

Ø  Os processos de produção atuais com controle visual da carbonização, sem controle rigoroso das diversas fases de carbonização, produzem carvão vegetal, mas com resultados muito heterogêneos, tanto bsico quanto químico. Contém faixas de variação de análises químicas muito amplas e sem controle da geração de finos. O rendimento gravimétrico é baixo, em torno de 25% e não há estabilidade da qualidade.

•  DI – Índice de resistência Frio, de maior que 83 para maior que 85%

•  CRI – Índice de ReaLvidade, de menor que 33 para menor que 20

•  CSR – Índice de Resistência após Reação, de maior que 55 para maior que 70%

Ø  Fazendo comparação ao outro redutor usado para produção de ferro gusa, o coque, as caracterísLcas metalúrgicas vêm melhorando com adoção de novas tecnologias, permiLndo melhoria dos seguintes indicadores:

Ø  Essas melhorias aumentaram a compe88vidade das indústrias com o redutor Coque possibilitado pelo aumento da produLvidade e redução do consumo específico do redutor.


INTRODUÇÃO

Ø  Para produzir carvão com qualidade estável, químico-‐asico-‐metalúrgico, é imperaLvo num curto prazo a implantação de sistema de controle da carbonização no parque industrial hoje existente para tornar o processo o menos empírico possível

Ø  Como medida de médio prazo, iniciar a subs8tuição dos modelos atuais de fornos de alvenaria por processos mais eficientes, com recuperação de coprodutos, atendendo às diretrizes do MDL, Mecanismo de Desenvolvimento Limpo, com menores emissões de CO2 e possibilidade de crédito de Carbono, através de ações coordenadas pelo governo envolvendo comunidade acadêmica e setor produLvo.

Ø  Nas unidades produtoras atuais, que uLlizam os fornos de alvenaria, variando desde pequenos com carga e descarga manual até os grandes totalmente mecanizados, entende-‐se que, se não há nenhum sistema que consiga visualizar o processo interno da transformação da madeira em carvão, o forno conduz o operador que fica literalmente diante de uma caixa preta, aguardando o processo finalizar (controle pela cor das fumaças e pelo tato).


INTRODUÇÃO

Fica portanto a pergunta:

como conseguir um mínimo de qualidade, seja asica ou química, do carvão sem um controle adequado, sabendo-‐se que o resultado final do produto depende de inúmeras variáveis que interagem durante o processo, citando as principais como segue:

Ø  qualidade da madeira quanto ao teor de umidade, que quando elevada reduz a resistência mecânica do carvão;

Ø  quanLdade dos componentes hemicelulose, celulose e lignina e suas disLntas

velocidades e rendimentos de pirólises; Ø  definição da quanLdade e distribuição da energia durante o processo sabendo-‐se que a

secagem requer cerca de 70% da demanda total;

Ø  impacto da temperatura no resultado do carbono fixo como qualidade química imprescindível para melhores resultados nos altos fornos.

DESENVOLVIMENTO

INDÚSTRIA -‐ Melhoria do Rendimento Gravimétrico

Mapeamento de Ações de Sustentabilidade

Ø  Além das grandes siderúrgicas, como Vallourec, ArcelorMipal, Aperam e Gerdau, que iniciaram a práLca de monitoramento do processo há mais de uma década, diversas outras produtoras independentes de gusa já estão em processo de implantação de sistemas modernos de gerenciamento de processos, com destaque para: Plantar, Metalsider, Minasligas, Vetorial, Queiroz Galvão e Ferroeste.

Ø  Atualmente, a busca por melhores rendimentos gravimétricos na produção de carvão vegetal, através de controle do processo de carbonização nos fornos de alvenaria via medições de temperatura e perfis térmicos, já faz parte dos procedimentos operacionais de várias empresas com produção própria de carvão vegetal no Brasil

DESENVOLVIMENTO Mapeamento de Ações de Sustentabilidade

Ø  Apesar do grande avanço na conscienLzação de melhores práLcas de produção de carvão vegetal de um importante número de empresas, esLma-‐se que hoje a carbonização monitorada por sistemas eficientes de controle de processo não passe dos 20% da demanda de consumo nacional do termoredutor.

INDÚSTRIA -‐ Melhoria do Rendimento Gravimétrico

Ø  Para um consumo de carvão vegetal de 6,9 milhões t./ano, tem-‐se ainda 5,5 milhões de toneladas sendo produzida anualmente de forma rudimentar, sem condições de oferecer a qualidade ideal exigida para melhor performance dos altos fornos.

Ø  Considerando-‐se um RG = 26%, chegando a 35%, seria o equivalente a produção adicional de 1,9 milhões de t./ano. A um preço de mercado de R$600,00 seria o equivalente a R$1,14 bilhões por ano perdidos sem retorno para a atmosfera.

DESENVOLVIMENTO

INDÚSTRIA -‐ Periféricos – Queimador de fumaças da pirólise da madeira


Ø  Queimadores de Fumaça em desenvolvimento há mais de 15 anos pelos setores de P&D de grandes empresas siderúrgicas no Brasil


INDÚSTRIA -‐ Periféricos – Queimador de fumaças da pirólise da madeira

Ø  Para entender as dificuldades tecnológicas da queima das fumaças provenientes de fornos retangulares, que vem impedindo a aplicação em larga escala desta solução de miLgação das emissões, vamos analisar o comportamento da pirólise e dos gases condensáveis e não condensáveis emiLdos

Ø  Carbonização por varredura: Início nas extremidades e final na região da chaminé

Ø  Gases pobres em PCI (poder calorífico) no início e fim de processo. Gases ricos em PCI no tempo intermediário

Ø  Para compensar esta diferença de fase e de PCI os fornos devem obedecer a um rigoroso sincronismo, caso contrário o queimador não conseguirá se manter aceso e estável, a menos que se queime biomassa extra.

DESENVOLVIMENTO



Ø  Resolvido o problema tecnológico de queima das fumaças, surge outro gargalo de processo: quase todos os parques industriais de produção de carvão vegetal existentes no Brasil são construídos com os fornos dispostos de forma paralela formando várias fileiras em linha reta.

Ø  Assim, ao se instalar um queimador central, para atender por exemplo um conjunto de 12 fornos, as tubulações de condução dos gases terão distâncias bem dis8ntas uma das outras o que dificulta bastante o sincronismo exigido para uma queima estável das fumaças.

Vallourec

DESENVOLVIMENTO



Ø  Neste contexto, algumas empresas já começaram a mudar seus layouts em novas implantações de fornos de alvenaria como é o caso da Saint Gobain e Vetorial EnergéLca.

Ø  Espera-‐se com isto poder o8mizar o sistema de condução das fumaças para um coletor

central que, ao fazer a mistura, possa ser queimado de forma mais estável, reduzindo ao máximo ou até eliminando-‐se a necessidade de biomassa auxiliar no sistema queimador.

Vetorial


Vetorial

INDÚSTRIA -‐ Periféricos – Secadores de Madeira

Ø  Vencidas as barreiras de queima estável das fumaças da carbonização da madeira, surge um novo desafio que é a secagem da madeira uLlizando-‐se a energia dos gases combustos vindos do queimador central.

Ø  Num processo convencional, cerca de 9 a 12% da madeira total enfornada é uLlizada como combusmvel no interior dos fornos para suprir energia ao processo de secagem e carbonização.

Ø  Deste total somente a secagem irá demandar em torno de 7 a 10%, ou até mais dependendo da umidade da madeira enfornada. Este consumo irá refle8r diretamente no rendimento gravimétrico global da produção do carvão vegetal.

Ø  Assim, da mesma forma que a queima dos gases, a secagem da madeira vem sendo há mais de 15 anos estudada e testada como pesquisa e desenvolvimento por empresas Siderúrgicas de Minas Gerais, denominado Grupo G6 (ArcelorMipal, Aperam, Vallourec, Gerdau, Plantar e VotoranLm), em parceria com universidades como UFV (Viçosa-‐MG), UFLA (Lavras-‐MG) e UFMG (Belo Horizonte-‐MG).



Grupo G6

Ø  Apesar de avançarem no estudo de várias soluções técnicas disponíveis no mercado, as empresas vêm esbarrando nos altos custos de implantação destas tecnologias, correspondendo a elevado tempo de retorno de invesLmento (> 5 anos). Este ponto relevante impede que se aplique a curto prazo estes equipamentos em larga escala, demandando primeiro testes em unidades piloto.


Ø  Além de Minas Gerais, outras empresas vem estudando diversas tecnologias disponíveis no mercado visando acoplar secadores externos aos seus fornos de alvenaria, como é o caso da Vetorial EnergéLca operando no Mato Grosso do Sul.


INDÚSTRIA -‐ Novas Tecnologias


Retorta de Carbonização Conmnua

Arcelor Mi1al e Vallourec Florestal

•  Produção de 5000 a 25000 t.cv/ano

•  Elevado Rendimento Gravimétrico > 38%

•  Homogeneidade química do carvão vegetal

•  Altos valores de inves8mento (R$3mil/t.ano)

•  Necessidade de grandes maciços florestais (>10.000 ha) para diluir custos operacionais



Tecnologia DPC (Drying, Pyrolisis, Cooling)

•  Produção Modulada em 1000 t.cv/ano



•  Médios valores de inves8mento (R$0,5mil/t.ano)

•  Alta dependência de sincronismo

•  Necessidade de operar unidade mínima de 12.000 t/ano para dirimir dúvidas técnico-econômicas da indústria do setor



Tecnologia ONDATEC – Carbonização via Micro-‐ondas

•  Produção Modulada em 1000 t.cv/ano



•  Médios valores de inves8mento (R$1,0mil/t.ano)

•  Alta dependência de geração de energia e venda de subprodutos como o bioóleo

•  Necessidade de operar unidade mínima de 12.000 t/ano para dirimir dúvidas técnico-‐econômicas da indústria do setor

INDÚSTRIA – Produtores Independentes de Ferro Gusa


Estado Quantidade de Empresas

Município Número de Altos Fornos

Capacidade instalada t/ano

Minas Gerais 59 29 106 8.112.000

Espírito Santo 4 5 8 804.000

Pará 10 1 17 2.412.000

Maranhão 7 3 16 1.836.000

Mato Grosso do Sul 3 4 7 964.000

Totais 83 42 154 14.128.000

Ø  Tirando as grandes usinas integradas que representam em torno de 20% desta capacidade, tem-‐se 11,3 milhões de t/ano. Considerando que em torno de 5% dos produtores independentes já vem implantando processos de controle da produção de carvão vegetal, restam ainda cerca de 10 milhões de toneladas anuais de potencial de produção de ferro gusa consumindo carvão vegetal oriundo de processos rudimentares. Considerando-‐se um consumo médio de 730kg/t de gusa tem-‐se a necessidade de 7,3 milhões de toneladas anuais do termoredutor em momentos de alta demanda.


INDÚSTRIA – Produtores Independentes de Ferro Gusa

Ø  O fato importante neste cenário é que não será possível, pelo menos nos próximos cinco ou até mesmo dez anos, uma mudança significaLva destes produtores de carvão vegetal com relação à troca dos fornos de alvenaria atuais (que na sua maioria é composta por fornos circulares de pequeno porte, com capacidade de 50 t/ano), por inves8mentos em novas tecnologias, ou mesmo pela troca por fornos retangulares de alvenaria de grandes capacidades (750 t/ano).

Ø  O principal mo8vo se deve às incertezas do mercado mundial (boa parte desta produção é exportada) quanto à uma retomada linear e sustentável do crescimento e consequente demanda por ferro gusa que viabilize um inves8mento em novos parques industriais de produção de carvão vegetal.

Ø  A solução mais facmvel para uma transição de meio termo seria a implantação de sistemas de controle do processo de carbonização aplicáveis a este Lpo de forno existente, com baixo custo de inves8mento e que sejam devidamente regulamentados e financiados pelos programas de governo (BNDES, Propflora, Pronaf Florestal e Fundo Clima Projetos Inovadores).


GOVERNO – Financiamentos para o Setor Siderúrgico a carvão vegetal

•  PROPFLORA (Programa de PlanLo Comercial e Recuperação de Florestas); •  PRONAF Florestal (Programa Nacional de Fortalecimento da Agricultura Familiar); •  PRONAF ECO (Energia Renovável e Sustentabilidade Ambiental); •  BB FLORESTAL (Programa de InvesLmento e Custeio e Comercialização Florestal do B. do Brasil); •  BNDES Florestal.

Ø  Estes programas atendem uma larga gama de produtores desde os pequenos produtores rurais até as grandes empresas. Portanto, no quesito produção de matérias primas o financiamento não pode ser considerado um gargalo.

Ø  Existem hoje vários Lpos de financiamentos disponíveis para invesLmentos em planLo de florestas que podem ser usadas para produção de carvão vegetal, como:



Ø  Com relação à produção de carvão vegetal em si, o programa disponível hoje de destaque é sem dúvida o Fundo Clima do BNDES, voltados exclusivamente para apoiar invesLmentos voltados para a melhoria da eficiência e sustentabilidade da produção de carvão vegetal.

Ø  Duas modalidades deste fundo atendem diretamente os objeLvos do Plano Setorial de Redução de Emissões da Siderurgia: Fundo Clima -‐ Carvão Vegetal e Fundo Clima Projetos Inovadores e mais recentemente o Inova Sustentabilidade que poderão ajudar para acelerar a aprovação e implantação das tecnologias modernas de carbonização.

•  construção e instalação de laboratórios de monitoramento de emissão de gases de efeito estufa e de desastres naturais;

•  aquisição e instalação de equipamentos visando monitorar desmatamentos; projetos •  experimentais na área de combate à deserLficação beneficiando mais de 3.000 famílias com

assistência técnica e capacitação em manejo florestal na recuperação de áreas degradadas e proteção de ecossistemas.

Ø  Nos úlLmos três anos de 2011 a 2013 o Fundo Clima apoiou projetos estratégicos e experimentais como:



Ø  Entretanto, com relação ao foco principal do Plano Siderurgia, somente um projeto foi contratado ao BNDES: A Empresa Vallourec Florestal assinou a parLr de Junho de 2013 projeto para aumentar sua capacidade de produção de 250 mil para 440 mil toneladas de carvão vegetal por ano e o foco do projeto será exatamente como transformar com a melhor eficiência a madeira em carvão vegetal.

Ø  Levantamentos feitos recentemente com diversas empresas do setor siderúrgico no Brasil mostraram que grandes empresas tem conhecimento das linhas de financiamento, já as uLlizam há algum tempo no desenvolvimento e aumento de plan8os de eucalipto, porém quando o assunto é tecnologia em fornos de carbonização, não foi esclarecido o moLvo do não uso deste 8po de financiamento, que as vezes são feitos com recursos próprios do grupo a que pertencem sob a forma de pesquisa e desenvolvimento.

Ø  Com relação às pequenas e médias empresas predominou um desconhecimento do corpo técnico sobre o uso destes financiamentos na modernização de seu parque industrial, moLvo este que pode vir a explicar parcialmente a total ausência de contratos firmados com o BNDES nestas modalidades disponíveis nos úl8mos anos.

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Ø  Para melhorar as qualidades do carvão vegetal e promover ganhos do planLo ao produto Ferro Gusa, a adoção das tecnologias existentes de fornos de produção de carvão vegetal com controle e monitoramento de processo podem trazer resultados saLsfatórios de aumento da taxa de conversão de madeira em carvão e aumento da produ8vidade dos altos fornos, reLrando o processo de carbonização da fase atual, fortemente empírica, minimizando a alta variação bsico-‐química-‐metalúrgica.

Ø  É preciso definir estratégias para aumentar a procura e u8lização dos diversos recursos disponíveis no Governo para implantação das melhorias necessárias.

Ø  Promover a criação de fundos financeiros pelas siderúrgicas, como o Fundo Florestal Carajás, criado com atribuição exclusiva de fomentar e fiscalizar projetos de reflorestamento, incluindo aqui os projetos de melhorias da conversão da madeira em carvão vegetal, financiados com recursos próprios e ICC, Ins8tuto Carvão Cidadão, para orientar, auxiliar e fiscalizar todas as etapas da cadeia produLva do carvão, com a inclusão dos micro-‐produtores de carvão vegetal;

Ø  Promover a harmonização da polí8ca florestal entre a União e os Estados, pois é imprescindível a estruturação de plataforma de apoio dos governos federal e estaduais às ações de sustentabilidade da produção de gusa a carvão vegetal

CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES

MUITO OBRIGADO !

sustentabilidade da produção de gusa a cv: ações em curso no país

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