Utilização de gás de coqueria na sinterização de minério de ferro

Use of coke oven gas in iron ore sintering

METALURGIA E MATERIAIS METALLURGY AND MATERIALS

Utilização de gás de coqueria na sinterização de minério de ferro

Use of coke oven gas in iron ore sintering

Vagner Silva Guilherme^I; Jose Adilson de Castro^II

^IPrograma de Pós-Graduação Engenharia Metalúrgica, UFF - Universidade Federal Fluminense, Pólo de Volta Redonda. [e-mail]

^IIPrograma de Pós-Graduação Engenharia Metalúrgica, UFF - Universidade Federal Fluminense, Pólo de Volta Redonda. [e-mail]

RESUMO

Visando a estudar novas alternativas para o processo de sinterização, a utilização de gases combustíveis tem proporcionado reduções significativas no consumo de combustíveis sólidos, além de propiciar maior controle da qualidade física e metalúrgica do sínter. Nesse estudo, é utilizado um modelo de sinterização para avaliar a injeção de gás de coqueria no processo. Foram analisados cinco casos de injeção de gás de coqueria, visando, sempre, a uma operação estável do processo. Os resultados de simulação indicam um menor consumo de combustível sólido com a injeção do gás de coqueria e alargamento da frente de combustão. Como resultado desse processo, houve um aumento da fração de cálcio-silicatos, o que propiciou uma melhoria na redutibilidade e uma redução na quantidade de CO₂ no gás de saída.

Palavras-chave: Sinterização, gás de coqueria, simulação computacional.

ABSTRACT

In order to study new alternatives for the sintering, the use of gaseous fuels has provided a significant reduction in the consumption of solid fuels, and also propitiates better quality control of physical and metallurgical sinter properties. In this study, a sintering model is proposed to evaluate the injection of coke oven gas in the process. We analyze five cases of coke oven gas injection always seeking a stable operational process. The simulation results indicate a lower consumption of solid fuel with the injection of coke oven gas and an increase of the combustion front. As a result, this increased the fraction of calcium silicates, which consequently improved the reducibility and also reduced the amount of CO₂ in the output gas.

Keywords: Sintering, coke oven gas, computer simulation.

1. Introdução

O processo de sinterização é usado para fundir, parcialmente, os finos de minério de ferro. Também é utilizado com o objetivo de agregá-los. A referida sinterização tem, como finalidade, produzir sínter para o processo de redução em altos-fornos. A resistência mecânica do agregado dependerá da quantidade e do tipo de material fundido entre as partículas (Geerdes et al., 2004).

Um dos aspectos mais relevantes do processo é o consumo energético que incide sobre o custo do gusa e das emissões de particulados e gases. Os itens de qualidade de maior relevância, para o processamento no alto-forno, são resistência mecânica e redutibilidade do aglomerado, que estão, intrinsecamente, ligados à composição das matérias-primas utilizadas na sinterização e no histórico térmico na esteira de sinterização (Guilherme et al., 2011).

Nos últimos anos, a redução da emissão de CO₂ se tornou uma questão urgente na indústria do aço como medida preventiva contra o aquecimento global. Na siderurgia, aproximadamente, 60% das emissões acontecem nas sinterizações feitas em altos-fornos. Por tudo isso, a redução da quantidade de coque usado, tanto na sinterização, como no alto-forno tem sido exigida (Oyama et al., 2011).

Na busca por melhorias no processo de sinterização, a injeção de combustível gasoso vem se tornando uma técnica alternativa, capaz de ampliar a frente de combustão e diminuir o consumo de coque, proporcionando melhores propriedades ao sínter, além de estabilidade operacional. O presente trabalho buscou verificar se a injeção de gás de coqueria (GC), ao longo da esteira, no processo de sinterização, confere melhores propriedades físicas e mecânicas ao sínter. Para esse estudo, foi utilizado o modelo computacional para simulação do processo de sinterização de minério de ferro (Castro et al., 2005).

2. Modelamento matemático

Através da discretização das equações de transporte, utilizando o método de volumes finitos (Patankar, 1985), pode-se realizar simulações para previsão e caracterização de processos. O modelo consiste em descrever os fenômenos que ocorrem no interior do leito de sinterização de minério de ferro num sistema de duas fases, que interagem entre si, transferindo momentum, massa e energia. Nesse modelo, foram implementadas, diferentes condições de operação para avaliar a qualidade do produto. Os fenômenos de transferência de momentum, energia e espécies químicas, para cada fase envolvida no interior do leito, estão representados na Equação 1 (Equação geral de transporte). Nessa equação, o 1º termo do lado esquerdo representa o termo transiente. Já o 2º termo quantifica a convecção. O 1º termo do lado direito representa a contribuição que ocorre devido à difusão. O 2º termo agrupa os chamados termos-fontes.

A Equação 1 sintetiza o balanço de todas as grandezas listadas na Tabela 1, em que os índices i referem-se às fases e K, às variáveis envolvidas no balanço, como: espécies químicas pertencentes à fase i, componentes de velocidades (u) e entalpias (H). Os índices ρ e ε representam as massas específicas e as frações volumétricas das fases, respectivamente, enquanto Γ é a difusividade efetiva, que pode representar viscosidade dinâmica, para o caso das equações de momentum, difusividades térmicas, quando se trata das equações de entalpia, ou difusividade molecular, para as equações de balanço de espécies químicas (Guilherme, 2010).

Em um escoamento multifásico, como os componentes encontram-se misturados, pode-se caracterizar a presença de cada um por sua fração molar ou por sua fração mássica (Guilherme, 2010).

3. Resultados e discussão

Foram selecionados um cenário base e outros cinco com a utilização de GC, com 2%, 4%, 6%, 8% e 10% do volume do gás de sucção. Foi utilizado o gás de coqueria, por ser um gás rico em H₂. Esse gás possui alta energia por unidade de peso, comparativamente a qualquer combustível. Especificamente, a quantidade de energia libertada, durante a reação do hidrogênio, é cerca de 2,5 vezes que o poder de combustão de um hidrocarboneto (gasolina, gasóleo, metano, propano, etc...), como mostra a Tabela 2 (Santos & Santos, 2005).

Os resultados das simulações apresentaram operações estáveis. Tais resultados são indicados pelo fechamento do balanço de massa (erro < 0,01) e pelas condições operacionais.

A Tabela 3 apresenta a composição química do respectivo gás utilizado nas simulações.

Os valores de temperatura, da interface do leito de sinterização com a esteira, obtidos pelas simulações, são apresentados na Figura 1. Foram feitas as seguintes considerações nas simulações:

• Cenário-base: condição de operação de uma planta industrial de alta produtividade.

• Cenário 1: substituição parcial do combustível sólido por GC com 2% do volume do gás de sucção, alimentado pelas regiões das 10 primeiras caixas de vento.

• Cenário 2: mesma configuração do cenário 1 porém com 4% do volume do gás de sucção.

• Cenário 3: mesma configuração do cenário 1 porém com 6% do volume do gás de sucção.

• Cenário 4: mesma configuração do cenário 1 porém com 8% do volume do gás de sucção.

• Cenário 5: mesma configuração do cenário 1 porém com 10% do volume do gás de sucção.

Quando se observa a Figura 1, pode-se visualizar, primeiramente, um perfil básico de temperatura (característico do processo). Também é possível observar os casos alternativos descritos a seguir. Quando o GC foi adicionado no processo, aconteceu um pequeno deslocamento do perfil de temperatura para a esquerda, porém mantendo os mesmos níveis de temperatura no final da esteira. Isso aconteceu, gradativamente. Observou-se que, quanto maior o volume de gás injetado no processo, maior o deslocamento da curva, proporcionando o alargando da frente de combustão, como é visto na Figura 2. Com isso, o tempo de residência do material, na temperatura de sinterização, foi aumentado, proporcionando uma melhor aglomeração.

A composição química do sínter obtida com as simulações é vista na Tabela 4. O modelo mostra que não ocorre variação significativa na composição química do sínter, apesar da injeção do GC.

Outros aspectos importantes são sumarizados na Figura 3, na qual é apresentado o consumo de combustível por tonelada de sínter, a produtividade, a quantidade de cálcio-ferrita no sínter e a quantidade de CO₂ no gás de saída, processos obtidos com as simulações.

A Figura 3(A) mostra o consumo previsto de combustível, quando foi feita a substituição parcial de combustível sólido pelo combustível gasoso. O consumo de finos de coque diminuiu com a injeção do gás de coqueria, existindo, nesse caso, a possibilidade da utilização de um combustível sólido de qualidade inferior, porém isso não foi abordado nas simulações. Entretanto os resultados mostram que tal operação eleva o consumo global de energia do processo. Na Figura 3(B), é apresentada a produtividade obtida em cada cenário. Pode-se observar que a produtividade aumenta com a injeção do GC, fato esperado, pois, quando foi retirada uma parcela de finos de coque no processo, esse volume foi substituído por finos de minério de ferro. Como foi mantido o leito com as mesmas dimensões em todos os cenários, espera-se maior produtividade. A Figura 3(C) apresenta a quantidade de cálcio-ferrita no sínter estimada pelo modelo. Pode-se observar que a injeção de gás de coqueria aumenta a quantidade da mesma em todos os casos. Isso é justificável devido ao aumento do tempo de residência do material à temperatura elevada. O modelo estima o valor de cálcio-ferrita através do diagrama de equilíbrio, o qual é baseado no histórico térmico do material. Quanto maior o tempo de residência do material à temperatura elevada, maior a quantidade de cálcio-ferrita (Guilherme et al., 2011). Na Figura 3(D), foi apresentada a quantidade de CO₂ no gás de saída. Foi percebido que com a injeção do GC foi possível reduzir os níveis de CO₂ no gás de saída. Esse fato é muito importante nos dias atuais, pois a redução da emissão de CO₂ se tornou uma questão urgente na indústria de aço como medida preventiva contra o aquecimento global (Oyama et al., 2011).

O processo de sinterização é usado para fundir, parcialmente, os finos de minério de ferro, de maneira que sua resistência mecânica dependerá da quantidade e tipo de material fundido entre as partículas. Também é utilizado para agregá-los. A resistência mecânica do sínter influencia a produtividade da sinterização, uma vez que uma baixa resistência mecânica resulta numa alta taxa de reciclagem de finos. Com o aumento do tempo de residência do material à elevada temperatura, aumenta-se a resistência mecânica do material, pois aumenta-se a quantidade de materiais fundidos e, por consequência, aumenta-se a produtividade do processo, fato que é devido à menor quantidade de finos. No entanto, deve se evitar a formação de fases vítreas, uma vez que elas fragilizam o material (Guilherme et al., 2011).

4. Conclusões

Esse trabalho investiga o desempenho do processo de sinterização que opera com a injeção de GC. O modelo é baseado em equações de momentum, energia e espécies químicas de duas fases coexistindo simultaneamente no leito de sinterização. A utilização de gás combustível mostra-se uma técnica promissora. Tendo como base os resultados de simulação são enfatizadas algumas conclusões, as quais estão apresentadas a seguir.

Quando se utiliza o gás de coqueria no processo de sinterização, tem-se menor consumo de finos de coque. No entanto, o consumo total de energia do processo é elevado, embora seja possível a utilização de combustível sólido de menor qualidade, o que não foi explorado nesse trabalho.

As simulações mostraram que a injeção de GC proporciona um alargamento gradativo na frente de combustão, ou seja, quanto maior a quantidade de gás injetado, maior a espessura da frente de combustão. Tal processo, por consequência, aumenta a fração de cálcio-ferrita no sínter, melhorando a redutibilidade do mesmo. Esse aumento do tempo de residência do material à elevada temperatura, proporciona maior formação de fase líquida e, por consequência, maior produtividade do processo, pois, dessa forma, haverá melhor aglomeração, aumentando a resistência mecânica do sínter.

Outro aspecto importante a ser destacado está relacionado com a emissão de CO₂, pois o processo apresenta resultados que mostram que a injeção do GC, no processo de sinterização, reduz a emissão de CO₂, fato importantíssimo nos dias atuais devido ao efeito estufa.

5. Agradecimentos

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo suporte financeiro concedido e à Universidade Federal Fluminense (UFF), que forneceu toda a estrutura necessária para a realização desse trabalho.

6. Referências bibliográficas

Artigo recebido em 08 de dezembro de 2011

Aprovado em 23 de janeiro de 2012

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• OYAMA, N., IWAMI, Y., YAMAMOTO, T., MACHIDA, S., HIGUCHI, T., SATO, H., SATO, M., TAKEDA, K., WATANABE, Y., SHIMIZU, M., NISHIOKA, K. Development of secondary-fuel injection technology for energy reduction in the iron ore sintering process. ISIJ International, v. 51, n. 06, p. 913-921, Mar. 2011.
• PATANKAR, S. V. Numerical heat transfer and fluid flow Washington: Hemisphere Publishing Company, 1985. 197p.
• SANTOS, F. M., SANTOS, F. A. O combustível "hidrogénio". RE - Educação, Ciência e Tecnologia, n. 31, maio de 2005.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  02 Out 2012
• Data do Fascículo
  Set 2012

Histórico

• Recebido
  08 Dez 2011
• Aceito
  23 Jan 2012