XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003
Aproveitamento de características físicas dos gases de alto forno para
geração de energia elétrica em uma siderúrgica: O Caso da
Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST)
Paulo Eduardo Rodrigues (UVV) [email protected]
Diniz Lobão (UVV) [email protected]
José Ramon Martinez Pontes (UVV) [email protected]
Patrícia Alcântara Cardoso (UVV) [email protected]
Resumo
A conservação de energia no mundo atual torna-se uma necessidade primordial em
indústrias de pequeno e, principalmente, de grande porte. O potencial energético resultante
de processos industriais pode ser aproveitado utilizando-se de conhecimentos de engenharia
e de tecnologias específicas. Em siderúrgicas, a possibilidade de aproveitamento deste
potencial energético é imenso devido a grande quantidade de unidades produtivas em uma
mesma planta. No caso CST, o processo de aproveitamento da energia potencial existente no
gás BFG gerado no Alto Forno-1 consistiu na instalação de uma unidade composta de
turbina e gerador de energia elétrica chamado Turbina de Recuperação de Topo (TRT). Esta
alteração de processo vem beneficiando a empresa desde 1996 na conservação de energia e
eliminação do impacto ambiental proveniente do ruído que até então era gerado.
No trabalho são descritos os métodos para identificação das potencialidades de
aproveitamento de energia numa siderúrgica, os processos de tomada de decisão gerencial e
os resultados da implantação. O modelo apresentado neste trabalho pode ser implantado em
siderúrgicas onde as condições são similares.
Palavras-Chaves: Gás de Alto Forno, Turbina e Geração de Energia.
1. INTRODUÇÃO
De acordo com Meira (1980), as usinas siderúrgicas de grande porte possuem consumidores
de energia elétrica cujas cargas lhes são peculiares, de características essencialmente
variáveis. A operação de grandes motores, tal como da Laminação, introduzem oscilações
instantâneas de potências ativas e reativas no sistema elétrico interligado. Portanto na
implantação destas, é fundamental a análise criteriosa do comportamento de suas cargas,
levando-se em consideração a capacidade do sistema da concessionária da região. Em geral, o
planejamento conduzirá à necessidade de reforma do sistema elétrico, através de novas linhas
de transmissão, interligação com outras estações geradoras e, mesmo, implantação de unidade
de geração de energia elétrica na própria usina siderúrgica. No caso específico de
Siderúrgicas, tidas como potencial de desenvolvimento regional, são-lhes oferecidas
oportunidades para a geração de parte da demanda de energia elétrica destinada ao consumo
próprio, uma vez que dispõem de excesso de gases, combustíveis estes, baratos, por serem
subprodutos da própria usina.
Na CST, o potencial energético existente é muito grande e vários deles já são bem
aproveitados. Neste trabalho abordamos o aproveitamento da energia potencial existente no
BFG gerado no Alto Forno I. Este aproveitamento consiste na transformação da energia
potencial remanescente no gás quando da sua transferência e expansão da pressão e
velocidade do volume do gás que é enviado para o Sistema de Distribuição de Combustíveis
no setor de Utilidades, onde o mesmo é armazenado no gasômetro e simultaneamente
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distribuído em toda a empresa. Atualmente os modelos mais utilizados na geração de energia
elétrica são três: Hidroelétricas, Energia Nuclear e Centrais Termoelétricas. As hidroelétricas
apresentam baixo custo operacional, porém grande investimento inicial; a energia nuclear
embora de grande potência, transmite grande desconfiança dos ambientalistas; as centrais
termelétricas apresentam alto custo com combustíveis e emissão de resíduos para atmosfera
(TAMANDARÉ, 2001).
Na Companhia Siderúrgica de Tubarão as centrais termoelétricas utilizam-se de gases
oriundos dos processos de fabricação do aço, que ao invés de serem lançados para atmosfera
provocando poluição ambiental são queimados em caldeiras, transformado-os em geração de
energia elétrica.
Uma parte significativa desta geração destaca-se por não advir da queima do gás e sim do
aproveitamento de características físicas do gás de Alto Forno para a geração de energia
elétrica.
Para mostrar as vantagens desta geração apresentaremos um estudo de caso baseado em
pesquisa.
2. METODOLOGIA
Para a classificação da pesquisa, tomaremos como base a taxionomia apresentada por Vergara
(2000) que define os tipos de pesquisa segundo dois critérios: quanto aos fins e aos meios de
investigação. Quanto aos fins, o trabalho é do tipo DESCRITIVO, pois visa descrever
técnicas para aproveitamento de gases do alto forno. Quanto aos meios de investigação, o
trabalho é BIBLIOGRÁFICO E DOCUMENTAL. Bibliográfico, pois envolve um estudo
sistematizado desenvolvido em material publicado em livros, revistas e materiais acessíveis
ao público em geral. O trabalho também é documental, porque se valerá de documentos
internos a CST que digam respeito ao objeto de estudo. Por fim, o trabalho é uma pesquisa
qualitativa, pois envolve um estudo de caso único, a planta produtiva da Companhia
Siderúrgica de Tubarão, escolhida pelo critério de acessibilidade.
3. O CASO CST
3.1 A EMPRESA
A CST, localizada na cidade de Serra – E.S., é a maior fornecedora de placas de aço do
mundo. Detém 18% do mercado internacional desse produto e, em 1996, foi a terceira maior
exportadora do Brasil. Projeto pioneiro no mundo voltado exclusivamente para a produção de
placas de aço, a CST contribui fortemente para a criação desse mercado, mantendo-se desde o
início em sua liderança. Da produção total da usina, cerca de 98% têm sido destinados à
exportação, atendendo clientes distribuídos por todas as regiões do mundo. Com a
implantação do seu segundo Alto-Forno, em julho de 1998, a CST ampliou sua capacidade de
produção de 3,5 para 4,4 milhões de toneladas por ano, preparando-se para uma posterior
diversificação de suas atividades. Além deste investimento, a CST modernizou sua linha de
produção, que agora conta com dois Lingotamentos Contínuos de Placas, que substitui o
Laminador Convencional. Estes investimentos e os demais realizados consumiram, entre 1993
e 1998, o total de US$ 1,27 bilhões. Em novembro de 2002, com a entrada em operação do
Laminador de Tiras a Quente (LTQ), a empresa, além de manter sua posição de destaque no
mercado internacional de placas, se tornou também importante fornecedora de laminados a
quente para o mercado doméstico (CST, 2003).
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3.2 A GERAÇÃO DOS GASES SIDERÚRGICOS NA CST
A poluição industrial é na verdade uma forma de desperdício e ineficiência dos processos
produtivos. Resíduos industriais representam, na maioria dos casos, perdas de matérias primas
e insumos. A soma dos diferentes conceitos de poluição nos leva a crer que o problema
ambiental gerado por um determinado processo deve ser evitado não na saída da indústria,
mas investigando o próprio processo industrial, detectando ineficiências e falhas (ABM –
1997).
No processo de fabricação do aço são gerados diversos gases em diferentes unidades da
siderúrgica, Coqueria, Aciaria, CDQ e Alto Forno. Na Coqueria, processo de transformação
de carvão mineral em Coque (combustível para Altos Fornos) é produzido o gás COG (Gás
de Coqueria). Este gás apresenta um volume de 440 Nm³ por tonelada de coque produzido e
um poder calorífico de 4.200 a 4.800 Kcal/Nm³. O COG produzido em uma Coqueria é
utilizado na própria unidade para queima do carvão mineral nos fornos da bateria, onde
também pode ser utilizado misturado ao gás BFG (Gás de Alto Forno); o COG excedente é
utilizado em geração de energia e outros consumidores. Na Aciaria, processo de
transformação de gusa em aço é gerado o gás BOFG (Gás de Aciaria). Atualmente este gás
não é utilizado, porém existe a previsão de utilização para futura geração. Atualmente este gás
está sendo queimado em torres apropriadas. No CDQ (Apagamento de Coque à Seco), o gás
gerado é inteiramente consumido na própria unidade, em circuito fechado que consta de cinco
câmaras e cinco caldeiras de geração de vapor. No Alto Forno, processo de produção de gusa
que consiste da redução do Sinter, do Coque e da injeção de carvão (PCI) é gerado o gás BFG
(Gás de Alto Forno). Este gás apresenta um volume de 1540 Nm³ por tonelada de gusa
produzido e um poder calorífico de 750 a 900 Kcal/Nm³. O BFG produzido no Alto Forno é
utilizado no próprio Alto Forno para pré-aquecer o ar nos regeneradores, e o excedente é
utilizado para geração de energia (GASES SIDERÚRGICOS, 2002).
3.3 DESCRIÇÃO DO PROJETO DE GERAÇÃO DE ENERGIA
A TRT (Turbina de Topo de Alto Forno) é um equipamento projetado para gerar energia
elétrica através do gás BFG do topo do Alto Forno 01, se aproveitando de características
termodinâmicas como: temperatura, pressão e volume (VAN WYLEN, SONNTAG &
BORGNAKKE, 1998).
A construção da TRT durou nove meses, de 15/02/1996 a 25/11/1996. Sua estabilidade
operacional foi conseguida no mês de dezembro de 1996. Estabeleceu-se dezembro como o
mês de transição. O investimento foi na ordem de US$ 13.500.000,00.
A energia elétrica produzida na TRT é adicionada à geração interna já existente na empresa,
duas termoelétricas - ciclo a vapor e, utilizada única e exclusivamente em seu processo
siderúrgico, no cenário da época. A partir do segundo semestre de 1998, com a entrada da
terceira termoelétrica, a TRT foi considerada pela CST como um item estratégico de
eficiência energética, pois esta instalação ajudou a conquistar a auto-suficiência em energia
elétrica, possibilitando a venda de energia a ESCELSA (Espírito Santo Centrais Elétricas). O
balanço simplificado apresentou geração de 195 MW; consumo de 165 MW e venda de 30
MW. O gráfico 1, abaixo, apresenta os ganhos energéticos relativos ao projeto TRT no
período de 1998 a 2002 (CST – IPUD, 2003).
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Geração de e ne rgia
13,00
12,00
Mwh
11,00
1998
1999
2000
10,00
2001
2002
9,00
8,00
7,00
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Mê s
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Gráfico 1 – Geração de Energia Elétrica - TRT
A expansão controlada do gás produzido internamente no Alto-Forno 1 é feita produzindo
energia elétrica, cuja quantidade é função de características do gás na entrada da turbina,
como vazão média anual 610.000 Nm3/h; pressão de controle de 2,45 kg/cm²; temperatura na
faixa de 45 a 50o C. As características do gás na saída da turbina apresentam pressão de
controle de 0,06 kg/cm2; temperatura na faixa de 10 a 20o C. O rendimento da turbina é em
função das variações de vazão de BFG que podem ocorrer diariamente na operação do AltoForno 1. Anteriormente esta energia era desperdiçada na necessária redução da pressão do gás
BFG para armazenamento e distribuição, além de gerar ruído e aquecimento na válvula
responsável pela função de controlar a pressão no topo do Alto Forno 01, denominada Septum
Valve. Este processo de recuperação de energia é o primeiro a ser utilizado nas Américas e
interrompeu o desperdício continuado de 15 anos no Alto Forno 01 da CST. A princípio, a
TRT gerou cerca de 17 MW médios, podendo atingir valores próximos ao seu nominal, que é
de 20,2 MW. Abaixo, a figura 1, mostra o fluxo da geração do gás BFG e da utilização da
TRT. O texto está em inglês por ter sido o fluxograma retirado de documentos da empresa
(CST – IPUD, 2003).
Figura 1 - Fluxograma do processo da TRT.
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3.4 CONSIDERAÇÕES TÉCNICAS
O projeto TRT utilizou-se da diferença de pressão do BFG existente entre o topo do AltoForno e a linha de distribuição da usina. A disponibilidade e a quantidade de BFG são funções
exclusivas do ritmo operacional do próprio Alto-Forno 1; Em virtude do projeto TRT estar
locado ao lado do Alto-Forno 1 e a área para sua instalação ser extremamente pequena, não se
fez necessário efetuar novos levantamentos topográficos e geológicos; Para a refrigeração do
gerador e sistemas a óleo, é utilizado um circuito fechado, que foi ampliado a partir do
próprio sistema de refrigeração do Alto-Forno 1, sistema este que já existia.
Dados técnicos da TRT: Tipo - Turbina de expansão; Fabricante - Kawasaki Heavy
Industries; Modelo - KSA-140HÁ; Número de estágios - 2; Potência nominal nos terminais
do gerador - 20,2 MW; Rotação nominal - 3.600 rpm (KAWASAKI, 1996).
3.5 TRATAMENTO DADO PELA EMPRESA A ASSUNTOS RELATIVOS À ÁREA
ENERGÉTICA
O gerenciamento de energia na CST é feito pela Divisão de Utilidades, setor responsável pela
produção de energia elétrica, produção de criogênicos e distribuição de todas utilidades
necessárias ao processo produtivo como: Oxigênio, Nitrogênio, Ar Comprimido, Argônio,
Energia Elétrica, Águas (clarificada, potável, desmineralizada e do mar), Vapor e
Combustíveis (gás de Coqueria, gás de Alto Forno, alcatrão e gás natural).
Desde o seu start up a CST possui o Centro de Energia, local físico onde está centralizado
todo o controle de distribuição de energia elétrica, águas e combustível.
Diariamente, os relatórios de consumos, onde são comparados os consumos médios e
máximos do dia anterior, são analisados pelo Gerente de Seção e Especialistas. O relatório
com as observações e contra medidas são encaminhados para toda a gerência da Usina.
Toda análise do desempenho energético da empresa é feita pela Divisão de Utilidades, sendo
quem controla toda distribuição, que informa diretamente à direção da empresa todas as
análises e desvios.
A malha de medição, particularmente da energia elétrica, possibilita o acompanhamento e
identificação dos principais consumidores da usina, que representam cerca de 93 % do
consumo total.
No gerenciamento da energia, a meta é a maior venda possível, particularmente no horário de
ponta do sistema. Para isto são analisadas as tendências de consumo de energia e
disponibilidade de gases e alcatrão, o que exige uma interação dos técnicos de controle de
Energia e Combustíveis.
A área de Utilidades desenvolveu junto a cada consumidor interno o AQO (Acordo de
Qualidade Operacional), que garante o compromisso das áreas em colaboração com a
operacionalização dos recursos energéticos da empresa. Como exemplo, todas as partidas de
motores acima de 1 MW só podem ser feitas a partir da autorização do técnico do Centro de
Energia, e nos momentos em que há desbalanceamento de disponibilidade de combustíveis
para geração de energia, o técnico pode buscar junto às áreas operacionais reduções que
permitam manter o nível de geração (BITTENCOURT e SILVA, 1999).
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4. ANÁLISE
Para análise deste estudo, acompanharam-se os seguintes indicadores: Redução do Consumo
Específico de Energia Comprada (86,1%); Tempo de Retorno do Investimento (3,3 anos);
Relação entre investimento realizado e a Redução de Consumo (US$794.117,00/MW);
Redução nos custos de operação (a implantação da TRT não refletiu significantemente nos
custos de operação); Relação Custo/Benefício (0,78 Investimento Total / VPL); Redução da
Demanda Contratada (de 20 MW para 0,5 MW no Horário de Ponta e de 30 MW para 15
MW, Horário Fora de Ponta); Benefícios ambientais (redução do nível de ruído. Em algumas
localidades o nível de ruído caiu significativamente como, por exemplo, na plataforma perto
da Válvula de Controle de Pressão (Septum Valve), onde o nível de ruído caiu de 98 para 78,2
dB; Benefícios não energéticos (melhor controle operacional da pressão de topo do Alto
Forno 1) e o Balanço Energético Total (os Balanços Energéticos Parciais de 1996 e 1997 são
apresentados nas tabelas 1 e 2).
5. CONCLUSÃO
A partir de dezembro de 1996, quando a TRT entrou em funcionamento, o consumo de
energia elétrica comprada da ESCELSA(Espírito Santo Centrais Elétricas AS) caiu
drasticamente, possibilitando a CST produzir aproximadamente 98% de sua necessidade em
energia elétrica.
As Tabelas 1 e 2 resumem a evolução do consumo da energia elétrica comprada pela CST
cinco meses antes e seis meses depois da implantação da TRT. Além de simplesmente
demonstrar o consumo de energia comprada, as tabelas trazem informações sobre energia
elétrica comprada por período horário (ponta e fora de ponta), demandas máximas registradas
por período horário (ponta e fora de ponta), produção industrial e consumo específico da
energia comprada em função da produção de aço.
Cons. de Elet.-Ponta (kWh)
Cons. de Elet.-FPonta (kWh)
Cons. de Elet.-Suplementar (kWh)
Cons. de Elet.-TOTAL (kWh)
Demanda máx. medida-Ponta (kW)
Demanda máx. medida-FPonta (kW)
Produção Industrial (ton.)
Consumo Específico (kWh/ton.)
jul/96
ago/96
set/96
out/96
nov/96
dez/96
1.142.400
951.352
985.978 1.073.214
817.661
250.871
10.282.364 8.063.336 9.153.401 9.247.489 7.188.625 3.104.298
59.243
139
208
44.529
26.738
11.484.007 9.014.827 10.139.587 10.365.232 8.033.024 3.355.169
24.465
23.205
25.620
26.145
22.890
22.680
53.550
30.555
27.615
47.040
47.460
25.935
264.818
307.127
267.795
281.730
275.194
295.916
43,37
29,35
37,86
36,79
29,19
11,34
Tabela 1 – Evolução do consumo da energia elétrica comprada pela CST (jul/96 a dez/96).
Cons. de Elet. - Ponta (kWh)
jan/97
2.075
fev/97
2.832
mar/97
10.507
abr/97
19.243
mai/97
12.641
jun/97
20.409
Cons. de Elet. - FPonta (kWh)
Cons. de Elet. - Suplementar (kWh)
Cons. de Elet. - Total (kWh)
Demanda máx. medida-Ponta (kW)
Demanda máx. medida-FPonta (kW)
Produção Industrial (ton.)
Consumo Específico (kwh/ton.)
462.787
1.363
466.225
3.465
13.860
282.893
1,65
549.221 1.078.563 1.447.019 1.056.484 1.581.584
5.943
163.290
73.641
38.310
69.501
557.996 1.252.360 1.539.903 1.107.435 1.671.494
1.470
6.195
8.925
7.035
19.635
19.110
59.850
31.710
19.110
23.835
267.194
286.718
285.138
286.037
299.898
2,09
4,37
5,40
3,87
5,57
Tabela 2 – Evolução do consumo da energia elétrica comprada pela CST (jan/97 a jun/97).
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Analisando-se os dados das Tabelas, verifica-se que o consumo de energia elétrica comprada
médio da CST caiu de 9.807,34 Mwh para 1.099,24 Mwh, isto é, após a implantação da TRT
o consumo de energia elétrica comprada diminuiu em 88,8%.
Com o objetivo de enriquecer a análise do impacto da TRT na diminuição da necessidade de
compra de energia elétrica por parte da CST, estão disponibilizadas nos Gráficos 2 e 3. Neles,
pode-se visualizar o quanto decresceu a compra de energia, após dezembro de 1996, e como
ficou o consumo específico da energia comprada. É importante observar que a produção de
aço nos períodos abrangidos neste relatório permaneceu estável, a níveis industriais.
C O M P R A D E EN ER G IA EL ÉT R IC A P EL A C S T
1 2 .0 0 0 .0 0 0
1 0 .0 0 0 .0 0 0
kWh
8 .0 0 0 .0 0 0
Co n s u mo d e Ele tr ic id a d e - S u p le me n ta r ( kW h )
PR
6 .0 0 0 .0 0 0
Co n s u mo d e Ele tr ic id a d e - FPo n ta ( kW h )
Co n s u mo d e Ele tr ic id a d e - Po n ta ( kW h )
4 .0 0 0 .0 0 0
jun/97
mai/97
abr/97
mar/97
fev/97
jan/97
dez/96
nov/96
out/96
set/96
ago/96
-
jul/96
2 .0 0 0 .0 0 0
Gráfico 2 - Compra de energia elétrica comprada pela CST
E S P E C ÍF IC O
D A
E N E R G IA
E L É T R IC A
C O M P R A D A
4 5 ,0 0
4 0 ,0 0
3 5 ,0 0
kWh/ton.
3 0 ,0 0
2 5 ,0 0
2 0 ,0 0
P R
1 5 ,0 0
1 0 ,0 0
jun/97
abr/97
mar/97
fev/97
jan/97
dez/96
nov/96
out/96
set/96
ago/96
jul/96
0 ,0 0
mai/97
5 ,0 0
Gráfico 3 - Consumo específico da energia elétrica comprada pela CST.
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6. REFERÊNCIAS:
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Emissão Zero – A Busca da Geração de Novas Oportunidades de Negócios a partir de
Resíduos Industriais - Seminário de Reciclagem de Resíduos – 19 a 21/05/97 – Vitória
E.S., ABM, 1997.
BITTENCOURT, J.L.M. e SILVA, H.V. Turbina de Recuperação de Topo (1999),
Prêmio Nacional na Modalidade de Conservação de Energia 1999~2000, promovido pela
Confederação Nacional das Indústrias – CNI.
Como
são
as
formas
de
energia.
Disponível
em:
http://www.geocities.com/electricaltecnoly/papers/gereelsa.html. Acesso em 18 abril
2003.
CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão: Relatório Operacional do Setor de
Distribuição de Utilidades – IPUD. Serra: CST. 2003.
CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão: Gases Siderúrgicos – Material didático do
Setor de Engenharia de Segurança do Trabalho – FHA - Serra: CST. 2002.
KAWASAKI, Manual de Operação e Manutenção da TRT (ANO, 1999).
MEIRA, G. A., Geração de Energia Elétrica em usina siderúrgica a partir do excesso
disponível de gases de alto forno e coqueria. Congresso anual da ABM. 35, São Paulo,
1980.
SITE Companhia Siderúrgica de Tubarão – CST. Disponível em: http://www.cst.com.br.
Acesso em 16 abril 2003.
TAMANDARÉ, M.C.S., Geração de Energia Elétrica na CST em relação ao
desenvolvimento sustentável – 1992 a 2000. Trabalho fim de curso UVV 2001.
VAN WYLEN, SONNTAG & BORGNAKKE (1998) – Fundamentos da Termodinâmica,
Ed. Edgard Blucher Ltda: São Paulo.
VERGARA, S. C. (2000) - Projetos e relatórios de pesquisa em administração. Ed. Atlas:
São Paulo.
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