Estudo da produção e desempenho de coques altamente reativos contendo resíduos siderúrgicos com foco no aumento de eficiência e mitigação de emissão do alto-forno

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Agra, Anderson Azevedo
• Orientador(a): Osorio, Eduardo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Coque metalúrgico; Reaproveitamento de resíduos; Eficiência energética; Alto-forno
• Palavras-chave em Inglês: Highly Reactive Coke (HRC); Iron and Steelmaking Waste; Energy Efficiency; Emissions Reduction; Decarbonization
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/266123

A redução das emissões de gases do efeito estufa (GEE), aumento da eficiência energética e a reutilização de resíduos siderúrgicos são necessidades prementes da siderurgia. A utilização de uma nova matéria-prima, chamada coque altamente reativo (CAR), produzida a partir da carbonização de misturas de carvões e minério de ferro, é sugerida como uma tecnologia estratégica para o alto-forno (AF) capaz de auxiliar nesses objetivos citados. O CAR, que é mais reativo que o coque tradicional, pode ser usado como substituto parcial ou total do nut coke nas camadas de carga ferrosa do AF. Essa substituição aumenta a eficiência da redução dos óxidos de ferro, resultando em menor consumo de combustíveis e emissões. O objetivo principal deste estudo foi analisar a viabilidade de usar resíduos siderúrgicos como substituto do minério de ferro na produção de CAR. Foram conduzidos estudos usando diferentes combinações de carvões, minério de ferro e resíduos ferrosos, variando teores e granulometria. Essas misturas foram avaliadas em termos de pirólise, propriedades termoplásticas e reatividade, medindo a conversão e temperatura de gaseificação em diferentes composições gasosas. A resistência mecânica, microestrutura e outros parâmetros foram avaliados em CAR produzidos em escala de laboratório. Os resultados foram utilizados para analisar os benefícios operacionais do alto-forno, considerando o diagrama de Rist e balanço de massa dos elementos deletérios nos resíduos. Ao analisar o comportamento das misturas, observou-se que a degradação da fluidez é mais significativa em resíduos finos com alto grau de oxidação, especialmente compostos por Fe2O3. Por outro lado, resíduos ricos em FeO, como carepas, afetam menos a termoplasticidade das misturas. Quanto ao aumento da reatividade, verificou-se que é importante a dispersão adequada dos elementos catalisadores, alcançada através do uso de resíduos finos, bem como o teor de ferro e outros compostos capazes de catalisar a gaseificação do carbono. Houve uma correlação positiva entre a degradação termoplástica e a resistência mecânica dos CAR produzidos, indicando que resíduos com menor impacto na termoplasticidade permitem a obtenção de coques mais resistentes. Esse resultado se deve à capacidade da fração carbonosa em absorver esses componentes inertes, relacionada à espessura da parede da microestrutura do CAR. Dessa forma, a produção de CAR de alta reatividade e com resistência mecânica adequada é possível, pela correta seleção de matérias-primas e dosagem na mistura. A avaliação do balanço de massa e energia indicou a possibilidade de redução de até 30,4 kg/tHM o consumo de carbono no AF, substituindo o nut coke por CAR em 40 kg/tHM. Isso representa uma economia anual de 73 kt/ano de combustível e uma redução de 194 ktCO2/ano para um alto-forno com capacidade de 2,41 MtHM/ano. O balanço dos elementos recirculantes mostrou que a utilização de alguns resíduos ricos em Zn deve ser limitada, mas que podem ser superadas por meio de processamentos pirometalúrgicos e físicos. Em conclusão, este estudo demonstrou que é viável utilizar CAR produzidos a partir de resíduos, trazendo vantagens em relação ao uso de minério de ferro. Além disso, essa abordagem pode contribuir para a redução das emissões de GEE no processo siderúrgico e está alinhada ao conceito de economia circular.