FACULDADE DE ARACRUZ MESTRADO PROFISSIONAL EM TECNOLOGIA AMBIENTAL CLAUDIO SILVA DE SOUSA Análise Exergética do Processo de Produção de Ferro Gusa em Altos-fornos: Identificação de Oportunidades em Redução de Emissões de Gases de Efeito Estufa Aracruz 2010
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FACULDADE DE ARACRUZ MESTRADO PROFISSIONAL EM TECNOLOGIA AMBIENTAL
CLAUDIO SILVA DE SOUSA
Análise Exergética do Processo de Produção de Ferro Gusa em Altos-fornos: Identificação de Oportunidades em Redução de
Emissões de Gases de Efeito Estufa
Aracruz 2010
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CLAUDIO SILVA DE SOUSA
ANÁLISE EXERGÉTICA DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE FERRO GUSA EM ALTOS-FORNOS: IDENTIFICAÇÃO DE OPORTUNIDADES EM REDUÇÃO DE
EMISSÕES DE GASES DE EFEITO ESTUFA
Dissertação apresentada à Faculdade de Aracruz para obtenção do título de Mestre Profissional em Tecnologia Ambiental. Área de Concentração: Eficiência Energética. Orientador(a): Prof. Dr. Rodolfo Jesús Rodriguez Silvério
Aracruz (2010)
Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio
convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a
fonte.
Catalogação da Publicação
Serviço de Documentação da Biblioteca Professora Maria Luiza Devens
Faculdade de Aracruz/ES
Sousa, Claudio Silva de. Análise exergética do processo de produção de ferro gusa em altos-fornos: identificação de oportunidades em redução de emissões de gases de efeito estufa / Claudio Silva de Sousa ; orientador Rodolfo Jesús Rodriguez Silvério. - Aracruz, 2010. 109 f. Dissertação (Mestrado)--Faculdade de Aracruz, 2010. 1. Ferro Gusa – Produção – Alto-Forno. 2. Metalurgia –Gases. 3. Carvão Vegetal. 4. Termodinâmica. I. Silvério, Rodolfo Jesus Rodrigues. II. Título.
CDU 669.162
DEDICATÓRIA
Ao meu saudoso pai, Paulino e a minha mãe Vilma pelos eternos ensinamentos de
vida principalmente de persistência, otimismo e humildade.
AGRADECIMENTOS
Aos que de alguma forma demonstraram algum incentivo, agradeço pela satisfação
de tê-los como contribuintes no desenvolvimento deste trabalho.
Agradeço também ao orientador professor Doutor Rodolfo Jesus Rodriguez Silvério
por sua contribuição para realização dos trabalhos, pelas sábias sugestões e
principalmente por despertar a objetividade desde o primeiro momento.
Aos professores da FAACZ pelo suporte e empenho durante o curso atendendo as
necessidades técnicas, teóricas e práticas deste trabalho e a secretaria pelos
processos de apoio que facilitaram esta conquista.
Ao professores Gutemberg Brasil pela parceira e aprendizado nos trabalhos
profissionais de realização de inventários de GEE e orientações iniciais e Gylvan
Meira pela formação em mudança do clima.
A querida esposa Heliara e queridos filhos Paulo e Eduardo pelo amor,
compreensão e apoio fundamental na decisão da matrícula.
Aos diretores e amigos do Instituto Totum e KeyAssociados em especial ao Delpupo
e Fujihara por acreditarem em minhas contribuições no time Carbono.
Respeitosamente a minha mãe Vilma e irmã Claudiana por acreditarem na minha
missão e objetivos de vida.
Aos integrantes da banca pela análise criteriosa e avaliação deste trabalho,
apontando suas valiosas sugestões.
Pela força dos amigos Alessandro, Evandro Abreu, Penha, compadres Jovanir e
Ângelo.
Pela contribuição da Siderúrgica Ibiraçu Ltda. na pessoa do Gerente de Produção
Terêncio.
Pela dedicação do graduando em engenharia metalúrgica da UFOP Caio Bitencourt
e sua importante contribuição como bolsista voluntário desta obra.
A Deus.
"Não é o mais forte da espécie que sobrevive, nem o mais inteligente; é o
que melhor se adapta à mudança".
Charles Darwin
Resumo
Sousa, C.S. Análise Exergética do processo de produção de ferro gusa em
altos-fornos: identificação de oportunidades em redução de emissões de
gases de efeito estufa. 2009. 115 f. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de
Aracruz, Aracruz, 2009.
No alto-forno, os carvões exercem dupla função sendo a principal a reação de
bourdoard que, no interior deste reator, fornece o gás redutor o qual promove a
redução dos óxidos ferrosos em ferro, liberando o gás carbônico. Parcela do carvão
utilizado pode estar sendo consumido por fenômenos indesejados inerentes a cada
equipamento e operação e um desperdício energético pode ser constatado
aplicando-se conceitos termodinâmicos.
Este trabalho procurou identificar oportunidades de redução de emissão de gases de
efeito estufa através de alternativas de melhor aproveitamento de recursos
energéticos, principalmente do emprego do carbono, principal agente redutor na
produção de ferro gusa em altos-fornos. Para tanto foi aplicada uma metodologia de
análise baseada nos princípios da termodinâmica, através dos conceitos de exergia.
Esta análise foi feita com base em dados reais de processo e aplicação dos
conceitos de primeira e segunda lei da termodinâmica.
Buscou-se a partir daí identificar as perdas exergéticas pela variação dos principais
parâmetros operacionais do reator buscando relações que desdobrem em
oportunidades para melhor aproveitamento energético e a tomadas de ações de
mitigação de emissão de gases de efeito estufa durante o processo.
Palavras chave: Ferro gusa, alto-forno, carvão vegetal, análise de exergia, gás de efeito estufa
ABSTRACT
Sousa, C.S. Exergetic Analysis of the pig iron production in blst furnaces: oportunities
for ghg emissions reductions. 2009 . 115 f. Faculdade de Aracruz, Aracruz, 2009.
In the blast furnace, the coals have double funcition as the main reaction of
bourdoard that within this reactor, provides the reducing gases which promote the
reduction of iron ore, releasing carbon dioxide. Part of the coal being used can be
consumed by unwanted phenomena inherent in the equipment operation and waste
energy can be determined by applying thermodinamic concepts.
This study sought to identify opportunities for reducing emissions of greenhouse
gases though better use of alternative energy resources, the main reducing agent in
the pig iron production. Thus, was aplied a methodology based of thermodinamics
analisys. This was based on currently data process and application of the first and
second law concepts.
It was possible to identify from that exergetic losses by instability of the operational
parameters of furnace seeking relationships to mitigate emissions of ghg during the
Figura 1 – Evolução da produção de ferro gusa ........................................................ 18 Figura 2 – Modelo esquemático da siderurgia a carvão vegetal .................................. 31 Figura 3 – Matriz Energética Nacional .................................................................... 32 Figura 4 – Evolução do consumo de carvão vegetal e produção de ferro gusa ............. 32 Figura 5 – Consumo de carvão vegetal por grau de integração ................................... 33 Figura 6 – Consumo de carvão segundo origem ....................................................... 34 Figura 7 – Distribuição do consumo de lenha .......................................................... 36 Figura 8 – Balanço de carbono na redução do minério de ferro .................................. 38 Figura 9 – Visão parcial da corrida de ferro gusa ..................................................... 40 Figura 10 – Fluxograma do minério de ferro ........................................................... 41 Figura 11 – Fluxograma do carvão vegetal .............................................................. 41 Figura 12 – Diagrama de energia na siderurgia integrada .......................................... 42 Figura 13 – Emissões de CO2 pelo uso de combustíveis fósseis ................................. 43 Figura 14 – Arranjo interno do alto-forno................................................................ 45 Figura 15 – Figura esquemática da redução de minério de ferro ................................. 47 Figura 16 – Emissões setoriais mundiais de gases de efeito estufa ............................. 49 Figura 17 – Emissões de GEE no Brasil .................................................................. 51 Figura 18 – Emissões na siderurgia por grau de integração de 1990 a 1998 ................. 51
Figura 19 – Emissões setoriais no Brasil ................................................................. 53 Figura 20 – Perdas de exergia ................................................................................ 55 Figura 21 – Fronteira de trabalho ........................................................................... 61 Figura 22 – Representação conceitual de exergia ..................................................... 68 Figura 23 – Fluxos de elementos no alto-forno ........................................................ 72 Figura 24 – Marcha operacional do alto-forno dias 1 e 2 .......................................... 80
Figura 25 – Marcha operacional do alto forno dias 11/01/2009 e 28/08/2008 .............. 80 Figura 26 – Volume de carvão vegetal enfornado..................................................... 81 Figura 27 – Inputs de exergia no alto-forno ............................................................. 86 Figura 28 – Outputs de exergia .............................................................................. 86 Figura 29 – Gráfico de temperatura do gusa em graus kelvin versus perda exergética .. 93
Figura 30 – Consumo específico de carvão vegetal versus perda de exergia ................ 94 Figura 31 – Temperatura do ar insuflado nas ventaneiras versus perda de exergia ....... 95
Figura 32 – Comparação das perdas exergéticas ...................................................... 95
Figura 33 – Correlação entre perda de exergia e as emissões de GEE ......................... 98
LISTA DE TABELAS
Tabela I – Rotas de fabricação de aço ..................................................................... 25 Tabela II – Evolução da produção de ferro gusa no Brasil ......................................... 26 Tabela III – Fontes de emissão na siderurgia ........................................................... 27 Tabela IV – Reações químicas no alto-forno ........................................................... 28 Tabela V – Insumos utilizados em altos-fornos a carvão vegetal ................................ 30 Tabela VI – Consumo de lenha no Brasil ................................................................ 36 Tabela VII – Características do alto-forno analisado ................................................ 39 Tabela VIII – Produção, consumo, importação de carvão mineral/coque .................... 44 Tabela IX – Principais setores e fontes de emissão de CO2 das industrias siderúrgicas 53 Tabela X – Emissões de poluentes .................................................................... 54 Tabela XI – Resultados da comparação dos inputs de exergia ......................... 57 Tabela XII – Resultados da comparação dos outputs de exergia ...................... 57 Tabela XIII – Propriedades térmicas do alto-forno: inicial e final ....................... 63 Tabela VIV – Comparação entre energia e exergia ........................................... 67 Tabela XV – Análise química do carvão vegetal - imediata ............................... 74 Tabela XVI – Composição química das cinzas do carvão ................................. 74 Tabela XVII – Análise elementar do carvão vegetal .......................................... 74 Tabela XVIII – Análise química do minério enfornado ...................................... 75 Tabela XIX – Análise química das pelotas enfornada ........................................ 75 Tabela XX – Matérias primas e insumos enfornados ......................................... 75 Tabela XXI – Composição química dos fundentes ............................................ 76 Tabela XXII – Composição química da sucatinha ............................................. 76 Tabela XXIII – Produtos e subprodutos do alto-forno ........................................ 77 Tabela XXIV – Composição química do ferro gusa ........................................... 77 Tabela XXV – Composição química da escória ................................................. 78 Tabela XXVI – Composição química do pó do balão ......................................... 78 Tabela XXVII – Composição química do gás de alto-forno ............................... 79 Tabela XXVIII – Balanço térmico dia 1 ............................................................... 82 Tabela XXIX – Balanço térmico dia 2 ................................................................. 83 Tabela XXX – Balanços de exergia no dia 1 ....................................................... 84 Tabela XXXI – Balanços de exergia no dia 2 ..................................................... 85 Tabela XXXII – Emissões de gases de efeito estufa ......................................... 98
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABM – Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais
ABRACAVE – Associação Brasileira de Carvão Vegetal
AF – Alto Forno
BEN – Balanço Energético Nacional
BF – Blast furnace
BFG – Blast furnace gás
CER – Certification Emition Reduction
CH4 – Gás Metano
CO2 – Gás carbônico
COG – Gás de coqueria
GAF – Gas de Alto-forno
GEE – Gas de efeito estufa
GHG – Grenhouse Gases
IBS – Instituto Brasileiro de Siderurgia/Instituto Aço Brasil
IEA – International Energy Agency
IPCC – Intergovernamental Painel of Climate Change
ISIJ – The Iron and Steel Institute of Japan
MCT – Ministério de Ciência e Tecnologia
MDL – Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
MP – Meth Painel
OECD – Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico
OIE – Oferta Interna de Energia
ONU – Organização Nacional das Nações Unidas
PIB – Produto Interno Bruto
RE – Redução de emissões
SBB – Steel Business Briefing
Sindifer – Sindicato das Indústrias do ferro
UNFCCC – Union Framework Convention Climate Change
1.3 Metodologia .............................................................................................. 20 1.4 Estruturas do Trabalho ............................................................................. 21
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 23 2.1 Emissões de Gases de Efeito Estufa e Impactos às Mudanças do Clima ........................................................................................................ 23 2.2 Processos Siderúrgicos ............................................................................ 24 2.3 Siderurgias – Fundamentação Teórica .................................................... 28
2.3.1 Fundamentos do Processo de Redução do Minério de ferro .............. 28 2.3.2 Altos –fornos ....................................................................................... 28 2.3.3 Siderurgias a Carvão Vegetal ............................................................. 31 2.3.4 Uso de Carvão Vegetal Renovável como Termo Redutor na Siderurgia e Geração de Gases de efeito Estufa ....................................... 35 2.3.5 O Reator Analisado ............................................................................ 39 2.3.6 Uso de Combustível Fósseis na Siderurgia – Siderurgia a Coque ..... 42 2.3.7 Operação dos Atos- Fornos a Carvão vegetal .................................... 48 2.3.8 Injeção de Finos de Carvão em Altos-Fornos e a Redução de Emissão de CO2.......................................................................................... 47 2.3.9 Emissões e Gases de Efeito Estufa e os Processos Siderúrgicos ..... 49 2.3.10 Exergia como Ferramenta Aplicada a Redução de Emissões de Gases de Efeito Estufa ............................................................................... 54
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..................................................................... 60 3.1 Primeiras e segunda Lei da Termodinâmica Aplicada ao Processo de Redução de Minério de Ferro ........................................................................................ 60 3.2 Métodos da Exergia ................................................................................. 65
4. ANÁLISE DA EXERGIA EM ALTOS FORNOS ............................................. 72 4.1 Critérios e Dados Operacionais Aplicados ............................................... 73 4.2 Discussão dos Parâmetros Operacionais Coletados ............................... 79 4.3 Balanços térmicos no Alto-forno ............................................................... 81 4.4 Balanço Exergético .................................................................................. 81 4.5 Eficiência Exergética ................................................................................ 87 4.6 Exergia e Emissões de Gases de Efeito Estufa ....................................... 88
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS ..................................................................... 91 5.1 Influências dos Parâmetros Operacionais ................................................ 91 5.2 Considerações Finais ............................................................................... 99
Coque – As vezes adicionados em proporções menores
Calcário Dolomítico – Mineral basicamente composto por Alumina (Al2O3)
Quartzito/granito britado – Mineral composto por Sílica (SiO2)
Estes gases gerados participam de outras reações e também são responsáveis pelo
arraste de material particulado proveniente da geração de finos das matérias primas.
Os principais finos são gerados pela degradação do carvão vegetal ou coque e pelo
fenômeno de crepitação do minério de ferro.
Os gases atravessam a carga permeável no interior do forno se dirigindo às saídas
pelo topo onde são interligadas as tubulações que levam ao sistema de lavagem tipo
Venturi. Parte das partículas passa aos regeneradores onde são emitidas para
atmosfera através de chaminés.
Os regeneradores participam do processo aquecendo o ar que é insuflado pelas
ventaneiras. A principal fonte de energia para este aquecimento é feito pela queima
do gás de alto-forno após passar pelo processo de limpeza dos gases. Porém, nem
todo o gás gerado é aproveitado neste aquecimento sendo necessário realizar a
queima deste excesso em queimadores. O excesso de energia do gás é queimado
em flare gerando gás CO2.
31
A co-geração de energia elétrica pela utilização do gás de alto-forno é uma
alternativa para auto-suficiência das empresas siderúrgicas em energia elétrica. Tal
prática confere uma evolução em práticas sustentáveis pelo setor e reduz as
emissões de gases de efeito estufa.
2.3.3 Siderurgia a Carvão Vegetal
A figura 2 apresenta o layout de uma empresa siderúrgica que utiliza o carvão
vegetal como agente redutor de minério de ferro. Apesar da madeira representar
12,9% da oferta de energia no Brasil, o ponto crítico da siderurgia a carvão vegetal
brasileira é em relação à auto-suficiência em carvão vegetal, isto devido aos
altos custos de reflorestamento.
Figura 2 - Modelo esquemático da siderurgia a carvão vegetal (Pereira, 1982)
Devido ao alto consumo da madeira a necessidade de madeira renovada plantada
para suprimento de toda a cadeia seria equivalente a uma vez e meia o estado do
Rio de Janeiro. Segundo Uhlig
um deslocamento do uso de carvão vegetal por coque, que possui o preço mais
baixo, porém com maior fator de emissão de gases de efeito estufa. É preciso uma
política que estimule a produção de carvão veg
com isto a demanda crescente por esta fonte de energia será atendida e a emissão
de milhões de toneladas de carbono evitada.
energética brasileira a qual é uma das mais limpas do mundo mostra
importância do consumo da madeira como prática sustentável.
Figura 3
O consumo de carvão vegetal está intimamente ligado com a produção industrial de
ferro gusa. Em 2005 o setor co
que equivaleu a 90,5% do seu consumo total. A figura
consumo de carvão e a produção de ferro gusa entre os anos de 1985 a 2005
(Uhlig, 2008).
13%2%
9%
14%
Uhlig at al (2008) o aumento da fiscalização pode provocar
um deslocamento do uso de carvão vegetal por coque, que possui o preço mais
baixo, porém com maior fator de emissão de gases de efeito estufa. É preciso uma
política que estimule a produção de carvão vegetal com custos mais competitivos,
demanda crescente por esta fonte de energia será atendida e a emissão
de milhões de toneladas de carbono evitada. A figura 3 apresenta a matriz
energética brasileira a qual é uma das mais limpas do mundo mostra
importância do consumo da madeira como prática sustentável.
3 - Matriz energética nacional (BEN, 2007)
O consumo de carvão vegetal está intimamente ligado com a produção industrial de
ferro gusa. Em 2005 o setor consumiu 8,7 milhões de toneladas de carvão vegetal o
que equivaleu a 90,5% do seu consumo total. A figura 4 apresenta a relação entre o
consumo de carvão e a produção de ferro gusa entre os anos de 1985 a 2005
6%13%
40%
14%
3%Carvão mineral
Lenha
Petróleo
Energia hídrica
Nuclear
Gás natural
Produtos da cana
Outras
32
o aumento da fiscalização pode provocar
um deslocamento do uso de carvão vegetal por coque, que possui o preço mais
baixo, porém com maior fator de emissão de gases de efeito estufa. É preciso uma
etal com custos mais competitivos,
demanda crescente por esta fonte de energia será atendida e a emissão
apresenta a matriz
energética brasileira a qual é uma das mais limpas do mundo mostrando a
O consumo de carvão vegetal está intimamente ligado com a produção industrial de
neladas de carvão vegetal o
apresenta a relação entre o
consumo de carvão e a produção de ferro gusa entre os anos de 1985 a 2005
Carvão mineral
Energia hídrica
Gás natural
Produtos da cana
33
Figura 4 - Evolução do consumo de carvão e produção de ferro gusa (Uhlig, 2008)
Ainda em seu estudo, Uhlig et al (2008) apresenta consumos de carvão vegetal
realizado pelo IBAMA entre os anos de 2000 a 2004, que mostra que neste período
foram consumidos 14,2 milhões de toneladas do redutor sendo que 7,5 tiveram
origem de reflorestamento, 55,7% de resíduos de madeira, 20,1% de desmatamento,
12,2% da casca de babaçu e 4,5% de resíduos de desmatamento.
Os consumos de carvão vegetal por grau de integração da indústria siderúrgica é
apresentado na figura 5, e segundo a origem do carvão na figura 6. Pode-se verificar
que ao longo da evolução histórica de utilização de carvão o consumo de florestas
nativas vem superando ao consumo de florestas plantadas.
34
Figura 5 - Consumo de Carvão vegetal por grau de integração (adaptado de V&M, 2008)
Figura 6 - Consumo de carvão segundo origem (Uhlig, 2008)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
MD
C x
1.0
00
Nativa Plantada
35
2.3.4 - Uso de Carvão Vegetal Renovável como Termo Redutor na Siderurgia e
Geração de Gases de Efeito Estufa
A biomassa é alvo de estudos sobre as alternativas de sustentabilidade de produção
de indústrias no mundo. Com as possibilidades de exaustão dos recursos naturais
não renováveis o uso de combustíveis de biomassa plantada vem sendo discutido
em grandes empresas principalmente no ramo siderúrgico do seguimento a coque.
Contudo o seu uso, bem como de outros renováveis ainda, fica parcialmente
prejudicado quando comparável aos combustíveis fósseis desconsiderando os
custos relacionados às questões ambientais e sociais. (GOLDEMBERG, 2004)
As siderúrgicas que já operam a carvão vegetal devem estar atentas as constantes
oscilações de mercado do ferro gusa o que vem exigindo cada vez mais das
empresas um modelo mais próximo do sustentável e competitivo.
Desde o início da existência humana tem-se a utilização da madeira como fonte de
energia utilizada nas principais ações necessárias à sobrevivência na terra. A
biomassa, porém, passou aos poucos a ser substituída pelos combustíveis fósseis
inicialmente despertadas pelo carvão mineral seguido pelo petróleo e gás natural.
Estes últimos ganharam mais força na indústria principalmente após a revolução
industrial com o avanço tecnológico e aumento da demanda de materiais
industrializados.
Não obstante, alguns setores mantiveram a demanda de combustíveis
lignocelulósicos, como é o caso relevante da siderurgia no Brasil, onde quase 30%
do ferro gusa produzido emprega o carvão vegetal como agente redutor e
energético. Outros setores como de celulose e papel, cerâmica vermelha, indústria
36
gesseira, alimentos e bebidas também são importantes consumidores de lenha
como fonte de calor de processo (NOGUEIRA, 2007). A tabela VI apresenta o
cenário de uso e consumo de lenha no Brasil nos anos de 2006 e 2007.
Pode-se observar que o consumo de lenha em carvoarias corresponde a 42,9%
sendo o restante em demais áreas como pode ser observado na figura 7.
Tabela VI – Consumo de lenha no Brasil (BEN, 2008)
unidade 2006 2007 %07/06
Produção de lenha 103 t 91.922 92.317 0,4
Consumo em carvoarias 103 t 38.307 39.153 2,2
consumo final de lenha 103 t 52.949 52.614 -0,6
Consumo residencial de lenha 103 t 26.697 25.200 -5,6
consumo de carvão vegetal 103 t 9.420 9.670 2,7
Figura 7 - Distribuição do consumo de lenha (BEN, 2008)
Segundo Uhlig (2008) no Brasil, o consumo de carvão vegetal está ligado a indústria
siderúrgica. A produção de ferro gusa é o principal consumidor de carvão vegetal e,
como esperado, o consumo de carvão vegetal é proporcional à produção de gusa. O
Carvoarias; 42,90%
Industrial; 20,50%
Residencial; 27,60%
Agropecuário; 7,90%
Outros consumos;
1,00%
37
consumo de biomassa pelo setor de ferro gusa e aço representa cerca de 7,6% do
total (BEM, 2008).
A principal biomassa renovável utilizada para produção de carvão vegetal é o
eucalipto. Segundo Penedo (1980) é alternativa energética do coque metalúrgico
apresentando com vantagens competitivas como seguem:
- São isentos de enxofre;
- O carbono produzido pelas florestas não interfere no equilíbrio da terra.
- O carbono produzido nas florestas é perpetuamente renovável, enquanto
existir vida no planeta Terra.
As florestas geram carbono e o armazenam ao mesmo tempo, de modo que não é
necessário dispor de depósitos adicionais para o produto como acontece na maior
parte dos processos de fabricação de outros combustíveis.
Com efeito, as cadeias energéticas da biomassa florestal, desde os recursos
naturais até os equipamentos de uso final, mostram crescentes contradições. Por um
lado, a madeira representa uma forma de energia renovável, necessariamente
articulada com o desenvolvimento regional e capaz de aportar vantagens ambientais
localizadas, como a conservação de solo e a proteção dos mananciais, e caráter
global, permitindo atenuar as emissões de gases de efeito estufa (pelos efeitos de
substituição e seqüestro de carbono), sendo interessante e oportuno promover o seu
uso.
Por outro lado, em grande medida, a produção de vetores energéticos baseados na
madeira tem-se associado a impactos negativos, como o desmatamento e
degradação de uso de solo, subemprego e condições insalubres de trabalho.
38
A figura 8 apresenta o ciclo do carbono no processo a carvão vegetal. Para este
processo quando toda a madeira utilizada para fabricação de carvão vegetal é
explorada de florestas dedicadas de origem renovável, todo o CO2 emitido pelo
processo em altos-fornos é equivalente ao CO2 necessário para o crescimento do
eucalipto.
Figura 8 - Balanço de carbono na redução de minério de ferro (Nogami, 2004)
Segundo Goldemberg (2000), as reservas brasileiras de combustíveis fósseis não
deverão ultrapassar os 30 anos e ressalta que a única solução permanente que
poderá manter um desenvolvimento sustentado durante muitas décadas é através
do uso de fontes renováveis de energia.
39
2.3.5 - O reator analisado
As características do alto-forno analisado podem ser vistas na tabela VII. Este alto-
forno foi construído em 1980 e, considerando sua ultima reforma refratária está com
sua vida útil próximo do fim. Por ser um projeto já de 30 anos, seu layout está um
pouco ultrapassado com necessidades reais de ser otimizado principalmente os
sistemas de carregamento de matérias primas no topo, que ainda é pelo sistema tipo
skips, e seu sistema de lingotamento dotado de uma única roda de lingotar com
diâmetro sub-dimensionando o qual compromete a produtividade da usina. Uma
visão parcial desta siderúrgica pode ser vista na figura 9.
Tabela VII – Características do Alto-forno analisado
ITENS
Produção 220t/dia H útil 15,800 m Diâmetro do cadinho 3,400 m Volume útil 139 m3 Número de ventaneiras 10 Diâmetro das ventaneiras 90 mm Regeneradores Glendon Volume de escória 120 kg/tgusa Basicidade da escória 0.92 Vazão de ar 11000-13000 Nm3 Temperatura da coroa 600o C Pressão de sopro 6,0 - 7,0 mca Consumo de carvão/tgusa 550kg Consumo de coque /tgusa 86kg Consumo de minério 1500kg
40
Seu principal produto, gusa nodular elaborado graças a um sistema de tratamento
metalúrgico em panela, é destinado ao mercado externo (japonês, americano e
europeu). Os demais tipos de gusa fabricados pela usina são: aciaria e fundição.
Figura 9 - Visão parcial da corrida de ferro gusa
As figuras 10 e 11 apresentam o fluxograma esquemático do suprimento de matérias
primas para produção de ferro gusa em uma indústria siderúrgica a carvão vegetal.
41
Figura 10 - Fluxograma do minério de ferro
Figura 11 - Fluxograma do carvão vegetal
42
2.3.6 - Uso de Combustíveis Fósseis na Siderurgia – Siderurgia a Coque
A aplicação de combustíveis fósseis na siderurgia está relacionada à entradas de
carvão utilizado no alto-forno como fontes do carbono. Os combustíveis fósseis
podem fazer parte da carga com a utilização total ou parcial de coque, injeção de
carvões minerais pulverizados pelas ventaneiras, injeção de gás natural e processos
periféricos de aquecimento ou de refino onde se utilizam queimas de óleos ou gás.
Um diagrama dos fluxos de energia devido ao uso de combustíveis fósseis pode ser
visto na figura 12. Para uso siderúrgico, o carvão mineral é em boa parte importado
devido à menor fração de impurezas em comparação ao carvão nacional,
viabilizando economicamente a sua aplicação para fins siderúrgicos. Pode-se
observar que o consumo industrial de combustíveis fósseis representa 67,9% do
total consumido.
Figura 12 - Diagrama de energia na siderurgia integrada (LARSON, 2003)
43
Na rota a coque os níveis de emissões de CO2 são fixados na atmosfera tendo
impacto nocivo ao aquecimento global. Na siderurgia a carvão vegetal, quando todo
carvão é de origem de florestas plantadas, existe um modelo perfeito de
desenvolvimento sustentável como resultado do balanço das emissões de carbono
já que o carbono total emitido retorna a natureza para o crescimento de biomassa.
Quanto ao coque consumido pelo Brasil o setor siderúrgico é responsável por mais
de 94% consumindo em média nove milhões de toneladas ano. Os consumos de
carvão mineral e coque contribuem proporcionalmente com as emissões de GEE do
setor industrial o qual estabelece como 2º colocado no ranking dos maiores
emissões pelo consumo de combustível como observado na figura 13. Uma
tendência de aumento no consumo de coque pode ser verificada na tabela VIII.
Figura 13 - Emissões de CO2 pelo uso de combustíveis fósseis (MCT, 2006)
produzido pela metalurgia da panela feita imediatamente após a tamponagem do
alto-forno.
As irreversibilidades em ambos os dias de produção aqui analisados estão
diretamente relacionadas com as perdas térmicas devido às variáveis operacionais
do alto-forno bem como devido à geração de entropia das diversas reações químicas
que ocorrem no interior do reator.
Pode-se observar que exergia total do dia 11 supera o dia 28. A entrada de exergia
relativa ao carvão vegetal foi extremamente impactante sendo que as entradas de
exergia dos insumos variaram muito pouco entre os dois dias analisados.
4.5 - Eficiências Exergética
A eficiência exergética, Є, no alto-forno, assim como para qualquer equipamento,
pode ser entendida como o grau de imperfeição termodinâmica pelo modelo de
Szargut (1988) O maior valor da eficiência de segunda lei calculada expressa melhor
aproveitamento dos aportes de energia no alto-forno.
Tem-se, portanto que:
ЄF@ �∑ GH&IJ�# �# K#íL#M
∑ &H&IJ�# �# &�!I#L#N (33)
A partir destes cálculos pode-se mensurar a irreversibilidade interna do alto-forno ou
avaliar a perda total do sistema mais conhecido com a eficiência exergética.
88
As conclusões dos cálculos se consolidam, pois podem-se observar no dia 2 as
necessidades de inputs de energia e exergia. Conseqüentemente a perda de exergia
foi também maior que no dia 1 quando os indicadores de consumo específico de
carvão vegetal e produtividade do alto-forno estiveram comprometidos.
4.5 - Avaliações das Emissões de Gases de Efeito Estufa no Alto-Forno
A avaliação das emissões de gases de efeito estufa é dado pela emissão do gás
carbônico equivalente. Para efeito dos cálculos de emissões considerou-se a
metodologia proposta pela UNFCCC para quantificação de emissões reduzidas para
créditos de carbono para uso de agentes redutores de biomassa de plantios
renováveis em substituição a carvão mineral de origem fóssil. Como esta
metodologia prevê outras emissões a montante da planta industrial do alto-forno
para melhor apresentar um cenário de emissões reduzidas na troca do agente
redutor coque por carvão vegetal renovável, o que não é objetivo deste estudo,
utilizou-se somente a parcela de emissões no processo de redução de minério de
ferro. A ferramenta do GHG Brasil permite efetuar estes cálculos com aplicação
direta de dados de consumo de agente redutor.
4.6 - Exergia e Emissões de Gases de Efeito Estufa.
Como já mencionado anteriormente a aplicação do conceito de exergia está
relacionado a questões de irreversibilidades e que, estando presentes, aumentam a
89
questão da concentração de gases de efeito estufa na atmosfera quando o agente
redutor utilizado no processo de redução de minério de ferro em altos-fornos é de
origem não renovável.
Para se conhecer precisamente as emissões de processos deve-se proceder um
trabalho criterioso o que, na maioria dos casos, fica impossível ter uma situação real
por não ter um quadro exato da situação exata, muitas das vezes aplicados a
siderurgia não integrada a carvão vegetal (COSTA, 2002). No entanto, muitos dados
e características de empreendimentos deste porte são conhecidos e um nível de
incerteza para um estudo como este pode estar inerente.
Normalmente, segundo Cang at al (2002), as estratégias de mitigação de emissões
de gases de efeito estufa na siderurgia podem estar relacionadas as seguintes
ações:
1. Reduzir a quantidade de gás CO2 produzido.
2. Remover e utilizar o CO2 dos processos.
3. Fixar o CO2 gerado em algum local do meio ambiente.
De fato, na siderurgia, o consumo do agente redutor está diretamente ligado ao
consumo do insumo no alto-forno. E, portanto, para cada tonelada de ferro gusa
produzido, quanto menor o consumo do carvão vegetal, menor o volume de gás
carbônico gerado do sistema. Ferreira (2005) ressalta que para o eucalipto
continuar a exercer sumidouro importante de CO2 fatores políticos, econômico e
sociais deverão ser considerados e discutidos para viabilizar fontes de financiamento
já que o coque metalúrgico apresenta melhores atrativos econômicos em detrimento
ao carvão vegetal.
90
Para o cálculo das emissões realizados nos dois dias de produção foi considerado o
modelo de cálculo proposto pela Union National Framework Climate Change C –
UNFCCC segundo a metodologia aprovada sob o código AM0082.
91
5 - ANÁLISE DOS RESULTADOS
5.1 Influências dos Parâmetros Operacionais
As variações dos parâmetros de processo do alto-forno podem levar a perdas de
produtividade e conseqüente aumento do consumo de carvão vegetal (SOUSA,
2009). Contudo, as características do agente redutor são consideradas
fundamentais para determinação da quantidade de emissão de gases originados na
produção de ferro gusa. Torna-se possível identificar relações diretas para
identificação e quantificação de emissões de CO2 as quais seriam importantes para
determinação de metas de redução e preservação.
Por outro lado, as perdas térmicas no reator expressam um maior consumo de
agente redutor e, por conseguinte o aumento das emissões. Para os cálculos
efetuados nesta dissertação, não são considerados a recuperação do gás de alto-
forno para aquecimento do ar insuflado nos glendons. Também não foram
consideradas perdas de calor pelas paredes refratárias do alto-forno. A queima de
gás de alto-forno nos glendons aumenta significativamente à eficiência energética do
sistema.
A importância de melhorias das eficiências energéticas em processos industriais por
sua vez está diretamente relacionada a redução de emissões de gases de efeito
estufa. O progresso tecnológico vem apresentando ao mercado produtos cada vez
mais automatizados e de baixo consumo de energia elétrica. Por outro lado,
necessidades de práticas sustentáveis e intervenção nas mudanças no clima vêm
92
sendo fato motivador para evolução nas linhas de produção industriais bem como
nas características dos produtos (POOLE; HOLLANDA E TOLMASQUIM; 1998)..
Diversos fatores operacionais e aqueles relacionados a qualidade das matérias
primas podem ser avaliados de forma a reduzir as perdas térmicas. Braga (1979)
destaca que o teor de carbono fixo afeta diretamente o consumo específico de
redutor e, portanto a produção. Embora quantificado as perdas térmicas durante um
dia de vinte quatro horas de operação, deve-se buscar uma confirmação da
existência das perdas térmicas e simular um cenário o qual possa ser comparável a
outras análises práticas e teóricas utilizando as diversas variáveis de controle de
processos de redução de minério de ferro em altos-fornos.
Akiyama (1993) propôs um sistema para reduzir as perdas de exergia no processo
de produção de ferro gusa em alto-forno pela injeção de gás natural utilizando um
modelamento matemático com base em balanços térmicos e balanços de massa.
Em conjunto, um sistema de modificação química do gás de alto-forno também foi
proposto pelo autor o qual obteve um grau de redução da emissão de gases de
efeito estufa para a atmosfera.
Para conhecimento dos efeitos de algumas variáveis operacionais nas perdas de
exergia no sistema de produção de gusa foram analisados parâmetros para dois dias
de produção do alto-forno estudado. As figuras a seguir apresentam uma série de
curvas de variação de parâmetros operacionais em função da perda de exergia no
alto-forno analisado. Pode-se observar na figura 29 que, quanto maior a temperatura
do gusa na bica menor a perda exergética.
93
Figura 29 – Gráfico temperatura do gusa em graus Kelvin versus perda exergética
A temperatura do gusa é uma variável que está diretamente afetada pelo teor de
silício visado no ferro gusa. Quanto maior o teor de silício do gusa na bica, maior a
temperatura do gusa.
A figura 30 a seguir apresenta a relação do consumo específico do carvão vegetal
no alto-forno e os impactos sobre as perdas de exergia. Pode-se observar que
quanto menor o consumo específico menor as perdas de exergia. O consumo
específico de carvão é uma variável de controle operacional também inter-
relacionada com a temperatura de trabalho do gusa/forno. Observa-se que para o
consumo de 582,13 kg de carvão/tgusa, a perda de exergia se aproximou de
1.730MJ/tgusa. Para este dia de operação do forno, as condições de estabilidade
operacional bem como de produtividade foram consideradas dentro da meta de
produção da empresa.
O consumo de carvão no alto-forno é proporcional ao consumo de carbono por
tonelada de gusa produzida, que depende do aproveitamento térmico e redutor dos
gases gerados durante as reações os quais operam em fluxo ascendente, bem como
dos fenômenos fluidodinâmico devido características da carga enfornada e do tempo
4650
4700
4750
4800
4850
4900
1573 1623 1673 1723 1773
Pe
rda
de
ex
erg
ia (
MJ/
tgu
sa)
Temperatura do gusa
94
de residência desta. Outra variável importante, em relação à carga e suas
características, está relacionada com a distribuição do fluxo gasoso.
Figura 30 – Consumo específico de carvão vegetal versus perda de exergia
A figura 31 apresenta a variação das perdas de exergia com a temperatura do ar
insuflado pelas ventaneiras do alto-forno. As condições de temperatura do ar
insuflado estão diretamente relacionada com as condições operacionais e de
conservação dos glendons e regulagem de tiragem do ar. Pode-se observar que
pelas condições operacionais a partir dos dados coletados que quanto maior a
temperatura do ar insuflado maiores serão as perdas de exergia no sistema. A
temperatura do ar insuflado representa a temperatura do ar na coroa do alto-forno e
os valores registrados nos dias analisados estão nas faixas normais de trabalho.
Temperaturas maiores que 850º C só é possível com a utilização de regeneradores
tipo cowpers.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Consumo Específico (kg/tgusa)
Perda (MJ/tgusa)
95
Figura 31 – Temperatura do ar insuflado nas ventaneiras (K) versus perda de exergia
A figura 32 fornece a avaliação da perda de exergia quando o alto-forno não é
equipado com um aquecedor de minério de ferro. Quanto maior a temperatura do
minério maiores as perdas de exergia na produção de gusa. Porém, seria importante
avaliar a contribuição da umidade do minério e as condições de permeabilidade do
forno quando a indústria não disponibiliza o secador de minério.
Figura 32 - Comparação das perdas exergéticas
4760,00
4780,00
4800,00
4820,00
4840,00
4860,00
4880,00
4900,00
650 700 750 780 800 850
Pe
rda
de
exe
rgia
(M
J/tg
usa
)
Temperatura do Ar (K)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
1 Perdas
Perdas
96
A figura 33 apresenta o gráfico comparativo entre as perdas de exergia nos dias
analisados. O dia 1 está representado gráfico pela cor escura e o dia 2 pela cor
mais clara.
Os cálculos de emissões de gases de efeito estufa normalmente se processam por
diferentes fórmulas apresentadas por diversas instituições onde o assunto de
interesse seja mudanças do clima.
De uma maneira geral para cálculo das emissões de gases de efeito estufa está
diretamente relacionada aos fatores de emissão podendo ser aplicado a seguinte
fórmula:
EP � AD S EFY (34)
Onde:
Ey – emissões totais do GEE
AD – parâmetro que define o grau de atividade da instalação e a que se refere ao
fator de emissão correspondente
EFy = Fator de emissão do GEE avaliado
O fator de emissão dos gases de efeito estufa é um valor determinado por uma
instituição designada e competente para cada atividade por unidade específica do
produto a que se refere. Seja por exemplo para aplicação em cálculos de emissões
originadas de processos de combustão, o fator de emissão será específico para
cada tipo de combustível utilizado. Sendo assim pode sempre ser expresso por
unidade de massa do combustível ou ainda pelo conteúdo de carbono do
combustível por unidade de massa.
97
Uma metodologia proposta para quantificação das emissões no sistema de redução
de minério de ferro para produção uma tonelada de ferro gusa é disponibilizada
como etapa para determinação das emissões reduzidas de gases de efeito estufa
para um novo sistema de reduções em substituição ao uso de coque.
Para os cálculos de emissões reduzidas e em alguns casos de inventários de
emissão de gases de efeito estufa é adotado como prática a realização dos cálculos
com referencia anual. Para certos inventários principalmente os que representam a
quantidade de emissões em determinados eventos, podem ser realizados em
períodos menores de tempo. Ressalta-se que as emissões no estudo apresentado
foram calculadas com dados diários de produção selecionados por um critério
definido de escolha. Isto é, os dois dias aqui analisados representam dois cenários
diferentes onde os resultados de produção alcançados foram diferentes para
condições similares de operação. A fórmula utilizada para o cálculo das emissões
reduzidas em projetos de MDL para o uso de agente redutor na produção de gusa
pode ser vista abaixo.
IREPJ,P � ZPPJ,P S EF���,PJ,P\ � 9PPJ,P S CcHM,PJ,P S aa
+.; (35)
Onde:
IREPJ,P= Emissões de processo no sistema de redução de minério de ferro na
indústria no ano y (tCO2e)
PPJ,P= Produção de ferro gusa líquido no ano y (expectativa de produção do novo
sistema de redução de minério de ferro)
EF���,PJ,P=Fator de emissão da produção de uma tonelada de ferro gusa líquido no
sistema de redução de minério de ferro (tgusa líquido)
98
CcHM,PJ,P= Teor de carbono por tonelada de ferro gusa líquido no ano y(tC/tgusa
líquido)
aa
+.=Fator de conversão do carbono para CO2e
O fator de emissão utilizado pelo uso do carvão vegetal como combustível é
referenciada pelo IPCC como sendo 3, 01621 tCO2/t.
A tabela XXXII a seguir apresenta os cálculos de emissões para os dois dias
avaliados em função da produção.
Tabela XXXII – Emissões de gases de efeito estufa
Consumo (kg C/tgusa)
Emissão (tCO2/tgusa)
Produção (tgusa)
Dia
11 468,40 1.412,793 256, 580
Dia
28 407,49 1.229,075 307,390
A figura 33 apresenta uma correlação dos resultados obtidos de emissão de gases
de efeito estufa e a perda de exergia no alto-forno em relação ao consumo de
agente redutor.
Figura 33 – Correlação entre perda de exergia e as emissões de GEE
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Consumo Específico (kg/tgusa)
Perda (MJ/tgusa)
Emissão (TCO2)
99
5.2 - CONSIDERAÇÕES FINAIS
O menor consumo de carbono no alto-forno quando operado com o redutor
bioenergético de origem florestal dedicado é resultado de um modelo sustentável e
de emissões de gases de efeito estufa em uma prática mais perfeita de produção de
ferro gusa. A operação com carvão vegetal ofertado bloqueia a tomada de ações de
redução de emissão e compromete as análises de otimização de processo pela
instabilidade das qualidades.
A análise de exergia em altos-fornos é ferramenta importante para tomadas de
decisões em curto prazo e de menor custo para estudos de reduções de emissões
de gases de efeito estufa. Um estudo bem completo incluindo a termo-economia
seria capaz de ser indicador decisório nas tomadas de ações de redução, que
implicam em investimentos em tecnologias de custos maiores, podendo ser também
importante para análise de adicionalidade para projetos de créditos de carbono.
As usinas não integradas operam com carvão vegetal e se destinam a produção de
ferro gusa para aciarias e fundições para exportação e mercado interno brasileiro.
Esta alternativa é considerada vantajosa do ponto de vista ambiental pela sua
capacidade de utilização do carvão vegetal de madeira, combustível totalmente
renovável. Este cenário pode ser realidade nos países em desenvolvimento dotados
de grandes áreas como uma oportunidade de redução de emissões globais de
gases de efeito estufa. Todo CO2 equivalente emitido durante o processo de
fabricação de ferro gusa, se diferencia do processo via coque pela sua capacidade
produtiva e pelo combustível utilizado, apresentando balanço positivo de emissões
de gases do efeito estufa. O carvão vegetal, neste caso, pode ser considerado como
100
fonte neutra, ou seja, todo o carbono emitido no processo é absorvido pelas árvores
em crescimento, que seqüestram o CO2 da atmosfera e anexam o carbono em sua
estrutura, e posteriormente são destinadas à produção desta commodity.
De fato, desde o surgimento dos primeiros fornos a carvão vegetal, evidenciam-se a
sua decrescente contribuição no mercado mundial em detrimento ao aumento da
demanda do aço e um pequeno aumento de áreas de plantio florestal. No Brasil, a
falta de investimentos no passado para o plantio de florestas energéticas, fragilizou-
se principalmente na região sudeste o espaço do setor com o surgimento da
exploração de terras para plantio de madeira para outros seguimentos da indústria o
que impactou negativamente a cadeia sustentável. Isto talvez pela carência de
políticas ambientais mais agressivas e uma restrição de visão quanto às questões
futuras relacionadas ao cenário de mudanças do clima o qual é vivenciado na
atualidade.
A operação dos altos-fornos a carvão vegetal tem por principal característica desde
seu surgimento, a utilização técnicas de controle baseadas no empirismo dos
operadores. Tais técnicas são possíveis mediante conhecimento prático baseado na
experiência dos profissionais na observação dos processos bem como do
enfornamento de matérias primas e aspectos do ferro gusa e escória durante a
corrida. Entretanto, neste estudo pode-se observar que alguns dados operacionais
importantes para uma análise exergética não são confiáveis não sendo possível uma
avaliação precisa, pois, alguns parâmetros de controle não são regulamente
medidos e monitorados tais como: Análise do gás de alto-forno, pressão de sopro,
volume de ar, temperatura de sopro, temperatura do gusa, composição do ferro gusa
no canal de corrida, análise de escória, análise do pó de balão, etc.
101
Os resultados apresentaram maior demanda de exergia para o dia de menor
produção e conseqüentemente este dia ficou agravado devido à maior emissão de
gases de efeito estufa pelo maior consumo de carvão. A análise permite avaliar as
oportunidades de melhorias no processo e estabelecer um modelo adequado de
inputs de exergia versus emissões de gases de efeito estufa.
Foi realizada uma análise termodinâmica do processo de fabricação de ferro gusa
em um alto-forno a carvão vegetal em duas diferentes condições de operação
caracterizada através da coleta de dados de dois dias de produção da empresa.
Como de esperado, o critério adotado permite analisar a variação das perdas de
exergia nos dois dias de produção em função das flutuações operacionais dos
principais parâmetros de produção sendo possível identificar oportunidades de
redução de emissão de gases de efeito estufa principalmente pela variação no
consumo de agentes redutores pelo emprego dos conceitos de 2ª Lei da
termodinâmica. As maiores fontes de irreversibilidades do sistema e as
oportunidades de otimização energética podem ser identificadas.
As referências bibliográficas sobre exergia são ricas em diversos campos da ciência,
porém escassos quando aplicados no setor siderúrgico embora podem-se contar
com uma metodologia bem completa descrita por Szargut. As poucas referências
que estudam o processo de redução de minério de ferro não disponibilizam
claramente a metodogia utilizada nem as principais premissas técnicas operacionais.
Contudo, ela nos permite identificação das principais variáveis termodinâmicas do
sistema para uma realização eficaz do levantamento de dados de produção e
parâmetros de operação em campo para realização dos cálculos pertinentes.
Como critério de aplicação as etapas de execução dos balanços de massa foram
realizados objetivando maior confiabilidade dos cálculos subseqüentes e
102
transparência termodinâmica. A partir deles pode-se comprovar que alguns fluxos de
saída do alto-forno não passam pelos sistemas internos de medição e
monitoramento, mas, são contabilizados como ajustes inerentes ao sistema de
produção.
Uma análise importante é da influência dos parâmetros de projeto e construtivos da
instalação do alto-forno na eficiência exergética, uma vez que boas partes das
irreversibilidades do sistema também podem estar relacionadas a fenômenos de
transferência de calor nas paredes refratárias das diferentes superfícies do reator. O
tamanho destas superfícies refratárias está intimamente relacionado à eficácia com
que se transfere o calor e à demanda de potência para movimentação dos fluidos
dentro do sistema o que determina os custos de investimentos e de operação das
instalações. Por isso é recomendável incluir no modelo os fenômenos de transporte,
deixando o modelo mais fidedigno com a operação real da instalação.
103
6. CONCLUSÕES
As variáveis operacionais na redução de minério de ferro em altos-fornos são
conhecidas. Contudo é importante relacioná-las às emissões de gases de efeito
estufa buscando quantificá-las objetivando promover uma operação mas eficaz em
relação ao consumo de carbono e emissões.
Com o presente trabalho foi possível concluir que:
- Aumentos da eficiência exergética da ordem de 5% podem reduzir o consumo de
carbono em 30% nos altos-fornos;
- Um aumento de 5% no consumo de carvão, nas condições apresentadas, aumenta
a perda de exergia em aproximadamente 1000MJ (85%), reduzindo a eficiência
exergética e provocando uma elevação de emissões de CO2.
- O aumento do teor de silício do gusa constatado entre os dois dias de operação do
alto-forno está relacionado ao aumento do consumo específico de carvão vegetal.
As perdas de exergia no dia 11 bem como as emissões de GEE foram maiores.
- Quanto maior as irreversibilidades de um sistema constituído pelo alto-forno maior
a emissão de gases de efeito estufa.
104
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108
Anexo 1 – Dados operacionais
109
110
Anexo 2
Controle de carvão vegetal enfornado dia 1 – 11/01/09
HORA CARGA Kg/h kg acum conf m3/h m3/acum conf m3 kg/m3
Mg(s) MgO 3,45 x 10-2 CaCO3.MgO 2,3 x 10-3 15,1 3,609 633,8 151,478
Exergia química
padrão do
elemento
(kcal/mol)
Componente da
litosfera
Espécie de referênciaExergia
química
padrão do
elemento
(kj/mol)
120
Anexo 8
Composição Minério de ferro Pelotas Dolomita e granito
FeO 1463 3138
Fe2O3 103 103
FeS2 11908 -
FeS - 1073
CaO -353 1965
MgO -83 1869
SiO2 31 -1062
Al2O3 133 1843
MnO 1304 2229
CO2 470 -
SO3 332 -
H2O 50 -
0
45
50
-
18
292
31
133
1304
-
Coeficientes da equação aproximada que expressa a exergia química padrão do ferro gusa
coeficiente tk MJ/kg
-
103
121
Anexo 9
Exergia padrão de espécies de referência
Elemento químico
Fórmu
la
fração em
massa Fórmula
Fração
molar
padrão xm
Bq padrão
composto
(kj/mol)
Bq padrão
(kcal/mol)
Fe (s) Fe2O3 3,1x10-2 Fe2O3 1,3 x 10-3 16,5 - 376,4 -
BQFe2O3 57,33 kJ
Espécie de referência
Exergia
química
padrão do
elemento
(kj/mol)
Exergia química
padrão do
elemento
(kcal/mol)
Componente da
122
Anexo 10
coeficiente tk MJ/kg
Componente bch Fe
C 27,42
Si 23,69
Mn 2,04
Si 12,27
P 21,43
Fe 6,74
Coeficientes da equação aproximada que expressa a exergia química padrão do ferro gusa
123
Anexo 11
Planilha de execução de cálculos de exergia
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