SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
INJEÇÃO DE GAS NATURAL EM
ALTOS FORNOS
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Objetivo primário:
redução do consumo de coque
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
O funcionamento do Alto Forno
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Representação esquemática do AF
(reações químicas de redução)
Temperaturas de
início das reações
455º C
3
595º C
705º C
Fonte: Adaptado de Velloso (2006);
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Representação esquemática do AF
(detalhamento das zonas relacionadas às temperaturas)
Gás do Tôpo
200º C
700º C
1000º C
1300º C
1600º C
2000 ~2200º C
Fonte: Adaptado de Velloso (2006)
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
A Injeção do Gás Natural em Alto Forno
Primeira experiência na siderurgia mundial:
Zaporozhstal em 1958
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Características do gás natural:
GNP usado em Zaporozhstal (1968) :
92,4% de CH4
4,2% de C2H6
0,5% de C4H10
0,4% de CO2
Calor de combustão: 8.500 kcal/Nm3
Densidade: 0,73 kg/Nm3
Carbono: 0,53~0,59 kg/Nm3
Ponto de ignição: 650~700oC
Mistura explosiva: 5~15% de gás/ar
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Principais reações com o GNP:
Zona de Redução
Injeção nas ventaneiras (zona altamente oxidante)
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Zona de
Oxidação
Fora da zona de oxidação
CO2 + C = 2CO
2H2O + 2C = 2H2 +2CO
1000
1250
O somatório das reações acima:
CH4 + 2O2 + 3C = 4CO + 2H2 ou
CH4 + 0,5 O2 = CO + 2H2
Considerando-se a oxidação do GNP pelo ar soprado (21% de O2
e 79% de N2)
CH4 + 0,5 O2 + 0,5 . 3,76 N2 = CO + 2H2 + 1,88 N2 + 9.080 kcal
(Combustão do carbono do coque pela ar soprado)
C + 0,5 O2 + 0,5 . 3,76 N2 = CO + 1,88 N2 + 28.080 kcal
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Reações de redução relacionadas à injeção de GNP:
H2 + 3Fe2O3 = H2O +2Fe3O4
H2 + Fe3O4 = H2O +3FeO
H2 + FeO = H2O + Fe
H2O + C = H2 + CO
CO2 + H2 = CO + H2O
(reação a alta temperatura)
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Considerações sobre os volumes de gases gerados:
Tomando-se 1 m3 de ar para a combustão do coque
0,42 C + 0,21 O2 + 0,79 N2 = 0,42 CO + 0,79 N2 (1,21 m3 de gás produzido)
Um metro cúbico de gás natural ao se decompor produz
CH4 = C + 2H2 (2 m3 de gás)
Teoricamente:
Por m3 de gás injetado
(-) 1,65 m3 no ar soprado p/ mesmo volume de gás
Porém:
•
H2 diminui o peso específico do gás o que permite aumento do volume de ar soprado.
•
Aumento minério/coque aumenta peso da coluna de carga o que permite Dp maior
Na prática:
Diminui-se menos de 1,65 m3 no ar soprado / m3 de GNP injetado.
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Razões de substituição:
(+) 1% de GNP injetado:
(-) 59o C na temperatura da chama ou (+) 71o C no ar soprado ou
(-) 8g/m3 no vapor injetado.
(+) 1% de O2 ar soprado:
(+) 51o C na temperatura da chama e (+) 1,5% na produção
Considera-se que 1 m3 de GNP substitui 1kg de coque.
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Sumário de testes na ACME Steel
Base
Nível 1
Nível 2
Nível 3
Gas Natural
(kg/t de gusa)
0
77
104,5
129
Temperatura
da Chama (OC)
2.182
1.936
1.868
1.736
Coque
(kg/t de gusa)
516
416,5
395
358,5
Razão de
substituição
0
1,29
1,15
1,22
Prod. de Gusa
(t / dia)
2.361
2.833
2.970
3.119
Temperatura
do Gusa (OC)
1.450
1.457
1.444
1.446
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
O que fica faltando para apresentação fora da Comissão?
•
•
•
•
•
•
•
Obtenção de dados da injeção de GNP no Brasil com os
respectivos resultados
Idem na siderurgia mundial
Dados econômicos: preços para coque, carvão para injeção (PCI) e
Gas Natural, nos diversos paises
?
?
?
Um engenheiro ou mesmo professor que ainda esteja envolvido
com o assunto, que não deixa de ser apaixonante, mesmo para um
aposentado.
SOCIEDADE MINEIRA DE ENGENHEIROS
COMISSÃO DE MINERAÇÃO E METALURGIA
Bibliografia
Abreu, L.C. – Notas de estágio na usina de Zaporozhstal e visita às usinas de Krivoy Rog e Lipitiesk (1968)
Gupta, Sushil; Sahajwalla, Veena – Technical Note 16; The University of New South Wales (2005)
Khomich, V.N.; Toporenko, P.D.; Ivzhenko, D.I. – The Blast Furnace Process; Zaporozhstal (1970?)
Rogers, B.E.; Smith, M.R. –Increased Use of Natural Gas in Blast Furnace in North America (2000?)
Velloso, C.M. – Dissertação de Mestrado UFMG (2006)