Alto forno - CARVAO VEGETAL

Alto forno - CARVAO VEGETAL

  1. INTRODUÇÃO

Os altos-fornos são equipamentos utilizados para a produção de ferro-gusa líquido, que é uma das principais matérias-primas utilizadas para a fabricação do aço, o gusa líquido entregue na Aciaria é produzido em 2 altos fornos. O alto forno 1, o menor deles, é responsável por 35 % da produção e o alto forno 2 por 65 %. Em ambos a carga metálica, fonte de ferro para o processo, é composta por pelotas e minério de ferro granulado em diferentes proporções.

O redutor granulado, carregado no topo, utilizado no alto forno 1 sempre foi o carvão vegetal, já no alto forno 2, em 1996, o carvão vegetal foi substituído pelo coque metalúrgico em sua maioria importado do Japão e da China. A opção da troca do carvão pelo coque no alto forno 2 se deveu principalmente aos baixos custos do coque devido à grande oferta do mesmo no mercado internacional. Entretanto, a partir de 2003 com a obsolescência de coquerias em todo o mundo e a redução significativa da oferta de coque pela China devido ao fechamento de várias coquerias naquele país por problemas ambientais, o mercado de coque passou a apresentar uma instabilidade crescente.

Uma das possibilidades de mitigação das emissões de CO2 na siderurgia brasileira é a ampliação da utilização, como redutor metalúrgico, do carvão vegetal proveniente de florestas plantadas (CGEE, 2010).

A madeira é fonte importante de energia para o Brasil, representam 12,9% da oferta total de energia, a mesma participação que a energia hídrica e a energia proveniente de cana de açúcar. Embora o consumo de madeira viesse caindo até meados dos anos 90, a partir 1998 o consumo de combustíveis de madeira começou a crescer, impulsionado pelo aumento da produção de carvão vegetal, que está diretamente relacionado à produção siderúrgica. O rápido crescimento da demanda por carvão vegetal gerou pressão sobre florestas nativas, provocando desmatamento e consequentemente emissão de gases de efeito estufa. Estima-se que em 2005 foram desmatados ilegalmente 245 mil hectares e emitidas 72 milhões de toneladas de gás carbônico devido ao uso de carvão vegetal na indústria siderúrgica. O aumento da fiscalização e do controle sobre a produção e o transporte de carvão vegetal e a melhoria do planejamento do setor madeireiro reduziriam a pressão sobre as florestas nativas e ajudariam o Brasil a evitar emissões de gases de efeito estufa colaborando assim para a redução dos efeitos das mudanças climáticas.

2-DESENVOLVIMENTO

2.1 – Alto Forno

O alto forno é o principal equipamento utilizado na metalurgia para a obtenção do ferro. A partir dos primeiros fornos, dos tipos mais rudimentares, em que os gases eram perdidos na atmosfera, constantes aperfeiçoamentos técnicos vêm sendo introduzidos e a capacidade diária também é crescente, aproximando-se, nos dias atuais, de 10.000 toneladas de ferro gusa por dia.

A obtenção do ferro gusa consiste na redução dos óxidos de minério de ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material á base de carbono (carvão vegetal, mineral ou coque) o qual atua igualmente como combustível e fonte de carbono para as ligas ferro-carbono de alto carbono, que são os principais produtos do alto forno.

O alto forno é uma estrutura cilíndrica, de grande altura, que compreende essencialmente uma fundação e o forno propriamente dito. Esta, por sua vez, é constituída de três partes essenciais: cadinho, rampa e cuba.

O cadinho corresponde á parte do alto-forno onde se acumulam o metal fundido e a escória, resultantes das reações que ocorrem no seu interior. O cadinho tem forma cilíndrica e é construído em chapa grossa de aço, com revestimento interno de material refratário de natureza sílico-aluminosa ou de blocos de carbono. Entre a chapa de aço e o revestimento refratário são colocadas placas retangulares de ferro fundido, contendo no seu interior tubos de água, por onde esta circula, promovendo o resfriamento e proporcionando, assim, melhor condição do material suportar as temperaturas elevadas que ocorrem nessa região e as pressões devidas ao peso da carga. O diâmetro do cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser mais ou menos igual ou maior que 10 metros. A altura do cadinho supera frequentemente 4 metros.

Na parte inferior do cadinho, acerca de 1m do fundo, situa-se o furo de corrida do gusa que durante a operação do forno permanece fechado com massa refrataria colocada sob pressão. Por cima do furo de corrida do gusa, a cerca de 2,0 a 2,40m do fundo , situam-se os furos de corrida de escória.

Na parte superior do cadinho, a cerca de 3,5m do fundo situam-se as ventaneiras, através das quais é soprado ar pré-aquecido e sob pressão.

A rampa tem formato tronco-cônico; suas dimensões variam desde o diâmetro do cadinho até 10,5 ou mais, com altura que pode superar 4m. A rampa corresponde á zona mais quente e por isso a espessura do refratário é menor que a do cadinho, exigindo um resfriamento externo mediante o emprego de placas metálicas com circulação de água. A inclinação da rampa é da ordem de 80 a 82º em relação á horizontal.

A cuba, também de forma tronco-cônica tem a seção menor voltada para cima, no topo ou goela. Sua altura a partir da rampa pode superar 25m.

A altura total do alto forno compreendendo o cadinho, rampa e cuba supera 30m, aos quais devem juntar-se cerca de 4,5 a 5,0m do fundo de cadinho ao piso do chão. O diâmetro superior da rampa na sua junção com o topo é de aproximadamente 7,25 a 7,50 metros. A cuba é constituída de revestimento de tijolos refratários de grande espessura, devido ao desgaste. Essa espessura é maior na parte inferior e vai diminuindo até chegar ao topo.

Segue abaixo o esquema detalhado de um alto forno:

Figura I: Esquema de um alto forno.

Os altos fornos que utilizam esta matéria prima têm entre 265 até 400 m³ de volume útil, sendo a altura da coluna de carga raramente superior a 12 m. devido à fraca resistência mecânica do carvão. Usa-se minério bitolado entre 15 a 40 mm ou sínter alto fundente para a carga dos altos fornos. O carvão, por sua vez, é peneirado, separando-se os finos abaixo de 10 mm ou 12 mm, dependendo da instalação, que podem ser aproveitados na sinterização.

No Brasil, a siderurgia a carvão de madeira apresenta porcentagem considerável; em 1964, foram produzidas 1,02 Mt de um total de 2,45 Mt (os altos fornos a coque foram responsáveis por 1,35 Mt e os fornos elétricos de redução por 0,07 Mt).

Outro trabalho importante de reflorestamento tem sido o da ACESITA, bem como merece destaque o emprego de carvão vegetal no seu forno de redução.

Devido às suas qualidades de combustível e redutor, e do seu elevado grau de pureza, o carvão de madeira é considerado uma material prima de qualidade. Entrementes, a devastação das florestas naturais da região centro-leste do Brasil forçou o reflorestamento artificial com o plantio de eucaliptos.

2.2– Carvão vegetal x Coque

2.2.1- Principais Diferenças entre o Coque e o Carvão Vegetal

Conforme se observa na tabela I, as principais diferenças, entre o coque e o carvão vegetal, são:

Peso específico: o menor peso do carvão leva a uma queda na capacidade de carregamento e menor tempo de residência da carga metálica no interior do forno podendo ocasionar aumento no consumo de combustível (BABICH et al 1);

Resistência mecânica: a menor resistência do carvão leva a uma maior degradação do mesmo no interior do forno provocando queda na permeabilidade podendo comprometer sua produtividade, além de prejudicar a descida de carga (WATAKABE et al 2);

Percentual de cinzas e enxofre: o menor percentual de cinzas do carvão vegetal implica em um volume de escória de até 50% menor que do coque ajudando o controle da permeabilidade na região inferior do alto-forno (OKUDA et al 3);

Reatividade: a maior reatividade do Carvão Vegetal leva a uma menor região do alto-forno onde as reações ocorrem praticamente sem consumo de combustível o que pode implicar no aumento do consumo de combustível quando o coque é substituído pelo carvão.

Observa-se, portanto, que a operação a carvão é mais delicada quando se pretende a obtenção de desempenho igual à do alto-forno operando a coque.

A seguir são apresentadas as principais diferenças entre o coque e o carvão vegetal.

Fonte: CAMPARISON OF CHARCOAL TO METALLURGICAL COKES CPM CONTRIBUTION TO ULCOS - FINAL ROPORT

* Dados do inventário de matéria-prima.

** A adaptação do teste de coque com redução do tempo total do teste de 120 para 60 min.

2.2.2- Granulometria do Carvão Vegetal Enfornado

Para o carvão vegetal a alternativa para reduzir o efeito da sua baixa resistência mecânica sobre a permeabilidade da carga é segregá-lo em faixas granulométricas, pois quanto mais estreita a faixa granulométrica menor o efeito negativo de partículas menores nos interstícios das menores.

Para definição das malhas de peneiramento a serem utilizadas para a peneira instalada no circuito de abastecimento do Alto-forno 2, tomou-se como base a distribuição granulométrica do carvão na história recente da sua utilização no Alto-forno 1 da Aperam. A peneira do circuito de carvão do Alto-forno 2 é uma peneira de 4 decks, sendo o superior para a retirada de “tiços”, que são grandes pedaços de madeira não carbonizada disseminada no meio do carvão. A retirada dos “tiços” é de extrema importância para se garantir o correto funcionamento dos sistemas de carregamento dos altos-fornos. As malhas de peneiramento foram escolhidas de modo a se obter três produtos em quantidades o mais próxima possível dentro das seguintes faixas granulométricas:

– Carvão fino: 12,7 a 25,4 mm;

– Carvão médio: de 25,4 a 38,1 mm;

– Carvão grosso: de 38,1 a 152 mm;

– Tiços: acima de 152 mm.

Cada granulometria deveria ser carregada em dois silos da Stock House conforme figura 2.

Figura II. Silos de carvão.

2.2.3- Composição da Escória

Uma das grandes diferenças da operação com coque e a operação com o carvão vegetal é a composição da escória, ou mais especificamente sua basicidade binária que é a relação %CaO /%SiO2. Quanto maior esta relação maior o poder dessulfurante da escória, maior seu ponto de fusão e menor sua viscosidade. Como o coque tem um percentual elevado de enxofre, trabalha-se na operação a coque com escórias básicas, em média 1,2. Já para o carvão vegetal que praticamente não tem enxofre este valor situa-se em torno de 0,65. Portanto a escória do processo com carvão possui menor ponto de fusão e mais viscosas.

Outra diferença significativa das escórias para os dois processos é o volume. O volume específico de escória para a operação com coque chega a ser o dobro do volume para o carvão conforme apresentado na tabela 6 (CHUAN-DIAN ZHOU et al 4).

Entretanto, o grande desafio seria durante a transição com a mudança drástica nas características da escória. A ideia foi então se aproximar o máximo possível das características das duas escórias na transição. A tabela abaixo mostra algumas diferenças entre escórias de altos-fornos a Coque e Carvão Vegetal.

TABELA II. Diferenças entre escórias de altos-fornos a coque e a carvão vegetal.

2.3 – Impactos ambientais

As áreas necessárias são naturalmente muito grandes, pois, considerando o consumo médio das siderúrgicas a carvão vegetal entre 3,5 e 5 m³ de carvão por tonelada de gusa e que a relação entre a lenha consumida e o carvão realmente enfornado é de 5:1 em peso, são necessários de 20 a 25 m³ de lenha, de acordo com a qualidade da madeira para uma tonelada de gusa, segundo ARAÚJO (1966, p.30.), um hectare de madeira secundaria tem um rendimento de 100 a 120 m³ de lenha; para alimentar uma siderurgia de 500000 t de aço por ano, seria necessário derrubar anualmente, florestas cobrindo de 75000 a 112000 hectares.

Com as florestas artificiais de eucalipto, um hectare pode produzir até 20 m³ de lenha (10 m³ de carvão) por ano. Para a fabricação anual de 450000 t de gusa, são necessários cerca de 180000 hectares de eucalipto, que precisarão dos serviços de cerca de 54 homens por dia para hectare para plantio, exploração e serviços complementares, ou seja, 25000 – 28000 homens empregados na exploração das florestas artificiais.

Como se vê, a execução de um plano de reflorestamento exige grandes capitais e uma perfeita organização, a fim de dar habitações, abrir estradas, instalar e operar viveiros, colher a madeira, manusear e transportar a lenha, defesa contra pragas, doenças vegetais e incêndios, etc.

Os processos para a fabricação de carvão vegetal podem classificar em dois tipos: o de combustão parcial (sem aproveitamento de produtos) e o de aquecimento externo (sem combustão da lenha), não se recomendando o uso das primitivas cadeiras ou covas. Do primeiro tipo é muito usado o forno de meda, cilíndrico, de tijolos, com cerca de 5 a 6 m de diâmetro, fechado no topo por uma cúpula semi-esférica e com volume útil de 50 a 70 m³. Possui duas portas de lados opostos para carregamento e retirada do produto, respectivamente. Carregando o forno, o acendimento se faz pelo topo e o ar penetra no seu interior pelos orifícios abertos na cúpula e pelas três ou quatro entradas junto a soleira, denominadas “tatus”. Quando a combustão atinge os orifícios abertos na cúpula, estes são fechados com barro e a tiragem se faz exclusivamente pelas 6 a 8 chaminés. Dentro de 4 a 5 dias, completa-se a carbonização e o forno é totalmente vedado (barreado) resfriando em três ou quatro dias.

As desvantagens do processo de medas são: a pequena produtividade por forno (50 a70 m³ por mês); não haver recuperação de subprodutos; e o baixo rendimento térmico da reação.

Os fornos com recuperados de subprodutos, do tipo túnel, de retortas ou verticais, permitem obter por tonelagem de lenha: 200 kg de carvão, 90 kg de alcatrão, 40 kg de ácido acético e 10 kg de metanol puro. O carvão vegetal obtido pela destilação seca da madeira, aquecendo-a na ausência de ar, tem a composição média de seguinte, em %: Carbono=72 a 95; Hidrogênio = 3,0 a 4,9; Oxigênio + Nitrogênio = 7,8 a 20,0; cinzas=5,0 a 7,0.

Resulta melhor o carvão destilado a temperaturas mais baixas e mais lentamente (300 a 400 ºC).

O teor de umidade do carvão vegetal é muito variável, porque, nas carvoeiras e durante o transporte, o carvão fica sujeito às intempéries.

Os altos fornos que utilizam esta matéria prima, tem entre 265 até 400 m³ de volume útil, sendo a altura da coluna de carga raramente superior a 12 m. devido à fraca resistência mecânica do carvão. Usa-se minério bitolado entre 15 a 40 mm ou sínter autofundente para a carga dos altos fornos. O carvão, por sua vez, é peneirado, separando-se os finos abaixo de 10 mm ou 12 mm, dependendo da instalação, que podem ser aproveitados na sinterização.

2.4 – Projeto carvão vegetal – Aperam South America

O carvão vegetal, como pôde ser visto através dos dados apresentados anteriormente é uma fonte de energia mais limpa do que o coque metalúrgico. Além disso, é uma fonte de energia renovável e as florestas plantadas absorvem o CO2 da atmosfera, compensando as emissões dos altos-fornos. Além do impacto ambiental, outro grande problema do coque metalúrgico é a instabilidade do seu preço, visto que praticamente todo o coque utilizado pelas grandes siderúrgicas no Brasil é importado devido à baixa qualidade do produto encontrado no nosso país. Através de estudos embasados principalmente sobre esses dois fatores, a Aperam South América decidiu voltar no tempo e converter o abastecimento do alto forno 2 de coque para carvão vegetal.

A usina de Timóteo usa carvão vegetal como termorredutor desde os anos 1940. Em 1974, o insumo começou a ser produzido no Vale do Jequitinhonha, que possui “terras planas e condições climáticas apropriadas para a cultura do eucalipto”. Em 1979, a Usina de Timóteo inaugurou seu segundo Alto-Forno, também a carvão vegetal. Dezessete anos depois, devido à grande queda no preço do coque metalúrgico no mercado internacional, os planos mudaram e ele passou a funcionar movido pelo insumo, que se tornou uma alternativa vantajosa para os negócios da Empresa. As discussões em torno de nova conversão do Alto-Forno recomeçaram em 2004, quando o abastecimento e o preço do coque voltaram a apresentar instabilidade. O projeto foi aprovado em 2007 pela ArcelorMittal, suspenso no ano seguinte por causa da crise econômica internacional e reapresentado em 2009, quando recebeu o sinal verde para sua execução. No dia 15 de setembro de 2010 a empresa inaugurou o projeto de conversão do alto forno 2, se tornando um dos maiores do mundo a operar com carvão vegetal para fabricação de gusa, que tem capacidade de produção de 445 mil toneladas por ano.

O projeto carvão vegetal insere-se em um conjunto de iniciativas voltadas para a ampliação da competitividade da Empresa em todas as suas plantas. A conversão do alto forno 2 resultará em economia de cerca de U$$ 60 milhões anuais. Como o empreendimento demandou investimentos de US$ 95 milhões, estima-se que o retorno (pay back) ocorra em até dois anos.

Resultado de investimentos de US$ 95 milhões na estrutura produtiva da Usina de Timóteo e da Aperam Bioenergia, no Vale do Jequitinhonha, o projeto Carvão Vegetal aumenta a competitividade da Empresa, garante uma produção pautada em fonte energética renovável, manutenção dos índices de produtividade e qualidade do gusa fabricado e atendimento aos requisitos legais de segurança.

Ao produzir seu próprio combustível, a Empresa pode controlar de modo ainda mais efetivo a sua qualidade e custos, protegendo-se da instabilidade de abastecimento e de preços observada no mercado internacional de coque. “A opção pelo carvão vegetal representa independência estratégica, pois conseguimos fabricar um gusa mais barato, com fonte de energia renovável, e ainda amenizamos a questão da vulnerabilidade do mercado de coque”, comenta Guilherme do Espírito Santo, gerente executivo da Redução.

O carvão vegetal usado nas operações da Aperam South América é produzido pela Aperam Bioenergia, a partir de florestas de eucalipto plantadas na mesorregião do Vale do Jequitinhonha, no Norte de Minas. Sua capacidade instalada alcança 1,4 milhão de metros cúbicos por ano, o equivalente a 450 mil toneladas/ano de carvão vegetal, com potencial para chegar a 2,2 milhões de metros cúbicos nos próximos anos.

Do total de investimentos, cerca de US$ 60 milhões foram destinados à unidade para o plantio de florestas de eucalipto e para construção de 147 fornos de carbonização RAC 700, dotados de novas tecnologias de coleta e queima dos gases para o processo, praticamente eliminando as emissões de metano (CH4). Melhorias na logística de transporte também foram empreendidas, com a utilização de veículos mais adequados.

Já a planta industrial de Timóteo recebeu US$ 35 milhões. Os recursos foram empregados nas adequações no stock house e na área de corrida do alto forno 2, na ampliação do pátio de matérias-primas e na construção de novos sistemas de desempoeiramento, de torre de peneiramento e de basculador de caminhões.

“O projeto representou um marco para a Aperam South América e para todos nós da Engenharia de Projetos, que lideramos a sua implantação. É uma iniciativa que contribui para a construção da história da Empresa, alcançada por meio da dedicação especial de cada empregado e de um forte espírito de equipe”, ressalta Pedro Cirino, gerente executivo da área de Engenharia de Projetos.

2.4.1- Emissões reduzidas: O uso de carvão vegetal no alto forno 2 permitirá que 700 mil toneladas de CO2 deixem de ser lançadas anualmente na atmosfera, o que representa redução de 50% do total de emissões do gás na planta de Timóteo.

Esse benefício alcança as duas pontas da cadeia. Tanto no cultivo do eucalipto, uma vez que florestas plantadas consomem CO2 da atmosfera durante a fotossíntese, compensando as emissões do alto forno, quanto no próprio abastecimento do equipamento, pois o carvão vegetal é um combustível mais limpo do que o coque metalúrgico. Todo o projeto é alinhado às práticas preconizadas pela Aperam, com uma operação que permite a produção de aço de forma ecologicamente correta.

Além disso, na Aperam Bioenergia, parte da energia gerada na queima dos gases já está sendo utilizada para acelerar a secagem da madeira e, no futuro, toda energia térmica oriunda desse processo será convertida em energia elétrica.

2.4.2- As florestas de eucalipto:

As áreas de Redução, Engenharia de Projetos e Suprimentos, ao lado da Aperam Bioenergia, responsável pela gestão das florestas plantadas, envolveram-se diretamente na execução do projeto de troca do combustível do alto forno 2.

Graças a um trabalho baseado no mapeamento de possíveis problemas e no estabelecimento de medidas preventivas, as equipes conseguiram que todo o processo fosse executado sem desvios nas metas estabelecidas. E o melhor: anteciparam a curva de aprendizado estipulada para o início das operações. “Adiantamos o processo em 23 dias, graças a uma transição planejada em detalhes, com dois anos de estudos, envolvendo e nivelando todos no processo”, explica Luiz José Gonçalves, analista consultor da Diretoria de Operação da Aperam Timóteo.

A estrutura atual do equipamento também favoreceu a transição, como destaca Guilherme do Espírito Santo, gerente da Redução: “Fomos beneficiados pela composição do alto forno 2, com tecnologias muito atualizadas e processos desenvolvidos, que facilitaram o monitoramento constante dos processos com dados confiáveis”, pontua.

A Aperam Timóteo recebeu, em outubro, especialistas de redução de diferentes siderúrgicas brasileiras. O encontro, que ocorre a cada quatro meses, sempre em uma das siderúrgicas brasileiras que trabalham com altos-fornos movidos a carvão vegetal, reúne profissionais para discutir e trocar informações sobre a operação e manutenção dos equipamentos. O encontro também é uma oportunidade de integração dos profissionais que trabalham com esses equipamentos para discutir ações executadas recentemente, avaliando os resultados. Nesta edição, os profissionais puderam conhecer de perto o processo recém-inaugurado no alto forno 2, um dos maiores equipamentos do mundo a operar com carvão vegetal.

  1. CONCLUSÃO

Conclui-se que a utilização do carvão vegetal iniciou após a demanda de novas fontes energéticas distintas do petróleo.

O uso do carvão vegetal nos altos fornos siderúrgico possui desempenho diferente do carvão mineral. A substituição do coque pelo carvão vegetal no Alto forno 2 da Aperam South América, iniciada em julho de 2011, se deu de forma estável, sem qualquer distúrbio que pudesse comprometer o suprimento de gusa para a Aciaria. Um ponto importante na estabilidade do processo na troca de combustível foi o funcionamento estável de todos os equipamentos implantados e principalmente do sistema de automação e controle, demonstrando a qualidade dos trabalhos efetuados por todos os envolvidos no projeto. Os maiores estudos concentraram no momento de transição em que dois tipos de redutores com características diferentes estariam no interior do reator. O acerto nos estudos e planejamento da transição levou a uma evolução da produtividade, da qualidade do gusa e do consumo de combustível a uma velocidade muito acima da esperada, dando ótimas perspectivas para se atingir, muito rapidamente, o retorno esperado do investimento.

REFERÊNCIAS

ARAÚJO, Luiz Antônio de. Siderurgia. São Paulo: FTP, 1967. 483.

ARAÚJO, Luiz Antônio de. Siderurgia. São Paulo: Lema, s.d. 3V

BABICH, A .SENK, D. and GUDENAU, H. W. Efect of coke reactivity an nut coke on blast furnace operation. Ironmaking and Steelmaking, vol. 36 (2009), No 3, 222 – 229.

CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia mecânica. São Paulo: Mc Graw-Hill,1977-1978.2v.

CHUAN-DIAN ZHOU, Blast Furnace Ironmaking Production and Technical Manual, Beijing. Metallurgical Industry Press, (2002) p. 248 – 249.

WATAKABE, S., TAKEDA, K., NISHIMURA, H., GOTO, S., NISHIMURA, N., UCHIDA, T., KIGUCHI.. Development of high ratio coke mixed charging technique to the blast furnace. ISIJ International, Vol. 46 (2006), No 4, p. 513 – 522.

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