LUCIANA CORRÊA MAGALHÃES ESTUDO DE GASEIFICAÇÃO DA LAMA DE ALTO FORNO DA ARCELORMITTAL TUBARÃO Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica na área de Transmissão e Conversão de Energia. Orientador: João Andrade de Carvalho Júnior Co-orientador: Sérgio Leite Lopes Guaratinguetá 2010 DADOS CURRICULARES LUCIANA CORRÊA MAGALHÃES NASCIMENTO 12.05.1975 – ARROIO DO TIGRE / RS José Leão Magalhães FILIAÇÃO Irani Corrêa Magalhães 1994/1999 Curso de Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Escola de Minas de Ouro Preto - Universidade Federal de Ouro Preto 2003/2004 Curso de Pós-Gradução em Engenharia Ambiental do Departamento de Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo. 2005/2006 Curso de Pós-Graduação em Administração de Empresas, na Fundação Dom Cabral - FDC. 2007/2010 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado, na Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista. DEDICATÓRIA de modo especial, à minha mãe Irani e pai José, que com seus ensinamentos, foram os grandes incentivadores para que eu nunca desistisse dos meus ideais, e aos meus irmãos Tarcísio e Ana Paula e sobrinho João Marcelo pela compreensão nas horas de faltas. AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus, fonte da vida e da graça. Agradeço pela minha vida, minha inteligência, minha família e meus amigos; ao meu orientador, Prof. Dr. João Andrade Carvalho Júnior que jamais deixou de me incentivar. Sem a sua orientação, dedicação e auxílio, o estudo aqui apresentado seria praticamente impossível; ao meu co-rientador, Dr. Sérgio Leite Lopes que com sua orientação e conhecimento me passou informações fundamentais sobre gaseificação que proporcionou a construção do estudo; aos meus pais José e Irani, que apesar das dificuldades enfrentadas, sempre incentivaram meus estudos; ao amigo Guilherme Corrêa Abreu que me incentivou a realizar o curso, pelos conselhos, apoio e exemplo de ideal; à amiga Cristiana Gonçalves Borges pela amizade e apoio nas horas de necessidade; à amiga Cátia Moreira Casagrande pela disposição e fornecimento de informações técnicas sobre carvão que apoiaram no desenvolvimento do estudo; ao amigo Ricardo Filipe Moreira pelas informações sobre lama de alto forno para desenvolvimento do estudo; à ArcelorMittal Tubarão pela confiança em mim e oportunidade que proporcionou desenvolvimento do estudo; às secretárias da pós-graduação Regina e Elisa pela dedicação e alegria no atendimento; à Orienta Energias Alternativas, em particular na pessoa do engenheiro Emílio Brandão, pelos dados utilizados no estudo de caso. Este trabalho contou com apoio da: ArcelorMittal Tubarão - Programa de Pós-Graduação em Combustão - PPGC MAGALHÃES, L. C. Estudo de Gaseificação de lama de alto forno da ArcelorMittal Tubarão. 2010. 68 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2010. RESUMO Esta dissertação analisou a viabilidade técnica de gaseificação de lama de alto de alto forno da ArcelorMittal Tubarão para produção de gás visando uma utilização interna. A gaseificação foi conduzida através de simulação em modelo de equilíbrio químico TCW - Termochemical Information and Equlibrium Calculation. Foram simuladas 3 misturas para gaseificação: a) 100% carvão metalúrgico de alto volátil (base das misturas), b) de lama de alto forno com 85% de carvão metalúrgico alto volátil e c) de lama de alto forno com 75% de carvão metalúrgico alto volátil. Os dois parâmetros principais que definiram a viabilidade técnica de gaseificação de lama de alto forno foram poder calorífico inferior - PCI e faixas de trabalho temperaturas no reator. O PCI do gás foi calculado a partir das frações molares de H2 e CO contidas no gás obtidos nas misturas simuladas. PALAVRAS-CHAVE: lama de alto forno, gaseificação, poder calorífico inferior, simulação e equilíbrio químico. MAGALHAES, L.C. Study of blast furnace sludge gasification at ArcelorMittal Tubarão. 2010. 68 f . Dissertation (Master’s degree in Mechanical Engineer) - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2010. ABSTRACT This dissertation analyzed the technical viability of blast furnace slurry gasification with the objective of using the obtained gas at ArcelorMittal Tubarão. The process was simulated using an equilibrium program, the TCW - Termochemical Information and Equilibrium Calculation. Three mixtures were considered for gasification: a) 100% high volatile metallurgical coal (the base of the mixtures), b) 15% slurry and 85% coal, and c) 25% slurry and 25% coal. The two main parameters that defined the technical viability of the blast furnace slurry were the mixture Low Heat Value (LHV) and the temperature ranges for work in the gasification reactor. The LHV was calculated from the molar fractions of H2 and CO in the gas obtained in the simulation. KEYWORDS: Blast furnace sludge, gasification, net calorific value, simulation and chemical equilibrium. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – Distribuição de Gases da ArcelorMittal Tubarão....................................15 FIGURA 2 – Fluxo Produtivo da ArcelorMittal Tubarão........................................ ....21 FIGURA 3 – Vista aérea dos três Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão............. ....22 FIGURA 4 – Distribuição das zonas no Alto forno ................................................. ....23 FIGURA 5 – Sistema de limpeza de gás do alto forno da ArcelorMittal Tubarão.....25 FIGURA 6 – Vista aérea dos espessadores da ETA dos Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão .........................................................................................................................26 FIGURA 7 – Fluxo de Tratamento da lama de alto forno da ArcelorMittal Tubarão .................................................................................................................................. ....28 FIGURA 8 – Métodos de Gaseificação.................................................................... ....30 FIGURA 9 – Desenho Esquemático do Gaseificador da OEA- Tecnologia: Leito Fluidizado Circulante ............................................................................................... ....42 FIGURA 10 – Fotografias do Gaseificador da OEA em construção.em Linhares / ES. Ref.: Outubro de 2010 .............................................................................................. ....43 FIGURA 11 – Gráfico do PCI calculado para a mistura 1....................................... ....52 FIGURA 12 – Valores do PCI calculado para a condição 1 da mistura 2 ............... ....53 FIGURA 13 – Valores do PCI calculado para a condição 2 da mistura 2 ............... ....54 FIGURA 14 – Comparativo dos valores do PCI calculado para as condições 1 e 2 da mistura 3. .................................................................................................................. ....56 FIGURA 15 - Valores do PCI calculado para a condição 3 da mistura 3.....................57 FIGURA 16 - Valores do PCI calculado para todas as misturas do sistema entalpia- isobárico........................................................................................................................58 LISTA DE TABELAS TABELA 1 – Resultados das análises imediata, elementar e poder calorífico da lama...............................................................................................................................37 TABELA 2 – Caracterização química do carvão metalúrgico alto volátil Mont Laurel .................................................................................................................................. ....38 TABELA 3 – Definição da proporção dos componentes nas misturas carvão e lama de alto forno................................................................................................................... ....38 TABELA 4 – Massa dos elementos considerando100 gramas de lama de alto forno..39 TABELA 5 – Massa dos elementos considerando 100 gramas de carvão....................39 TABELA 6 – Massa dos elementos para as misturas 1, 2 e 3.................................. ....40 TABELA 7 – Razões de equivalências simuladas ................................................... ....44 TABELA 8 – Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a mistura ..........................................................................................................................45 TABELA 9 – Valores de PCI calculados para o gás da Mistura 1 .......................... ....46 TABELA 10 – Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 1a condição da mistura 2 ............................................................................................... ....46 TABELA 11 – Valores de PCI calculados para o gás para a 1a condição da Mistura 2 .................................................................................................................................. ....47 TABELA 12 - Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 2a condição da Mistura 2...................................................................................................47 TABELA 13 - Valores de PCI calculados para o gás para a 2a condição da Mistura 2.....................................................................................................................................48 TABELA 14 - Composição do gás para as razões de equivalências simuladas 1a condição da mistura.......................................................................................................49 TABELA 15 -. Valores de PCI calculados para o gás para a 1a condição da Mistura 3.....................................................................................................................................49 TABELA 16 – Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 2a condição da mistura 3....................................................................................................49 TABELA 17 – Valores de PCI calculados para o gás para 2a condição da mistura .....50 TABELA 18 – Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 3a condição da mistura 3....................................................................................................50 TABELA 19 – Valores de PCI calculados para o gás para a 3a condição da mistura 3.....................................................................................................................................51 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS BFG - Blast Furnace Gas (Gás de Alto forno) COG - Coke Oven Gas (Gás de Coqueria) LDG - Linz Donawitz Gás (Gás de Aciaria) SGA - Sistema de Gestão Ambiental LTQ - Laminador de Tiras a Quente ISO - International Organization for Standardization NBR - Regulamentação Brasileira de Normas PCI - Pulverization Coal Injection ETL - Estação de Tratamento de Lama CASP - Central de Armazenamento de Subprodutos IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas OEA - Orienta Energias Alternativas LFC - Leito Fluidizado Circulante TCW - Termochemical Information and Equilibrium Calculation LISTA DE SÍMBOLOS T Temperatura K PCI Poder Calorífico Inferior kJ/Nm³ hf Entalpia de Formação kJ/mol PCS Poder Calorífico Superior kJ/mol hf Entalpia de Formação kJ/mol V Volume Normal Nm³ ϕ Razão de Equivalência adimensional SUMÁRIO CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................14 1.1 Justificativa..............................................................................................................14 1.2 Objetivos..................................................................................................................18 1.3 Processo de Produção lama de alto forno................................................................19 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA..........................................................28 2.1 Gaseificação............................................................................................................28 2.2 Tipos de Gaseificadores…………………………………………………….........31 CAPÍTUO 3 METODOLOGIA .................................................................................37 3.1 Caracterização do material .....................................................................................37 3.2 Métodos de Análise................................................................................................40 3.2.1 Simulações............................................................................................................43 CAPÍTULO 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ...........................52 4.1 Mistura 1..................................................................................................................52 4.2 Mistura 2..................................................................................................................53 4.3 Mistura 3..................................................................................................................55 CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES ..................................................................................58 CAPÍTULO 6 CONTINUIDADE DO ESTUDO......................................................59 CAPÍTULO 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................60 14 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 Justificativa Qualquer trabalho voltado para a busca da eficiência energética deve levar em consideração os aspectos ambientais, sócio-econômicos e disponibilidade dos recursos energéticos. Nesse sentido, as empresas têm buscado no eco eficiência a razão e os meios para ser exemplo do ponto de vista ambiental e ações que traduzem a sua visão de responsabilidade sócio-econômica. As usinas siderúrgicas são grandes consumidoras de energia elétrica para a produção de aço, há a necessidade da utilização de um agente redutor para obtenção do ferro gusa a partir do minério de ferro (por exemplo, Fe2O3, Fe3O4). O carbono possui papel fundamental nas reações de redução do minério de ferro, intrínsecas à produção de aço, atuando como principal agente redutor. Como fator decorrente, há a geração de resíduos, gases e efluentes líquidos. Vale ressaltar o esforço integrado do setor siderúrgico com vistas ao uso eficiente de sua matriz energética, independente da rota de produção ser integrada a coque, carvão vegetal ou semi-integrada, o que pode ser verificado ao longo dos anos com a aplicação e uso de tecnologias mais eficientes em termos do aproveitamento e conservação de energia. Nas usinas siderúrgicas integradas, a matriz energética está suportada no uso do carvão mineral. O carvão mineral é a segunda fonte de energia primária no mundo. As principais fontes de energia derivadas do carvão mineral são: gás de alto forno (BFG - Blast Furnace Gas), gás de coqueria (COG - Coke Oven Gas), gás de aciaria (LDG - Steelmaking Gas) e alcatrão podem ser utilizadas internamente tanto para produção de energia elétrica quanto para aquecimento das unidades produtivas. A Figura 1 mostra um esquema da distribuição de energéticos da usina siderúrgica ArcelorMittal Tubarão. 15 Figura 1: Distribuição de Gases da ArcelorMittal Tubarão Conforme a Figura 1, a linha destacada na cor lilás mostra o fluxo do gás COG que é gerado na coqueria durante o processo de coqueificação, onde ocorre a pirólise seca do carvão, as moléculas complexas das substâncias do carvão são submetidas a temperaturas elevadas da ordem de 1.373 K, decompõem-se formando gases, líquidos, compostos sólidos de peso molecular mais reduzido e um resíduo sólido que é o coque. O COG por possuir um poder calorífico alto é o principal combustível utilizado nos processos da ArcelorMittal Tubarão. Este gás é utilizado puro no aquecimento de panelas de aço, nos fornos rotativos da calcinação, na sinterização, etc. Os dois maiores consumidores de COG são a própria coqueria onde pode ser consumido puro ou misturado com BFG, e o forno de reaquecimento de placas do Laminador de Tiras a Quente – LTQ onde é consumido misturado com BFG e LDG. O gás BFG cujo fluxo está destacado na Figura 1 na cor amarela, é gerado no alto forno durante o processo de redução do ferro para produção do gusa. No topo do alto forno estão localizados os dispositivos de carregamento responsáveis por inserir e Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S VAPOR (26 t/h) G 72 MVA VAPOR (26 t/h) T 66 MW G 72 MVA S T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) Máquina de moldar gusa Calcinação Aciaria Carro torpedo RH Vendas Tanque de Alcatrão Flare de COG Gasômetro de BFG Flare de BFG LTQ Planta de briquetes Oficinas Estação de distribuição de gás natural GN Misturadora de gases T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) LDG Futuro Gas Misto Gasômetro de LDG Gasômetro de COG COG Flare de MG Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S VAPOR (26 t/h) G 72 MVA VAPOR (26 t/h) T 66 MW G 72 MVA S T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) Máquina de moldar gusa Calcinação Aciaria Carro torpedo RH Vendas Tanque de Alcatrão Flare de COG Gasômetro de BFG Flare de BFG LTQ Planta de briquetes Oficinas Estação de distribuição de gás natural GN Misturadora de gases T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) LDG Futuro Gas Misto Gasômetro de LDG Gasômetro de COG COG Flare de MG Centrais Termoelétricas Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S VAPOR (26 t/h) G 72 MVA VAPOR (26 t/h) T 66 MW G 72 MVA S T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) Máquina de moldar gusa Calcinação Aciaria Carro torpedo RH Vendas Tanque de Alcatrão Flare de COG Gasômetro de BFG Flare de BFG LTQ Planta de briquetes Oficinas Estação de distribuição de gás natural GN Misturadora de gases T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) LDG Futuro Gas Misto Gasômetro de LDG Gasômetro de COG COG Flare de MG Sinterização T.R.T Alto Forno Coqueria COG Alcatrão Vapor BFG T 66 MW G 72 MVA S VAPOR (26 t/h) G 72 MVA VAPOR (26 t/h) T 66 MW G 72 MVA S T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) Máquina de moldar gusa Calcinação Aciaria Carro torpedo RH Vendas Tanque de Alcatrão Flare de COG Gasômetro de BFG Flare de BFG LTQ Planta de briquetes Oficinas Estação de distribuição de gás natural GN Misturadora de gases T 68 MW G 80 MVA VAPOR (50 t/h) LDG Futuro Gas Misto Gasômetro de LDG Gasômetro de COG COG Flare de MG Centrais Termoelétricas 16 distribuir a carga composta por sinter, pelotas, minérios e coque dentro do forno. Também no topo estão localizados os dutos de saída de gás que coletam o gás produzido durante o processo e enviam para o sistema de limpeza. Cerca de 30% do BFG é utilizado no regenerador do próprio alto forno para pré-aquecer o ar que é enviado para as ventaneiras responsáveis pela injeção de ar no alto forno, com isso consegue-se uma economia considerável de combustível sólido no processo de redução. Devido ao fato do BFG possuir um poder calorífico muito baixo, este não pode ser utilizado sozinho como gás combustível. Portanto, o restante do gás é misturado ao gás de coqueria para então poder ser utilizado como gás combustível nas centrais termoelétricas para geração de calor e eletricidade, para aquecimento dos fornos das coquerias reduzindo o consumo de COG neste processo ou nos fornos de reaquecimento de placas para produção de bobinas de aço. O gás LDG, destacado na Figura 1 pela linha de cor laranja, é gerado na aciaria durante o sopro de oxigênio nos conversores ou convertedores. O sopro é realizado objetivando a descarburação do ferro-gusa. Durante este processo ocorre a oxidação dos elementos contidos no ferro-gusa (carbono e outros minerais), gerando a elevação da temperatura do metal e a eliminação dos elementos indesejáveis no aço. Logo após o início do sopro a formação de CO + CO2 é iniciada, porém o determinante para que a recuperação de gás seja iniciada são os teores de CO e O2. Esses números podem variar dependendo do que se deseja do gás e sai aplicação, mas normalmente um gás recuperável possui teor de CO acima de 30% e teor de O2 abaixo de 2%. Em média recupera-se o gás situado entre o segundo e o décimo sexto minuto de sopro, o que corresponde de 70 a 80% do total de gás gerado em uma corrida. O LDG é um gás de poder calorífico médio e é utilizado em vários processos na ArcelorMittal Tubarão. Este gás é utilizado sozinho para geração de energia na Central Termoelétrica de número 4 e nos fornos verticais de calcinação. Quando misturado com o COG este gás é utilizado como combustível nos fornos de reaquecimento de placa, sendo esta sua principal aplicação. 17 Para produção de energia elétrica pelo aproveitamento dos gases (aproximadamente 40%) gerados no processo descritos acima, existem instaladas atualmente na Companhia seis centrais termoelétricas que garantem sua auto- suficiência energética, contribuem para a redução de custos, minimizam impactos sobre o sistema interligado, e ainda geram uma receita adicional pela venda da energia excedente. Das seis, existem quatro unidades com potência instalada aproximadamente de 300 MW que utilizam como combustível os gases BFG, LDG, COG e o alcatrão de forma a garantir o maior aproveitamento dos gases que gerados nos processos siderúrgicos. As outras duas centrais termelétricas produzem energia elétrica pelo aproveitamento do calor gerado no processo de produção de coque via tecnologia heat recovery. O setor elétrico cada vez mais tem se conscientizado da necessidade de conservação e racionalização da energia elétrica para evitar investimentos maiores em geração, obtendo-se sempre vantagens na relação entre o kWh não gerado (pela conservação) e kWh consumido em excesso (por desperdício ou perdas). O instrumento que muitas empresas têm utilizado é a eficiência energética. Desta forma as premissas do modelo energético da ArcelorMittal Tubarão são: � Gerar energia elétrica a partir dos gases gerados internamente e da energia cinética do gás de Alto forno, para garantir o consumo interno; � Gerar energia elétrica a partir do calor dos fumos gerados na produção coque; � Manter o consumo zero de óleo combustível e minimizar o uso de Gás Natural; � Usar a extinção a seco do coque para geração de vapor; � Gerar as demais utilidades para o processo produtivo (oxigênio, nitrogênio, argônio, ar comprimido, etc.); � Garantir auto-suficiência no consumo e vendas de energia elétrica; � Garantir auto-suficiência no consumo de coque. 18 Como o COG é o gás siderúrgico com maior pode calorífico e por isso é utilizado como combustível na maioria dos fornos envolvidos no processo siderúrgico. Aumentar a disponibilidade de COG em uma usina siderúrgica é muito importante para garantir o baixo custo do produto final e a estabilidade do processo. Seja por razões econômicas ou por indisponibilidade de um determinado gás combustível, muitas vezes, na indústria, é necessária a substituição de um gás por outro tipo de gás combustível. Recentemente, houve um exemplo da importância de se ter uma opção para o combustível utilizado nos processos industriais da ArcelorMittal Tubarão quando o fornecimento do gás natural boliviano era incerto e a produção deste gás não era suficiente para atender a demanda do país. DINIZ (2009) desenvolveu um estudo que buscou alternativas para reduzir o consumo de COG na ArcelorMittal Tubarão. Como conclusão, foi verificado que o gás de gaseificação pode viabilizar a redução do consumo de COG. A redução de gás misto também se mostrou viável e a intercambiabilidade aumenta quando se substitui um gás misto por uma mistura de syngas com gás natural. A partir destas premissas, toda e qualquer proposta de otimização do uso de gases siderúrgicos internamente para produção de energia elétrica e redução do uso de gás natural motiva a companhia a apoiar estudos que estejam voltados para otimização de sua matriz energética. 1.2 Objetivos Dentro do contexto já mencionado na justificativa, o objetivo principal do presente trabalho é estudar a viabilidade técnica da gaseificação da lama gerada no alto forno da ArcelorMittal Tubarão para produção de gás visando uma utilização interna. Outros objetivos: estabelecimento de uma base cientificamente sustentada para tomada de decisões quanto à melhor aplicação da lama de alto forno e uma contribuição para ampliação da autonomia energética de empresas do setor de aço. . 19 Utilização de sub-produtos: A lama de alto forno possui características favoráveis para a gaseificação como teor de carbono, densidade e volume. Existem atualmente, desde seu início de operação em 1983, cerca de 196.000 toneladas de lama de alto forno estocadas na ArcelorMittal Tubarão. Considerando que as vendas para a indústria cerâmica absorve tudo que é gerado (2.500 toneladas / mês), ainda existe um grande volume para uma destinação adequada. No item 1.3 deste Capítulo será mostrado o processo de geração e beneficiamento da lama de alto forno. 1.3 Processo de produção lama de alto forno Antes de darmos início na descrição do processo de geração de lama de alto forno faz-se necessário uma breve introdução da ArcelorMittal Tubarão e seus respectivos processos produtivos. A companhia completou 27 anos de operação em 2010. Nesse período, a Companhia consolidou-se como 3a produtora nacional de aços semi-acabados de alta qualidade na forma de placas e, mais recentemente, de bobinas a quente. No ano de 2009 a Companhia produziu 5.332.656 toneladas de placas de aço e 2.585.795 toneladas de bobinas a quente. Sua localização estratégica no Sudeste brasileiro, a região mais desenvolvida do país, garante vantagem competitiva para as vendas nos principais pólos industriais consumidores do mercado interno. A Companhia ocupa uma área de 7 km², parte de um terreno de 13,5 km² entre os municípios de Serra e Vitória, a capital do estado do Espírito Santo. A proximidade de um eficiente porto marítimo e de uma bem aparelhada rede rodo-ferroviária facilita a logística para o recebimento de matérias-primas e escoamento de sua produção. A ArcelorMittal Tubarão é uma usina integrada composta operacionalmente de cinco pátios de carvão e pátios de minérios e fundentes, uma coqueria do tipo by products, uma coqueria do tipo Heat Recovery (recuperação de calor), uma unidade de Sinterização, três altos-fornos, três convertedores de aço, três máquinas de lingotamento contínuo e uma unidade de laminador de tiras a quente. Atualmente, a 20 empresa tem capacidade para produzir 7,5 milhões de toneladas de aço líquido por ano, transformado em placas e bobinas. Com uma política e modelo para os seus dois grandes negócios (placas e bobinas a quente), a ArcelorMittal Tubarão atua, com orientações comerciais complementares, específicas para cada mercado, interno e externo, visando balancear a consecução das oportunidades. As vendas de placas são destinadas integralmente à exportação, em contrapartida, as vendas de bobinas a quente estão voltadas ao mercado interno. As placas de aço são consideradas como semi-acabados, tendo como clientes outras indústrias siderúrgicas que as utilizarão como matéria prima para produtos acabados. As bobinas, por sua vez, são utilizadas na fabricação de bens de produção e consumo, como automóveis e autopeças, tubos, eletrodomésticos, embalagens, entre outras, hoje destinadas preferencialmente ao mercado interno. Outras importantes aplicações do aço na forma de bobinas estão na indústria naval e na construção civil. Certificada na norma ambiental na NBR ISO 14.001, desde 2001, o sistema de gestão ambiental - SGA vem se aperfeiçoando a cada ano e, a partir de 2002, começou a ser estendido para os parceiros, através de um projeto-piloto, como forma de incentivar a atuação ambiental responsável e multiplicar os efeitos positivos para toda a sociedade. Normalmente, uma usina siderúrgica integrada, é constituída de processos que abastecem as principais unidades da empresa como os altos fornos, aciaria e os lingotamentos contínuos, para a produção de ferro gusa e em seqüência o aço líquido e depois as placas sólidas, bem como, bobinas a quente, que tem lugar o laminador de tiras a quente conhecido como LTQ, o qual agrega valor a uma parcela significativa das placas de aço que saem do lingotamento contínuo. A Figura 2 apresenta o fluxo produtivo da ArcelorMittal Tubarão mostrando as unidades produtivas citadas acima. 21 Figura 2: Fluxo Produtivo da ArcelorMittal Tubarão Conforme mostra a Figura 2 o processo começa no envio de carvão para as coquerias visando à produção de coque combustível necessário para os altos fornos. O sinter produzido na sinterização através da utilização de minério de ferro, fundentes e outros materiais também são enviados juntamente com pelotas para os altos fornos como carga metálica. Com o objetivo de otimização da carga térmica nos altos fornos é injetado carvão pulverizado produzido no PCI - Pulverization Coal Injection. Após o processo de produção de gusa nos altos fornos o mesmo é transportado via carro torpedo para a aciaria. O ferro gusa quando chega à aciaria é realizado primeiramente uma dessulfuração de gusa, para a redução do teor de enxofre no gusa, que pode ser realizada tanto no carro torpedo ou na panela através do processo KR (injeção de cal e agitação por rotação). Após a dessulfuração o gusa é enviado aos convertedores para a produção de aço. Fundentes # 1 # 1 # 2 # 3 # 2 # 1 # 2 # 2 # 3 # 1 PCI # 1 # 2 # 3 Coqueria Heat Recovery TRT 4.7 milhões t/ano Coqueria By Products Sinterização Minério de Ferro Pelotas Altos Fornos Carvão Carro Torpedo Máquina de Moldar Gusa Dessulfuração de Gusa IRUT – Refino 20 do Aço RH – Refino 20 do Aço Convertedores Lingotamento Contínuo Placas de Aço Laminador de Tiras a Quente Bobinas de Aço 2.8 milhões t/ano Fundentes # 1 # 1 # 2 # 3 # 2 # 1 # 2 # 2 # 3 # 1 PCI # 1 # 2 # 3 Coqueria Heat Recovery TRT 4.7 milhões t/ano Coqueria By Products Sinterização Minério de Ferro Pelotas Altos Fornos Carvão Carro Torpedo Máquina de Moldar Gusa Dessulfuração de Gusa IRUT – Refino 20 do Aço RH – Refino 20 do Aço Convertedores Lingotamento Contínuo Placas de Aço Laminador de Tiras a Quente Bobinas de Aço 2.8 milhões t/ano 22 O aço produzido é enviado para as estações de refino com objetivo de uma purificação do aço e adição de elementos de liga necessários para a produção do tipo de aço desejado. Após esta etapa o aço é envido para os lingotamentos contínuos a fim de realizar a fundição para a produção de placas de aço. As placas de aço podem ser comercializadas ou seguir para o laminador de tiras a quente para produção de bobinas de aço para posterior comercialização. A seguir será descrito o detalhamento da geração de lama de alto forno. Altos Fornos De forma geral, o alto forno tem por finalidade a produção de ferro gusa a partir de uma carga metálica (sinter, pelota e minério de ferro), fundentes (calcário, dolomita, serpentino e quartzo), combustíveis que são o coque, carvão pulverizado injetado na área das ventaneiras, o alcatrão e os gases BFG e COG e, ainda, ar pré- aquecido até a temperatura de 1.573 K, oxigênio e gases formados pela queima de carbono do coque percorrendo a carga no interior do alto forno de forma ascendente, reduzindo os óxidos da mesma. A Figura 3 mostra a vista dos três Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão. Figura 3: Vista aérea dos três Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão O alto forno trata-se de um reator químico a contracorrente, em que a carga, formada de camadas alternadas de minério e coque, abastecidas por silos localizados 23 em seu topo. A mistura adequada desce por gravidade durante o processo, enquanto que a corrente de gases (ar soprado, oxigênio e demais gases liberados da queima do carbono contido no coque e no carvão pulverizado) é ascendente. Conforme mostra a Figura 4, o alto forno, durante o seu funcionamento, divide- se em cinco regiões (zonas) distribuídas, verticalmente, de cima para baixo, como se segue: � Zona A: ...............Zona de sólidos. � Zona B: ............. Zona coesiva (amolecimento e fusão dos sólidos). � Zona C: ............. Zona de gotejamento (fase líquida). � Zona D: ............. Zona das ventaneiras. � Zona E: Cadinho (metal líquido). Figura 4: Distribuição das zonas no Alto forno Coque Zona de Redução Zona coesiva Zona de gotejamento Homem “morto” Escória Salamandra Metal líquido Metal líquido Metal líquido Staves Ventaneira Canal adutor Válvula de controle Furo de gusa Cone de distribuição Coque Zona de Redução Zona coesiva Zona de gotejamento Homem “morto” Escória Salamandra Metal líquido Metal líquido Metal líquido Staves Ventaneira Canal adutor Válvula de controle Furo de gusa Cone de distribuição 24 Para alimentação de coque, pelotas, sinter e minérios no alto-forno, utiliza-se o sistema de carregamento em “batches”, i.e., em lotes bem definidos, normalmente separados em coque e minérios (sinter, pelotas, minérios). Para formação desse lote, pesam-se os materiais que o compõe e armazena-os num silo de espera (Surge Hopper), até o momento de enviá-lo ao topo do Alto forno. Na zona de sólidos ou zona de granulados, ocorre um pré-aquecimento que promove a redução do óxido de ferro ainda em estado sólido, através de reação endotérmica próxima de 1.373 K. A zona coesiva constitui-se de camadas de coque e de minério semi-fundido, onde ocorre uma redução de aproximadamente 70% do óxido de ferro, com formação de escória. Na zona de gotejamento, tem-se a liga Fe-C e escória que se apresentam em fase líquida. Esta zona contém os coques ativo e inativo, e o ferro e escória líquidos escoam para o cadinho, havendo ainda fortes reações de redução direta e intensa transferência de calor dos gases para o metal e a escória. A zona das ventaneiras, onde é promovida a combustão do carbono, do coque, do carvão pulverizado, injeção de ar pré-aquecido e oxigênio, tem-se a formação dos gases redutores e o alcance da temperatura necessária para a transferência de calor que promove o aquecimento da carga do Alto forno para a execução do processo de produção de gusa-líquido e escória. Nesta zona, a temperatura de chama é da ordem de 2.473 K. O cadinho recebe o metal e a escória fundidos que são naturalmente separados por diferença de densidade, ou seja, a escória menos densa flutua sobre a massa metálica líquida que é mais densa. A descarga é feita através dos furos de gusa, escoando a massa líquida nos canais da casa de corrida. O gusa líquido escoa por gravidade através de canais secundários, alimentando o “carro-torpedo” que o conduzirá para a Aciaria ou para a máquina de moldar gusa. 25 A escória é granulada pelo impacto de jatos de água a alta pressão sendo, em seguida, submetida a uma forte agitação em tanque apropriado que contém água e escória, de onde é bombeada para as tremonhas de desidratação, sendo daí embarcada em caminhões e enviada para a indústria cimenteira. O gás BFG produzido em cada alto forno, antes de ser encaminhado para o gasômetro e distribuído para as unidades consumidoras, sofre um processo de limpeza para retirada de contaminantes, que basicamente se constitui de pó gerado no processo de redução do minério de ferro e carreado pelo gás em seu fluxo, à medida que é produzido no interior do de cada alto forno. Sistema de Lavagem do Gás de Alto forno O processo de limpeza do gás de alto forno (BFG) tem seu curso com a utilização de lavadores Venturi associados em série com retirada intermediária de parte do gás. O lavador Venturi primário recebe o gás do coletor de pó e, à sua saída, o circuito é bifurcado onde parte do gás parcialmente limpo é conduzida para o topo do Alto forno para equalização primária de pressão, enquanto que o restante do gás é conduzido para o lavador Venturi secundário que reduz a sua concentração de material particulado, sendo então, distribuído para as unidades consumidoras. A Figura 5 mostra um desenho esquemático do sistema de limpeza de gás do Alto forno da ArcelorMittal Tubarão. Figura 5: Sistema de limpeza de gás do Alto forno da ArcelorMittal Tubarão. 26 A água utilizada no sistema de limpeza do BFG é tratada através da ETA (Estação de Tratamento de Água) do Alto forno que opera em circuito fechado na vazão de recirculação de 12.000 m³/h. A Figura 6 apresenta a ETA dos Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão. Figura 6: Vista aérea dos espessadores da ETA dos Altos Fornos da ArcelorMittal Tubarão Sistema de Tratamento de Lama de Alto forno Após o tratamento da água utilizada no sistema de limpeza do BFG a polpa gerada neste processo é enviada à ETL - Estação de Tratamento de Lama. A Figura 7 mostra um fluxo do tratamento da lama de alto forno na ETL, onde a lama gerada nos altos fornos é bombeada para os espessadores de lama, nos espessadores ocorre um adensamento e através de bombas a lama é enviada para um tanque de distribuição para tratamento para posterior envio aos 2 espessadores onde ocorre mais um adensamento da lama. Após esta etapa a lama é bombeada para os Filtros a vácuo para a retirada da umidade para posterior envio a CASP (Central de Armazenamento de Subprodutos da ArcelorMittal Tubarão). 27 Figura 7: Fluxo de Tratamento da Lama de Alto forno da ArcelorMittal Tubarão. A partir da definição do objetivo e informações necessárias sobre o processo de geração de lama de alto forno descritas no Capítulo 1 será mostrado a seguir no Capítulo 2 à metodologia usada no presente trabalho para o estudo de viabilidade técnica para gaseificação de lama de alto forno. T QL-1 Tanq ue de Distrib uição ES-1 B Espessad or A B BL -1 A/B Bomb a d e lama T QL-3 Tan que de Di str ibu ição BL -1 C/D Bomb a d e lama ES -1 A Espessado r FILT RADO CO NTAM INADO M AKE UP ALTO -F OR NO 1 , 2 e 3 LAVADORES DE GÁS G ÁS ES PESSADORES LAM A BO MBA TUBULAÇÃO A.F. /ETL CT -1 Cor reia T ransp ortad ora A F V-1 A/B Fi ltro a Vácu o B T ORTA + + + ++ + + + + ++ + TQA-4 T anqu e de Águ a BA -4 A/B Bomba Águ a Reto rno B A -3 A/B Bomba Fi ltrad o F IL TRADO AERADO R DA ET A AL TO FO RNO T QL-1 Tanq ue de Distrib uição ES-1 B Espessad or A B BL -1 A/B Bomb a d e lama T QL-3 Tan que de Di str ibu ição BL -1 C/D Bomb a d e lama ES -1 A Espessado r T QL-1 Tanq ue de Distrib uição ES-1 B Espessad or A B BL -1 A/B Bomb a d e lama T QL-3 Tan que de Di str ibu ição BL -1 C/D Bomb a d e lama ES -1 A Espessado r T QL-1 Tanq ue de Distrib uição ES-1 B Espessad or A B BL -1 A/B Bomb a d e lama T QL-3 Tan que de Di str ibu ição BL -1 C/D Bomb a d e lama ES -1 A Espessado r FILT RADO CO NTAM INADO M AKE UP FILT RADO CO NTAM INADO M AKE UP ALTO -F OR NO 1 , 2 e 3 LAVADORES DE GÁS G ÁS ES PESSADORES LAM A BO MBA TUBULAÇÃO A.F. /ETL ALTO -F OR NO 1 , 2 e 3ALTO -F OR NO 1 , 2 e 3 LAVADORES DE GÁS G ÁS ES PESSADORES LAM A BO MBA TUBULAÇÃO A.F. /ETL CT -1 Cor reia T ransp ortad ora A F V-1 A/B Fi ltro a Vácu o B T ORTA + + + ++ + + + + ++ + CT -1 Cor reia T ransp ortad ora A F V-1 A/B Fi ltro a Vácu o B T ORTA + + + ++ + + + + ++ + TQA-4 T anqu e de Águ a BA -4 A/B Bomba Águ a Reto rno B A -3 A/B Bomba Fi ltrad o F IL TRADO AERADO R DA ET A AL TO FO RNO TQA-4 T anqu e de Águ a BA -4 A/B Bomba Águ a Reto rno B A -3 A/B Bomba Fi ltrad o F IL TRADO AERADO R DA ET A AL TO FO RNO 28 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Gaseificação O processo de gaseificação tem sido aplicado comercialmente há mais de um século. Segundo REZAIYAN (2005), a gaseificação é um processo que converte materiais carbonosos em um combustível ou gás sintético (H2, CO, CO2 e CH4). Em termos gerais, a gaseificação envolve a reação do carbono com ar, oxigênio, vapor, CO2 ou a mistura destes gases aproximadamente à temperatura de 1.073 K a 1.273 K, dependendo do tipo de matéria prima que se quer gaseificar e tipo de gaseificador empregado, produzindo um gás que pode ser usado para produção de energia elétrica, fornecimento de calor ou ainda como matéria-prima para sínteses químicas, combustíveis líquidos ou outros gases como H2. As tendências atuais na produção de energia elétrica e combustível (gasosos e líquidos) mostram que haverá avanços tecnológicos para o gás de gaseificação. Que incluirão: � Necessidade de obtenção de um produto estável que possa ser utilizado para a geração de energia elétrica ou como matéria prima para as empresas de produtos químicos e combustíveis de transporte; � Capacidade para processar uma ampla gama de matérias primas, incluindo: carvão, óleos pesados, coque de petróleo, resíduos industriais, solos contaminados com hidrocarbonetos, biomassa e resíduos agrícolas; � Sistema de limpeza de gases, produção de Syngas limpo; � Capacidade de converterem resíduos ou de produtos de baixo valor em produtos de valor superior. 29 A Figura 8 mostra um esquema dos métodos possíveis para gaseificação de materiais carbonosos. Figura 8 - Métodos de Gaseificação. Fonte: Rezaiyan e Cheremisinoff . Gaseification Technologies: A primer for Engineers and Scietists Taylor & Francis 2005, pág. 6 cap 1. Dependendo do processo de gaseificação a ser utilizado, algumas reações acontecem nos gaseificadores: 1 C + 1 O2 → 1 CO2 (2.1) 1 C + 1/2 O2 → 1 CO (2.2) 1 H2 + 1/2 O2 → 1 H2O (2.3) 1 C+ 1 H2O → 1 CO + 1 H2 (2.4) 1 C + 2 H2O → 1 CO2 + 2 H2 (2.5) 1 C + 1 CO2 → 2 CO (2.6) 1 C + 2 H2 → 1 CH4 (2.7) 1 CO + 1 H2O → 1 H2 + 1 CO2 (2.8) 1 CO + 3 H2 → 1 CH4 + 1 H2O (2.9) 1 C + 1 H2O → 1/2 CH4 + 1/2 CO2 (2.10) Gaseificação Gaseificação Vapor Ar Gaseificação Vapor O2 Hidro gaseificação Vapor Calor H2 Calor Gaseificação Catalítica Vapor Limpeza CO, H2, N2 Gás de baixo PCI Limpeza CO, H2 Gás de médio PCI Limpeza CO, H2 Gás de baixo PCI Limpeza CO, H2, CH4 Gás de alto PCI Limpeza e separação CH4 Syngas Matéria Prima Gaseificação Gaseificação Vapor Ar Gaseificação Vapor O2 Hidro gaseificação Vapor Calor H2 Calor Gaseificação Catalítica Vapor Limpeza CO, H2, N2 Gás de baixo PCI Limpeza CO, H2 Gás de médio PCI Limpeza CO, H2 Gás de baixo PCI Limpeza CO, H2, CH4 Gás de alto PCI Limpeza e separação CH4 Syngas Matéria Prima 30 A maior parte do oxigênio injetado dentro de um gaseificador pode ser como oxigênio puro ou oxigênio presente no ar atmosférico, que é consumido nas reações apresentadas nas equações (2.1) até (2.3) para gerar calor necessário para secar o combustível sólido, quebrar as ligações químicas e aumentar a temperatura do reator para seguir as reações das equações (2.4) à (2.9). As reações das equações (2.4) e (2.5), as quais são conhecidas como reações água-gás, são as principais reações na gaseificação. A reação da equação (2.6), reação de Boudouard, é endotérmica e muito mais lenta do que a reação da equação (2.1) à mesma temperatura na ausência de um catalisador. A reação (2.7), hidro-gaseificação, é muito lenta exceto em altas pressões. A reação (2.8), água-gás pode ser importante se H2 for o produto desejado. Ótimas produções são obtidas a baixas temperaturas (até 513 K), na presença de um catalisador a pressão não tem qualquer efeito sobre o aumento da produção de hidrogênio. A reação (2.9), reação do metano (CH4) acontece muito lentamente a baixas temperaturas na ausência de catalisadores. A reação (2.10) é uma reação térmica relativamente neutra, sugerindo que a gaseificação poderia proceder com baixo calor. Em adição a gaseificação os agentes como ar, oxigênio ou vapor, temperatura, pressão são outros fatores que afetam a composição química e o poder calorífico do gás oriundo da gaseificação. Outros fatores afetam a qualidade do gás produzido como: � Taxa de calor no reator; � Tempo de residência; � Configuração da planta: � Sistema de alimentação; � Fluxo de reação; � Geração de calor e método de transferência - direto ou indireto; 31 � Sistema de limpeza do gás: remoção de enxofre, nitrogênio, material particulado ou outros poluentes. De acordo com o sistema de configuração do gaseificador, condições de operação e agente gaseificador três tipos de gases podem ser obtidos: � Baixo PCI (3,5 a 10 MJ/m³): pode ser usado como combustível para turbinas a gás, motores de combustão interna, combustível para caldeira produção de vapor, combustível para fusão redutora ou redução direta de minério de ferro; � Médio PCI (10 a 20 MJ/m³): pode ser usado como combustível de turbinas a gás, motores de combustão interna, substituir o gás natural, hidrogênio, indústria química e combustível de síntese; � Alto PCI (20 a 35 MJ/m³): pode ser usado como combustível de turbinas a gás, motores de combustão interna, substituir o gás natural, hidrogênio, indústria química e combustível de síntese e não requer muito aumento para produção de metano para produzir gás natural sintético (SNG – Synthetic Natural Gas). 2.2 Tipos de Gaseificadores Os gaseificadores podem ser divididos nas seguintes categorias de acordo com a direção do movimento relativo da matéria prima e do agente de gaseificação: Leito Fixo � Contra fluxo (contracorrente); � Fluxo direto (concorrente); � Fluxo cruzado. Leito Fluidizado � Borbulhante; � Circulante. 32 O gaseificador mais simples é o de leito fixo que podem ser concorrente ou de contracorrente, onde a entrada de ar fica na parte de cima ou de baixo do gaseificador, com o fluxo descendente ou ascendente de gases, contrário ao enquanto o fluxo de combustível que é introduzido pela parte superior e desce pela ação da força gravitacional conforme é consumido. Os gaseificadores contracorrente tendem a ter uma eficiência térmica alta, pelo fato dos gases quentes provenientes da zona de combustão pré-aquecerem a carga de combustível ao passar por ela. Tendo a simplicidade como principal característica, possui, no entanto a desvantagem de produzir um gás extremamente impuro, nem o alcatrão e outros produtos de pirólise são craqueados na zona de combustão, já que são levados pelo fluxo de gases para cima do gaseificador e podem causar incrustações nas tubulações. Alguns gaseificadores, particularmente de grande porte, possuem uma câmara na parte superior, acima do topo do combustível, a fim de reduzir a velocidade do gás e permitir a condensação de voláteis dentro do gaseificador. O gaseificador tipo concorrente é mais difundido. Durante a II guerra mundial a maioria dos gaseificadores utilizados em veículos era deste tipo assim como a maioria dos gaseificadores desenvolvidos para geração de potência mecânica. No gaseificador concorrente, as zonas de combustão e de redução estão posicionadas de forma oposta aos gaseificadores contracorrente. Com a alimentação de combustível pelo topo, a alimentação de ar é feita em fluxo descendente (mesmo sentido do fluxo de combustível) passando pelas zonas de combustão e redução. A característica essencial deste gaseificador é que ele é projetado de modo que o alcatrão e voláteis provenientes da zona de pirólise são direcionados a passar pela zona de combustão onde, com condições de operação controladas, serão craqueados. Quando isto acontece, esse alcatrão será convertido em fase leve e coque e a mistura de gases na saída é relativamente livre de alcatrão. Sendo assim, o arranjo da zona de combustão é um elemento crítico nos gaseificadores concorrente. Se forem permitidas regiões de baixa temperatura nesta zona, as substâncias voláteis contaminantes poderão passar por ela sem que craqueiem, perdendo o propósito do projeto. 33 Em muitos casos, o diâmetro interno é reduzido na zona de combustão, criando uma garganta, geralmente feita de material cerâmico substituível. É na garganta que se posicionam os injetores de ar, arranjados a fim de distribuir o ar de forma mais uniforme possível. Em todos os arranjos o objetivo é garantir que seja atingida uma temperatura adequada em toda a seção, a fim de craquear todo o alcatrão que passa por ela. A temperatura é máxima nas entradas de ar e diminui rapidamente com a distância, isto significa que existe um limite prático para as distâncias entre as entradas e consequentemente para o diâmetro da garganta. Por outro lado, como o gás é liberado diretamente da zona de redução tende a ter quantidades significativas de cinzas e fuligem, em contraste com o que acontece nos gaseificadores contracorrente onde estas partículas são filtradas quando o gás passa pelo combustível. A temperatura de saída dos gases também tende a ser maior, por volta de 973 K, pois não trocam calor diretamente com as zonas de pirólise e secagem. A produção de gás combustível livre de alcatrão e voláteis em um gaseificador concorrente requer cuidados especiais de desenvolvimento, pois, além do projeto da garganta e do controle do fluxo de ar, estes são particularmente vulneráveis a problemas causados por combustíveis com alto teor de cinzas e variações no teor de umidade. Nos gaseificadores de fluxo cruzado o gás é retirado lateralmente da câmara de gaseificação na mesma altura do leito em que é injetado o ar. O injetor é normalmente arranjado de forma a injetar ar no centro da zona de combustão. Caracteriza-se por produzir um gás combustível com características intermediárias entre os gaseificadores contracorrente e concorrente. A taxa de fornecimento de ar é consideravelmente maior que em outros tipos de gaseificadores, por este motivo cria-se uma zona de combustão de temperatura extremamente alta, com liberação de gases muito rápida. Ambas as zonas, de combustão e redução, são concentradas em um pequeno volume no centro do gaseificador, isto significa que materiais refratários para delimitar a região são dispensáveis. 34 As principais vantagens dos gaseificadores de fluxo cruzado são a rápida resposta às variações de carga, sua simplicidade de construção e seu peso reduzido. Por outro lado são muito sensíveis às variações na composição e umidade do combustível, sendo que para fins práticos quase sempre é requerido carvão vegetal limpo e seco. Nos gaseificadores do tipo leito fluidizado as partículas do combustível são mantidas suspensas em um leito de partículas inertes (areia, cinzas ou alumina) fluidizadas pelo fluxo de ar, criando melhores condições de transferência de calor e homogeneidade da temperatura na câmara de reação. Nestas condições a maioria dos voláteis estará em contato com as partículas do leito aquecido, contribuindo para uma gaseificação possivelmente completa e limpa. A condição de fluidização provoca um íntimo contato entre partículas e gases e promove uma circulação (mistura) vigorosa das partículas. As conseqüências disto são a alta taxas de velocidades de reação gás-sólido e uma temperatura uniforme em todo o leito. Duas fases podem ser identificadas numa seção transversal do leito: a emulsão e as bolhas. A emulsão contém as partículas sólidas com gás que percola através delas. O fluxo de gás na emulsão é limitado pela quantidade que permite a fluidização incipiente (velocidade mínima de fluidização). Qualquer quantia maior de gás passa pelo leito na forma de bolhas. As bolhas são praticamente livres de partículas sólidas, mas com a passagem delas pelo leito, algumas partículas são arrastadas por elas, o que promove a grande mistura das partículas sólidas no leito. O leito é aquecido inicialmente por um combustível auxiliar (GLP, carvão vegetal, etc.) e quando a temperatura for suficientemente alta o combustível é introduzido dando início ao processo de gaseificação. A fim de produzir um gás limpo, totalmente livre de alcatrão, é necessária uma temperatura do leito entre 1.373 K e 1.573 K, entretanto bons resultados já aparecem a 1.173 K. Alguns pesquisadores têm utilizado catalisadores BEENACKERS E MANIATIS (1993) com resultados discutíveis. 35 Também por sua operação em temperaturas relativamente mais baixas que os gaseificadores de leito fixo, reduzem significativamente os teores de enxofre e de material particulado, além de diminuir a formação de óxidos de nitrogênio IPT (1992). A principal vantagem dos gaseificadores de leito fluidizado é o fácil controle da temperatura pela variação na alimentação de ar e de combustível. Existem, por outro lado, problemas relacionados aos gaseificadores de leito fluidizado. Em contraste com gaseificadores de leito fixo os gaseificadores de leito fluidizado não apresentam resposta automática às mudanças de consumo do gás produzido. Nos gaseificadores de leito fixo há uma grande quantidade de combustível na câmara de reação, que permite, ao se aumentar o consumo, aumentar o fluxo de ar para dentro da câmara e consequentemente a produção de gás. No reator de leito fluidizado é necessário aumentar o fluxo de ar e o fluxo de combustível para dentro do leito a fim de se alterar a vazão de gás produzido, quando há alteração no consumo, havendo, portanto necessidade de intervenção, com algum tipo de controlador, tornando o sistema de alimentação parte vital do equipamento. Além disto, o gás produzido tende a conter carbono não queimado, um pouco de alcatrão, assim como parte das cinzas contidas originalmente no combustível, que devem ser removidos por sistemas de limpeza. No entanto, a gaseificação em leito fluidizado se apresenta bastante promissora. Este fato se deve principalmente à possibilidade de utilização de combustíveis como bagaço de cana, casca de arroz, etc., vantajosos pelos baixos preços de comercialização e disponibilidade. Provenientes de processos que necessitam de insumos energéticos (calor, eletricidade e energia mecânica), estes biocombustíveis são de difícil gaseificação por métodos tradicionais, devido às suas características de umidade, granulometria, baixa densidade, dentre outras. 36 Como foi apresentado acima, dependendo do tipo de processo de gaseificação utilizado, do tipo de matéria-prima e do reagente utilizado podem ser gerados diversos tipos de gás de gaseificação conforme mostrado na Figura 9. No caso da gaseificação de leito fluidizado a composição química do gás varia mais em função das características do processo do que da matéria prima utilizada. Uma descrição recente sobre o gás de gaseificação pode ser encontrada no artigo de DEMIRBAS (2007). Outro artigo recente na área é aquele de Li et al.(2009), que conduziram um estudo experimental na produção de syngas pela gaseificação de carvão e mistura de carvão com biomassa (serragem de pinho e palha de arroz) em leito fluidizado. Houve injeção de oxigênio puro junto com ar na tentativa de produzir um gás mais rico. Velez et al. (2007) também realizaram uma pesquisa experimental sobre co-gaseificação de carvão e biomassa em leito fluidizado. Com informações suficientes sobre o processo de geração de lama de alto forno e gaseificação é possível passar ao Capítulo 3 sobre a metodologia para atingir o objetivo do estudo proposto. 37 Umidade de Higroscopia (%) Matérias Voláteis(b.s.) (%) Carbono fixo(b.s.) (%) Cinza (b.s) (%) Enxofre total (b.s.) (%) Carbono (b.s.) (%) Hidrogênio (b.s.) (%) Nitrogênio (b.s.) (%) Poder Calorífico Superior (b.s.) (kJ/kg) Poder Calorífico inferior (b.s.) (kJ/kg) 1 0,55 10,79 23,65 65,56 0,78 34,29 0,15 0,50 10.580 10.538 2 1,14 10,46 19,94 69,60 0,86 30,43 0,14 0,43 9.323 9.302 3 0,67 11,09 23,66 65,25 0,87 34,43 0,15 0,49 10.852 10.810 4 0,70 12,76 21,36 65,88 0,84 33,45 0,18 0,48 10.454 10.412 5 0,68 10,87 24,26 64,87 0,88 34,99 0,16 0,50 10.894 10.852 6 0,58 10,43 21,76 67,81 0,89 32,30 0,16 0,49 9.972 9.930 7 0,75 11,06 20,46 68,48 0,81 31,57 0,16 0,42 9.050 9.009 8 0,67 11,18 24,39 64,43 0,78 35,48 0,17 0,47 10.705 10.664 9 0,58 11,01 22,89 66,10 0,86 33,68 0,15 0,49 10.517 10.475 10 1,52 11,91 24,32 63,77 0,87 35,90 0,17 0,52 11.229 11.187 11 0,63 12,71 21,09 66,20 0,73 33,13 0,20 0,46 9.721 9.679 12 1,67 10,89 23,35 65,76 0,73 34,04 0,16 0,47 10.643 10.601 13 2,14 14,25 20,67 65,08 0,82 34,30 0,21 0,46 10.747 10.705 14 2,01 12,69 23,05 64,26 0,79 35,29 0,20 0,47 10.915 10.873 15 1,56 10,62 21,06 68,32 0,82 31,51 0,15 0,46 9.847 9.805 16 1,84 10,84 21,85 67,31 0,91 32,46 0,15 0,44 10.077 10.035 17 1,71 11,02 20,71 68,27 0,76 31,59 0,16 0,47 9.637 9.595 18 1,07 11,23 23,24 65,53 0,70 34,00 0,20 0,49 10.412 10.370 19 0,69 11,18 23,13 65,69 0,80 33,86 0,19 0,48 10.601 10.559 Média 1,11 11,42 22,36 66,22 0,82 33,51 0,17 0,47 10.325 10.284 Desvio Padrão 0,56 1,00 1,45 1,62 0,06 1,52 0,02 0,02 590 589 Poder Calorífico Amostras Análise Imediata Análise Elementar CAPÍTUO 3 METODOLOGIA 3.1 Caracterização do material Para conhecer a lama de alto forno da ArcelorMittal Tubarão foram coletadas 19 amostras de aproximadamente 300 gramas durante uma semana a cada 6 horas a fim de se garantir um menor desvio possível entre as amostras. A partir das amostras coletadas foram realizadas análises de: � Análise imediata: umidade higroscópica, matérias voláteis e carbono fixo; � Análise elementar: cinzas, carbono, hidrogênio, nitrogênio e enxofre; � Poder calorífico: superior (PCS) e inferior (PCI). As análises descritas acima foram conduzidas pelo CIENTEC (Fundação de Ciência e Tecnologia) localizado em Porto Alegre / RS. A Tabela 1 mostra os valores encontrados para as análises realizadas nas 19 amostras coletadas. Tabela 1: Resultados das análises imediata, elementar e poder calorífico da lama de alto forno. 38 A partir dos dados de análise química da lama de alto forno apresentados na Tabela 1, uma conclusão durante o desenvolvimento da metodologia pode ser verificada, o poder calorífico inferior (bs: base seca) apresentou um valor muito inferior àquele necessário para a gaseificação. Diante deste fato a opção para continuarmos no estudo de gaseificação de lama de alto forno foi realizar um mistura da lama de alto forno com outro material carbonoso a fim de se elevar o poder calorífico necessário à gaseificação. O material auxiliar utilizado foi um carvão metalúrgico alto volátil (Mont Laurel / EUA) amplamente utilizado na ArcelorMittal Tubarão, cujas características químicas estão apresentadas na Tabela 2. Tabela 2:Caracterização química do carvão metalúrgico alto volátil Mont Laurel Elementos Valores obtidos em massa Carbono Fixo 57 % Enxofre 1 % Cinzas (Al2O3, SiO2 e Fe2O3) 7 % Matéria Volátil 35 % PCI 30.134 kJ/kg A partir das características químicas dos materiais foram estabelecidas misturas para a gaseificação. A participação de cada material na mistura foi baseada no poder calorífico inferir da lama e do carvão. Foram estabelecidas 3 misturas, conforme mostra a Tabela 3. Tabela 3: Definição da proporção dos componentes nas misturas carvão e lama de alto forno Mistura 1 Mistura 2 Mistura 3 Lama (%) Carvão (%) Lama (%) Carvão (%) Lama (%) Carvão (%) 0 100 15 85 25 75 39 Com a definição da proporção de carvão e lama de alto forno nas misturas descritas na Tabela 3 e com as informações das Tabelas 1 e 2 foi possível determinar a massa em gramas para a mistura a gaseificar, umidade (H2O) e cinzas. As Tabelas 4 e 5 mostram respectivamente os valores de massa calculados para a lama de alto forno e carvão Mont Laurel. Para o cálculo foram assumidos 100 gramas de cada material. Tabela 4: Massa dos elementos considerando100 gramas de lama de alto forno Lama de alto forno Massa calculada (g) C2,003H0,123N0,024S0,018 32 H2O 9 Al2O3 1 SiO2 4 Fe 53 CaO 2 Total 100 Tabela 5: Massa dos elementos considerando100 gramas de carvão Lama de alto forno Massa calculada (g) C6,295H4,81O02162N0,0971S0,0284 86 H2O 7 Al2O3 2 SiO2 4 Fe2O3 1 Total 100 Depois de calculadas as massas independentes de lama de alto forno e carvão metalúrgico foi possível realizar os cálculos de massa em gramas das misturas propostas na Tabela 3. A Tabela 6 mostra os valores de massas recalculadas para as misturas 1, 2 e 3. 40 Tabela 6: Massa dos elementos para as misturas 1, 2 e 3 3.2 Métodos de análises Com os valores em massa calculados dos elementos para a gaseificação das misturas conforme apresentados no item 3.1 do Capítulo 3 poderá a partir de agora descrever sobre os ensaios realizados para o alcance dos objetivos do presente trabalho. Nas informações apresentadas no capítulo 2 verificou-se que o tipo de gaseificador pode ser escolhido a partir da matéria prima a ser gaseificada. Foram apresentados os gaseificadores do tipo leito fixo e leito fluidizado. Atualmente encontra-se em fase de testes de construção um Gaseificador em escala semi indutrial de 1 MW de potência térmica da Orienta Energias Alternativas (OEA) localizado em Linhares, ES. A tecnologia utilizada é do tipo Leito Fluidizado Circulante (LFC) usando como meio fluidizador dolomita e/ou areia de granulometria de 0,1 mm. O reator terá possui aproximadamente 0,5 metros de diâmetro interno útil e 1,10 m de diâmetro externo e a coluna de reação tem 12 15 metros de altura. O tipo de agente gaseificador será é o Ar atmosférico com vapor (20%) injetado na parte inferior Massa calculada (g) Mistura 1 (100% Carvão e 0 % de lama de alto forno) 2 (85% Carvão e 15 % de lama de alto forno) 3 (75% Carvão e 25 % de lama de alto forno) C6,295H4,81O02162N0,0971S0,0284 86 86 86 C2,003H0,123N0,024S0,018 0 6 11 H2O 7 9 10 Al2O3 2 2 3 SiO2 4 5 6 Fe2O3 1 1 1 Fe 9 18 CaO 0 0 1 Total 100 117 133 41 com velocidade de entre 5 a 8 m/s. com massa de carbono: 5%. A alimentação será é realizadas através de 3 2 silos (carvão e combustíveis de pesquisa e areia) com carregamento contínuo. A Figura 9 mostra um desenho esquemático do gaseificador da OEA que se encontra em implantação com conclusão prevista para o primeiro semestre de 2011. Os testes com lama de Alto Forno serão iniciados no primeiro semestre de 2011. Figura 9: Desenho esquemático do Gaseificador da OEA- Tecnologia: Leito Fluidizado Circulante Ciclone 1 Reator Ventilador Queimador de Partida Silo de carvão Silo de matéria prima Silo de areia Queimador de gases Ciclone 1 Reator Ventilador Queimador de Partida Silo de carvão Silo de matéria prima Silo de areia Queimador de gases 42 Devido ao fato do gaseificador da OEA ainda estar em fase de testes para comissionamento os ensaios das misturas estabelecidas no item 3.1 do Capítulo 3 não puderam ser experimentadas. A Figura 10 mostra algumas fotografias da implantação deste Gaseificador. Figura10: Fotografias do Gaseificador da OEA em construção.em Linhares / ES. Ref.: Outubro de 2010 Portanto, para a realização dos ensaios das misturas 1, 2 e 3 foi definido em simular a gaseificação através de um programa de equilíbrio químico. Esta decisão foi baseada na consideração que e a hipótese de equilíbrio químico é extensivamente usada em modelagem de problemas de combustão porque não se tem que considerar a cinética química para estimar as concentrações das espécies nos produtos. O critério de equilíbrio pode ser usado para desenvolver uma maneira de calcular a composição de um sistema reagente em equilíbrio. Podemos ter uma variedade muito grande de produtos, em proporções pequenas, mas capazes de alterar parâmetros de combustão como a temperatura de chama adiabática e a composição dos gases. Para prever com maior precisão a composição dos produtos de combustão, podemos assumir que existe equilíbrio químico e entrar com as equações de equilíbrio do sistema, além das equações de conservação de massa e energia. Existem códigos computacionais que resolvem o conjunto de equações de equilíbrio, conservação de massa e conservação de energia. Um desses códigos é o programa NASA SP-273 (Gordon e McBride, 1971). Sistemas contendo íons, que aparecem em altas temperaturas, também podem ser investigados com o uso do 43 programa. Os resultados são dados em termos de parâmetros do gás de combustão, tais como temperatura final, composição química, massa específica, calores específicos, razão de calores específicos, etc, em função da composição, pressão e temperatura dos reagentes. O programa NASA SP-273 é hoje de domínio público, estando disponível em algumas instituições de ensino e pesquisa do Brasil, entre eles o Laboratório Associado de Combustão e Propulsão do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em Cachoeira Paulista, SP. Para o presente trabalho foi utilizado o TCW – Termochemical Information and Equilibrium Calculation uma versão do programa NASA SP-273 adaptado para uso comercial e em instituições de ensino e pesquisa. No anexo A poderá ser visualizado as telas do programa utilizadas para o estudo em questão. 3.2.1 Simulações Definidos os valores de massas conforme mostrado na Tabela 6, os dados de calor de formação para o carvão e lama de alto forno e massas das misturas puderam ser inseridos no TCW para obtenção das frações molares das reações de equilíbrio para as misturas definidas para a análise do PCI do gás formado para verificar a viabilidade técnica. No presente trabalho, o programa de equilíbrio químico estequiométrico assumiu duas importantes hipóteses: o tempo de residência dos reagentes é suficientemente grande para que o equilíbrio químico seja atingido; todo o carbono das misturas é gaseificado, e assim a formação de carbono residual pode ser negligenciada. Como consideração simplificativa para as simulações assumiram-se duas condições de sistema adiabático: entalpia-isobárico e isobárico-isotérmico onde todo o oxigênio seja consumido no processo. 44 Para a condição de sistema isobárico-isotérmico consideraram-se várias temperaturas: 2.400, 2.300, 2.200, 2.100, 2.000, 1.900, 1.800, 1.700, 1.450, 1.400, 1.350, 1.300, 1.250, 1.200, 1.150, 1100, 1.050, 1.000, 950, 900, 800 e 700 K. Todas as condições foram realizadas com ar atmosférico e oxigênio, como a proporção entre combustível e oxidante depende da aplicação em questão, foram estabelecidas 10 razões de equivalência (ϕ) entre a proporção ar combustível simulado mostrados na Tabela 7. Tabela 7: Razões de equivalências simuladas Proporção combustível / ar 1:1 1:0,9 1:0,8 1:0,7 1:0,6 1:0,5 1:0,4 1:0,35 1:0,30 1:0,25 Razão de Equivalência1 (ϕ) 1 1,11 1,25 1,43 1,67 2,00 2,50 2,86 3,33 4,00 1 A razão de equivalência foi obtida pela divisão entre proporção de combustível pela proporção do ar. Simulação da Mistura 1 Para a mistura 1 (0% de lama de alto forno e 100% de carvão), foi simulada a condição de equilíbrio de entalpia e pressão utilizando como oxidante o ar atmosférico para todas as razões de equivalência mostradas na Tabela 7. A reação global de gaseificação pode ser escrita pela equação (3.1): CnHmOpNq + wH2O+ aO2+ 3,76N2→ bO2 + cCO + dCO2 +eH2+ fCH4+ gH2O + hN2 (3.1) onde n, m, p e q , e são parâmetros de caracterização da composição elementar da mistura (lama de alto forno mais carvão) seca, w sendo a quantidade de água e a quantidade de ar utilizado para a gaseificação (aO2 + 3,76 N2). Portanto com os valores das massas das misturas apresentada na Tabela 6, foi possível inserir no programa os dados necessários para as simulações definidas. 45 Portanto, com o programa de equilíbrio foi possível obter as frações molares em gramas do gás produzido para cálculo do PCI. Observa-se que foram encontradas convergências apenas para as razões de equivalência (ϕ): 1,00; 1,11; 1,25; 1,43; 1,67 e 2,00. Os valores encontrados estão descritos na Tabela 8. Tabela 8: Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a mistura 1 Razão de Equivalência (ϕ) Composição do Gas Fração molar 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 H2 (g) 0,0016 0,0044 0,0117 0,0263 0,0523 0,0937 H2O (g) 0,0715 0,0760 0,0773 0,0724 0,0578 0,0303 CO (g) 0,0179 0,0443 0,0882 0,1394 0,1933 0,2518 CO2 (g) 0,1498 0,1391 0,1131 0,083159 0,05538 0,029313 N2 (g) 0,7427 0,7286 0,7052 0,6749 0,6375 0,5907 O2 (g) 0,0076 0,0011 0,0000 - - - Temperatura (K) 3.058 3.067 3.064 3.031 2.895 2.464 Com as frações molares do gás mostradas na Tabela 7 foram possíveis as determinações de PCI (kJoules / Nm³) conforme propõe a equação (3.2). PCI = [f (g) * hv (kJ/mol) (3.2) V (Nm³) Onde: f: Fração molar; hv: Entalpia de formação; V: Volume. Considerou-se os seguintes valores de entalpia de formação para o H2 e CO (273 K e 1 atm) 283.395 kJoules / mol e 242.174 kJoules / mol e respectivamente. 46 Substituindo os valores das frações molares de H2 e CO da Tabela 7 na equação (3.2) considerando o para o V igual a 0,0224 Nm³ determinou-se os valores de PCI para as todas as razões de equivalência que convergiram. A Tabela 9. Tabela 9: Valores de PCI calculados para o gás da Mistura 1 Razões de Equivalência (ϕ) 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 PCI (kJ/Nm³) 243 608 1.243 2.048 3.011 4.199 Simulação da Mistura 2 Para a mistura 2 (15% de lama de alto forno e 85% de carvão), foram consideradas 2 (duas) condições de sistema de equilíbrio. 1a Condição: equilíbrio entalpia-isobárico e oxidante Ar atmosférico para todas as razões de equivalências conforme Tabela 7. Para esta condição como também visto para a mistura 1 foram encontradas convergências das razões de equivalência (ϕ) 1 a 2. Informações das frações molares obtidas para o gás simulado pelo TCW estão descritas na Tabela 10. Tabela 10: Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 1a condição da mistura 2 Razão de Equivalência (ϕ) Composição do Gas Fração molar 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 H2 (g) 0,0014 0,0044 0,0122 0,0277 0,0550 0,0959 H2O (g) 0,0739 0,0786 0,0797 0,0743 0,0588 0,0327 CO (g) 0,0158 0,0423 0,0869 0,1379 0,1914 0,2467 CO2 (g) 0,1501 0,1394 0,1126 0,08288 0,05576 0,03317 N2 (g) 0,7391 0,7245 0,7 0,6687 0,63 0,5814 O2 (g) 0,0074 0,0009 0,0000 - - - Temperatura (K) 2.264 2.260 2.149 1.984 1.772 1.493 47 Na 1a condição da mistura 2 também foram calculados os valores de PCI conforme a equação (3.2), para esta condição também foi encontrada convergência até a razão de equivalência 2, a escolha da razão 2 foi em função dos maiores resultados das frações molares de CO e H2 encontrados nas simulações anteriores. A Tabela 11 mostra os valores calculados para os PCI’s. Tabela 11: Valores de PCI calculados para o gás para a 1a condição da Mistura 2 Razões de Equivalência (ϕ) 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 PCI (kJ/Nm³) 215 583 1.231 2.044 3.016 4.158 2a Condição: Nesta condição foi utilizado o sistema de equilíbrio isobárico- isotérmico e oxidante o Ar atmosférico para a razão de equivalência (ϕ) igual a 2. As temperaturas simuladas foram com reduções de 50 em 50 de 1.550 k a 900 K. Os valores encontrados no TCW para as frações molares estão representados na Tabela 12. Tabela 12: Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 2a condição da mistura 2 Temperatura K - Razão de Equivalência (ϕ) 2 H2 (g) CO (g) 1.550 0,09 0,25 1.500 0,09 0,25 1.450 0,09 0,25 1.400 0,09 0,25 1.350 0,09 0,24 1.300 0,09 0,24 1.250 0,10 0,24 1.200 0,10 0,24 1.150 0,10 0,24 1.100 0,10 0,24 1.050 0,10 0,23 1.000 0,10 0,23 950 0,10 0,19 900 0,09 0,12 48 Os valores dos PCI´s para as variações das temperaturas da Tabela 10 foram calculados conforme equação (3.2) a partir das informações das frações molares obtidas no TCW cujos valores estão apresentados na Tabela 13. Tabela 13: Valores de PCI calculados para o gás para a 2a condição da Mistura 2 Temperatura K - Razão de Equivalência (ϕ) 2 PCI (kJ/Nm³) 1.550 4.098 1.500 4.096 1.450 4.095 1.400 4.092 1.350 4.092 1.300 4.091 1.250 4.089 1.200 4.088 1.150 4.085 1.100 4.081 1.050 4.074 1.000 4.051 950 3.472 900 2.495 Simulação da Mistura 3 Para a mistura 3 (25% de lama de alto forno e 75% de carvão), foram consideradas 3 (três) condições de equilíbrio 1a Condição: equilíbrio entalpia-isobárico e oxidante Ar atmosférico para todas as razões de equivalências conforme Tabela 7. Conforme conduzido para a simulação da mistura 1 foram obtidos as frações molares do gás gerado. A Tabela 14 mostra os valores encontrados para a 1a condição da mistura 3. Verifica-se também como verificado nas simulações anteriores a convergência do programa TCW foi até a razão de equivalência 2. 49 Tabela 14: Composição do gás para as razões de equivalências simuladas para a 1a condição da mistura 3 Razão de Equivalência (ϕ) Composição do Gas Fração molar 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 H2 (g) 0,0012 0,0038 0,0107 0,0247 0,0499 0,0851 H2O (g) 0,0665 0,0709 0,0719 0,0670 0,0523 0,0305 CO (g) 0,0151 0,0408 0,0855 0,1373 0,1919 0,2449 CO2 (g) 0,1504 0,1404 0,1135 0,08275 0,05426 0,03367 N2 (g) 0,7423 0,7284 0,7045 0,6739 0,6361 0,5887 O2 (g) 0,0079 0,0010 0,0000 - - - Temperatura (K) 2.261 2.263 2.155 1.991 1.781 1.510 Com os resultados das frações molares da 1a Condição da mistura 3 foram calculados os PCI’s, conforme equação (3.2) para as interações que também apresentaram convergência até a razão de equivalência (ϕ) 2. Os resultados estão demonstrados na Tabela 15. Tabela 15: Valores de PCI calculados para o gás para a 1a condição da Mistura 3 Razões de Equivalência (ϕ) 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 PCI (kJ/Nm³) 204 558 1.197 2.005 2.967 4.018 2a Condição: entalpia-isobárico e pressão e oxidante oxigênio (O2) para todas as razões de equivalência da Tabela 7. Conforme conduzido para a simulação da mistura 1 foram obtidos as frações molares do gás gerado. A Tabela 16 mostra os valores encontrados para a 2a condição da mistura 3. Tabela 16: Razões de equivalências simuladas para a 2a condição da mistura 3 Razão de Equivalência (ϕ) Composição do Gas Fração molar 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 H2 (g) 0,0224 0,0284 0,0377 0,0539 0,0900 0,1780 H2O (g) 0,1464 0,1518 0,1572 0,1607 0,1539 0,0948 CO (g) 0,2739 0,3167 0,3697 0,4359 0,5208 0,6128 CO2 (g) 0,2447 0,2309 0,2102 0,1786 0,1272 0,0545 N2 (g) 0,0027 0,0030 0,0034 0,0040 0,0047 0,0050 O2 (g) 0,1291 0,0916 0,0547 0,0225 0,0029 0,0000 Temperatura (K) 3.058 3.067 3.064 3.031 2.895 2.464 Com os resultados das frações molares da 2a Condição da mistura 3 foram apresentadas na Tabela 16 foram calculados os PCI’s, conforme equação (3.2) para as 50 interações que também apresentaram convergência até a razão de equivalência (ϕ) 2. Os resultados estão demonstrados na Tabela 17. Tabela 17: Valores de PCI calculados para o gás para a 2a condição da Mistura 3 Razões de Equivalência (ϕ) 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 PCI (kJ/Nm³) 3.707 4.314 5.085 6.098 7.562 9.677 3a Condição: Nesta condição foi utilizado o sistema de equilíbrio isobárico- isotérmico e oxidante o Ar atmosférico para a razão de equivalência (ϕ) igual a 2. As temperaturas simuladas foram com reduções de 100 em 100 de 2.400 K a 700 K. Os valores encontrados no programa de equilíbrio TCW para as frações molares estão representados na Tabela 18. Tabela 18: Razões de equivalências simuladas para a 3a condição da Mistura 3. Temperatura K - Razão de Equivalência (ϕ) 2 H2 (g) CO (g) 2.400 0,1837 0,6158 2.300 0,1881 0,6170 2.200 0,1896 0,6165 2.100 0,1906 0,6140 2.000 0,1915 0,6114 1.900 0,1927 0,6077 1.800 0,1945 0,6037 1.700 0,1978 0,6003 1.600 0,2185 0,5802 1.500 0,2261 0,5725 1.400 0,2342 0,5637 1.300 0,2257 0,4734 1.200 0,1630 0,1849 1.100 0,0950 0,0446 1.000 0,0422 0,0068 900 0,1837 0,6158 800 0,1881 0,6170 700 0,1896 0,6165 Os valores dos PCI´s para as variações das temperaturas da Tabela 18 foram calculados a partir das informações das frações molares obtidas no TCW cujos valores estão apresentados na Tabela 19. 51 Tabela 19: Valores de PCI calculados para o gás para a 3a condição da Mistura 3 Temperatura K - Razão de Equivalência (ϕ) 2 PCI (kJ/Nm³) 2.400 9.777 2.300 9.840 2.200 9.850 2.100 9.829 2.000 9.806 1.900 9.772 1.800 9.741 1.700 9.733 1.300 9.703 1.200 9.687 1.100 9.664 1.000 8.429 900 4.102 800 1.591 700 543 A partir dos valores de PCI dos gases gerados nas simulações das misturas 1, 2 e 3 propostas poderá ser abordado no Capítulo 4 às análises e discussão dos resultados obtidos. 52 CAPÍTULO 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 4.1 Mistura 1 Para as condições de equilíbrio simuladas para a mistura 1 (0% de lama de alto forno / ar atmosférico) verificou-se que existe um aumento do PCI do gás formado com o aumento da razão de equivalência (ϕ) mostrando a geração de um gás de baixo PCI conforme comentado no sub item 2.1 do Capítulo 2. O gráfico apresentado na Figura 11 mostra a relação entre PCI e razões de equivalência (ϕ) que apresentaram convergência no modelo de equilíbrio químico. Figura 11: Gráfico do PCI calculado para a mistura 1 Nos processos de gaseificação utilizando carvão, para obter um gás de baixo ou alto poder calorífico, deve-se controlar as variáveis de temperatura, pressão e tempo de residência, sob as quais o gaseificador é operado. A gaseificação do carvão poderá ser operada nas condições atmosféricas ou a elevadas pressões de um reator de leito fixo, fluidizado, de arraste ou fundida. PCI do Gas - Mistura 1 (0% de lama de alto forno e 100% de carvão) 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 Razões de Equivalência P C I (k Jo ul es /N m ³) 53 Conforme informações sobre os gases de gaseificação para cada tipo de gaseificador mostradas na Tabela 20 que foi retirada do trabalho de DINIZ (2009), pode-se verificar que o gás gerado na condição de equilíbrio químico na simulação 1 considerando a razão de equivalência 2, onde 4.199 kJ/Nm³ correspondem a 1.002 kCal/Nm³, está compatível com as faixas de PCI encontradas em gaseificadores de carvão comerciais dos tipos 7. Tabela 20: Valores de PCI conforme o tipo de gaseificador e matéria prima 4.2 Mistura 2 Na mistura 2 (15% de lama de alto forno e 85% carvão) foram simuladas 2 condições, uma condição considerando o uso de ar atmosférico como oxidante e outra condição para analisar a influência da temperatura no processo no gaseificação, cuja variável torna-se importante em casos de gaseificações em escala semi industrial. O gráfico mostrado na Figura 12 mostra os valores de PCI para as razões de equivalência que convergiram no programa de equilíbrio químico. Figura 12: Valores do PCI calculado para a condição 1 da mistura 2 PCI do Gas - Condição 1 da Mistura 2 (15% de lama de alto forno e 85% de carvão) 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 Razões de Equivalência P C I (k Jo ul es /N m ³) 54 PCI do Gas - Condição 2 (Sistema: isotérmico-isobárico) da Mistura 2 (15% de lama de alto forno e 85% de carvão) 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 15 50 15 00 14 50 14 00 13 50 13 00 12 50 12 00 11 50 11 00 10 50 10 00 95 0 90 0 Temperaturas (K) PC I (k Jo ul es / N m3 ) Analisando o gráfico observa-se que os valores encontrados de PCI, considerando a mesma razão de equivalência 2, da mistura 1 (PCI: 4.199 kJ/Nm³) e com a condição 1 da mistura 2 (PCI: 4.098 kJ/Nm³) não foram observados diferenças significativas (2%) entre os PCI’s. Os valores de PCI encontrados para a condição 2 da mistura 2 apresentados no gráfico da Figura 13, pode-se observar que para temperaturas até 1.000 K o valor de PCI parece inalterado apresentando uma acentuada redução para valores inferiores a 1.000 K. A simulação para a mistura 2 na condição 2 (sistema: isotérmico-isobárico) traz uma informação muito importante para estudos de gaseificação para materiais carbonosos que é o controle de temperatura no reator. Figura 13: Valores do PCI calculado para a condição 2 da mistura 2 55 4.3 Mistura 3 Na simulação da Mistura 3 (25% de lama de alto forno e 75% de carvão) foram possíveis variações no oxidante (ar e oxigênio) e temperaturas de processo, condições 1, 2 e 3 respectivamente. O Gráfico da Figura 14 mostra um comparativo entre os valores de PCI encontrados para as condições 1 (sistema de equilíbrio: entalpia- pressão / ar) e 2 (sistema de equilíbrio: entalpia-pressão / O2). Figura 14: Comparativo dos valores do PCI calculado para as condições 1 e 2 da mistura 3. Observa-se que valor de PCI da condição 1 da mistura 3 encontrado para a razão de equivalência foi 4.018 kJ/Nm³ e que para a condição 2 da mistura 3 na mesma razão de equivalência foi de 9. 677 kJ/Nm³, que mostrou que existem ganhos expressivos nos valores de PCI quando da mudança do oxidante Ar atmosférico para oxigênio. PCI do Gas das Condições 1 (entalpia-isobárico - Ar) e 2 (entalpia-isobárico /O2 da Mistura 3 (25% de lama de alto forno e 75% de carvão) 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 Razões de Equivalência P C I (k Jo ul es /N m ³) Condição 1 da Mistura 3 Condição 2 da Mistura 3 56 Conforme foi realizado na mistura 2, simulação para o sistema de equilíbrio isotérmico-isobário, foi realizada simulação para a mistura 3. O gráfico mostrado na Figura 15 mostra o efeito da variação de temperatura com o PCI. Figura 15: Valores do PCI calculado para a condição 3 da mistura 3 Como também se observou para a condição 2 da mistura 2 que para temperaturas até 1.000 K o valor de PCI parece inalterado apresentando uma acentuada redução para valores inferiores a 1.000 K. A Figura 16 mostra uma comparação entre todas as misturas simuladas para o sistema de equilíbrio entalpia-isobárico , com ar atmosférico e oxigênio. PCI do Gas - Condição 3 (Sistema: isotérmico-isobárico) da Mistura 3 (25% de lama de alto forno e 75% de carvão) 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 24 00 23 00 22 00 21 00 20 00 19 00 18 00 17 00 13 00 12 00 11 00 10 00 90 0 80 0 70 0 Temperaturas (K) PC I (k Jo ul es / N m3 ) 57 Comparação do PCI para as Misturas Simuladas Sistema de Equilíbrio: Entalpia-isobárico - Oxidante: Ar atmosférico e O2 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 1 1,1 1,25 1,43 1,67 2 Razão de Equivalência P C I (k Jo ul es /N m ³) Mistura 1 Mistura 2 - Condição 1 Mistura 3 - Condição 1 Mistura 3 - Condição 1 - Oxigênio Figura 16: Valores do PCI calculado para todas as misturas do sistema entalpia-isobárico. Comparando-se os valores de PCI para a mistura 1, condição 1 da mistura 2 e condição 1 da mistura 3 todas na razão de equivalência 2 observa-se que o PCI do gás gerado praticamente não tem variações, mostrando que o aumento da proporção de lama de alto forno nas misturas não afeta a qualidade do gás gerado. Os valores encontrados para PCI das misturas 2 e 3 (razão de equivalência 2 e ar atmosférico) 4.098 kJ/Nm³ e 4.018 kJ/Nm³ respectivamente são bastante próximos dos valores de PCI encontrados para os gaseificador de leito fluidizado com carvão betuminoso (6.277 kJ/Nm³). Outra observação importante que pode ser retirada do gráfico apresentado na Figura 15 é que gaseificação da mistura 3 com oxigênio para a razão de equivalência 2 se mostra muito mais atrativa, o valor de PCI obtido é de 9.667 kJ/Nm³ mostrando que o valor de PCI é muito mais dependente do agente oxidante do que o aumento das proporções lama de alto forno com carvão. 58 CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES A partir dos resultados apresentados no capítulo 4 pode-se concluir com respeito ao estudo proposto: Os valores de PCI do gás de gaseificação simulados com mistura: carvão e lama de alto forno mostraram-se compatíveis aos valores encontrados em publicações referentes às plantas industriais, apesar dos testes terem sido conduzidos em simulações de equilíbrio as aproximações geradas indicam a viabilidade do uso de tais misturas em gaseificadores. O uso de 100 % de lama não é possível, pois seu poder calorífico é insuficiente para manter a atingir a temperatura necessária para a gaseificação. Porém, a mistura com outro insumo a torna viável. O poder calorífico do gás produzido é estável acima de 1.000 K reduzindo significativamente abaixo deste valor. O PCI e composição dos gases são aproximadamente constantes independente das misturas dos insumos. O processo de gaseificação que mais se aproximar do equilíbrio apresentará melhores resultados. Das tecnologias disponíveis o leito fluidizado circulante atende melhor a este papel. O estudo teórico proposto neste presente trabalho irá subsidiar os testes em escala semi-indutrial da Orienta Energias, como temperatura de trabalho e faixa de misturas. 59 CAPÍTULO 6 CONTINUIDADE DO ESTUDO No presente trabalho não foi avaliada a caracterização da cinza gerada em um processo de gaseificação. Este assunto deverá ser estudo nos testes em escala semi industrial do gaseificador em fase de implantação pela Orienta Energias. Esta questão é de suma importância para uma boa gestão ambiental do uso da lama de alto forno para a gaseificação. Por exemplo, a destinação aplicável ambientalmente e economicamente utilizando lama de alto forno. Outro ponto importante é a limpeza do gás gerado, faz-se necessário a contemplação de um sistema de limpeza de gases para o caso de gaseificação de carvão mineral com lama de alto forno. A avaliação dos itens nas suas respectivas visões ambientais: emissões de poluentes atmosféricos e geração de resíduos e econômica: logística da matéria prima e custos controle dos impactos ambientais pode tornar o uso de lama de alto forno sustentável ou não. Com os ensaios no gaseificador da OEA poderá ser possível verificar a possibilidade de substituição do gás de COG pelo gás de gaseificação da mistura lama de alto forno com carvão através da planilha de simulação do estudo proposto na dissertação de mestrado de DINIZ (2009). Poderá também verificar o custo do gás de gaseificação por GJoule visando subsidiar um estudo de viabilidade econômica de uma aplicação em escala industrial, por exemplo, na ArcelorMittal Tubarão. Poderão ser realizados ensaios no gaseificador do tipo leito fluidizado circulante da OEA com maiores proporções de lama de alto forno nas misturas com carvão e também verificar a possibilidade de misturas de lama de alto forno com outros materiais além do carvão mineral. 60 CAPÍTULO 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRIDGEWATER, A.V. Review of thermochemical conversion. ESTU B1202: Crown, 1991. DEMIRBAS, A.. Progress and recent trends in biofuels, Progress in energy and combustion science, n. 33, p. 1–18, 2007. DINIZ, P. C., Utilização de syngas em substituição a combustíveis gasosos em processos siderúrgicos, Dissertação de Mestrado, UNESP/Campus de Guaratinguetá, Programa de Engenharia Mecânica, 2009. FERREIRA, M.A. Abordagem teórica e experimental de combustores do tipo rijke, Tese de Doutorado, UNESP/Campus de Guaratinguetá, Programa de Engenharia Mecânica, 1997. GÓMEZ, A.B.; VILCHES, L.F.; LEIVA C.; CAMPOY, M.; FERNÁNDEZ, C. P., Plant optimisation and ash recycling in fluidised bed waste gasification. Chemical Engineering Journal, n.146, p. 227-236, 2009. HIGMAN, C.; VAN DER BURGT, M. Gasification. Burlington, MA: Gulf Professional Publishing, 2007. KNOEF, H.; QUAAK, P.; STASSEN, H., Energy from biomass a review of combustiona and gasification technologies. [s.l.]: The World Bank WashingtonD, .C., 1999. LOUBAR, K.; RAHMOUNI, C.; LE CORRE, O.; TAZEROUT, M., A COMBUSTIONLESS Determination method for combustion properties of natural gases. Fuel, n. 86, p. 2535-2544, 2007. MORAIS, A.B., Perspectivas de inserção do GLP na matriz energética brasileira. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Planejamento Energético, 2005. 61 REZAIYAN, J. E CHEREMISINOFF , N. P. Gasification technologies - a primer for engineers and scientists, Taylor & Fancis Group, 2005. RICHARDS, G.A.; MCMILLIAN, M.M.; GEMMEN, R.S.; ROGERS, W.A.; CULLY S.R, Issues for low-emission, fuel-flexible power systems. Progress in Energy and Combustion Science, n. 27, p. 141–169, 2001. STEPHEN, R. T., An Introduction to combustion concepts and applications. 2. ed. [S.l.]: McGraw-Hill Higher Education, 2000. WANDER, P.R., Utilização de resíduos de madeira e lenha como alternativas de energias renováveis para o desenvolvimento sustentável da região do nordeste do estado do Rio Grande do Sul. Tese de Doutorado, UFRS, Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, 2001. VARGAS, A. F. Gaseificação do carvão uma alternativa energética ambientalmente limpa para o século XXI, Dissertação de Mestrado, PUC/ RS Programa de Engenharia Elétrica, 2001. VIEIRA, C.M.F. Incorporação de lama de alto forno em cerâmica vermelha, cerâmica. n. 53, p. 381-387, 2007. WERTHER, J., Experimental investigation and modeling of gasification of sewage sludge in the circulating fluidized bed. Chemical Engineering and Processing, n. 44, p. 717–736, 2005. 62 ANEXO A Primeira Tela Segunda Tela 63 Terceira Tela Quarta Tela 64 Quinta Tela Sexta Tela 65 Sétima Tela Oitava Tela 66 Nona Tela Décima Tela 67 Décima Primeira Tela FOLHA DE ROSTO BANCA EXAMINADORA DADOS CURRICULARES DEDICATÓRIA AGRADECIMENTOS RESUMO ABSTRACT LISTAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS LISTA DE SÍMBOLOS SUMÁRIO CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 Justificativa 1.2 Objetivos 1.3 Processo de produção lama de alto forno CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Gaseificação 2.2 Tipos de Gaseificadores CAPÍTUO 3 METODOLOGIA 3.1 Caracterização do material 3.2 Métodos de análises CAPÍTULO 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 4.1 Mistura 1 4.2 Mistura 2 4.3 Mistura 3 CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES CAPÍTULO 6 CONTINUIDADE DO ESTUDO CAPÍTULO 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A