Como já citado anteriormente, existem diversos parâmetros que permitem calcular a viabilidade técnica do alto-forno, uma das maneiras é fixando um parâmetro de grande importância no alto-forno, como por exemplo, o coke-rate, a temperatura de chama, etc, e simular o funcionamento do alto-forno, acompanhando os resultados dessa simulação.
Para esse trabalho, umas das variáveis escolhidas foi variação da Temperatura de Chama frente o efeito da utilização de biogás em Altos-Fornos, mantendo-se esse parâmetro como parâmetro variável, esperou-se que todos os outros parâmetros estivessem dentro do comportamento esperado de funcionamento de um alto-forno.
A outra variável escolhida foi o coke-rate, variável de grande importância que define o consumo de redutor no alto-forno. Essa é uma das variáveis mais controladas na produção do ferro gusa, primeiro pelo seu alto-custo e segundo pelas emissões de gases responsáveis pelo efeito estufa.
5.1.1 Temperatura de Chama
Após a realização dos testes foi observado que quanto maior a injeção de biogás na composição da mistura do gás injetado, maior será o declínio da temperatura de chama. Após a substituição completa de gás natural por biogás, houve um declínio significativo na temperatura de chama. Isso se deve ao fato de que o CO2 presente no biogás, que assim como
o gás natural, ter o efeito endotérmico, devido à reação de Boudouard, ou seja, a presença de CO2 implica que haverá a transformação a CO, gerando uma perda de energia na zona de
combustão.
As Tabelas 8 e 9 representam os resultados feitos nos programas de simulação em duas etapas. A Tabela 8 consiste na injeção de biogás no alto-forno sem temperatura de chama fixa, ou seja, foi feita a simulação computacional sem fixar parâmetros, para se obter os resultados provocados pela injeção. Verificados os resultados da primeira etapa, onde ocorreu uma baixa temperatura de chama no processo, fixou- se a temperatura de chama em torno de
2250°C com o auxílio da injeção de oxigênio e uma temperatura de sopro de 1200⁰C, e assim se obtiveram coke-rates mais elevadas, conforme a Tabela 9.
Tabela 8: Relação Temperatura de Chama e Coke-Rate sem Temperatura de chama fixa e sem auxílio de oxigênio na injeção.
Injeção CR (kg/t) TC (°C) 100% NG 383,6 1907,0 75% NG 25% BG 387,0 1896,3 50% NG 50% BG 390,5 1885,0 25% NG 75% BG 393,9 1862,5 100% BG 397,4 1843,9
Tabela 9: Relação Temperatura de Chama e Coke-Rate com temperatura de chama fixa. Injeção CR (kg/t) TC (°C) 100% NG 274,7 2251,7 75% NG 25% BG 285,2 2250,0 50% NG 50% BG 291,7 2249,1 25% NG 75% BG 295,1 2250,0 100% BG 298,6 2250,1
O consumo de redutor variou nos testes, mostrando que a substituição de gás natural por biogás provoca uma variação no consumo teórico de coque e na temperatura de chama. A escolha da temperatura de chama fixa 2250oC, condiz com as temperaturas de chama reais encontradas nos altos-fornos a coque. Adotou-se a tática de enriquecimento do ar em oxigênio para manter os níveis térmicos na zona de combustão.
Conforme resultados apresentados, ou uma queda significativa de temperatura de chama e para solucionar o problema de redução da eficiência térmica de projeto é necessário aumentar o aporte térmico através enriquecimento do ar com oxigênio ou adicionando mais carbono no reator. Porém é preciso estar atento aos efeitos dessas alterações do rendimento do forno e vários parâmetros operacionais, para não prejudicar o funcionamento do Alto-Forno.
A injeção de gases no Alto-forno causa uma maior redução na temperatura adiabática de chama por unidade, se comparado à injeção de carvão, que permite taxas de injeção mais altas.
5.1.2 Coke-Rate
Outras variáveis trabalhadas durante os teste de injeção, foi o coke-rate. Como já mencionado anteriormente, tal variável é de imensa importância, uma vez que é um dos objetivos desse trabalho é diminuir o consumo de combustível para a operação do Alto-Forno.
A Tabela 10 representa valores de simulações feitas utilizando o programa de simulação, onde foi fixada a temperatura de chama em 2250°C e foi injetado oxigênio em 2%, A taxa de injeção de carvão pulverizado (150 kg/t), com ressalva para o Experimento 1, onde não foi utilizado nenhuma forma de injeção de material auxiliar.
Tabela 10: Experimento com Injeção de Material Auxiliar
Experimento Injeção CR (kg/t) FR (Kg/t) FT (°C) O2 (Nm3/t) 1 Sem injeção 344,753 495,753 2250°C 0,2977 2 100% Injeção GN 230,734 485,652 2250°C 26,5366 3 50% BG and 50% GN 265,658 549,035 2250°C 26,2786 4 100% Injeção BG 300,581 612,417 2250°C 26,0207 Onde,
1. Experimento sem injeção de material auxiliar; 2. Experimento com 100% de injeção de GN;
3. Experimento com 50% de injeção de GN e 50% de injeção de BG; 4. Experimento com 100% de injeção de BG.
A Figura 24 representa um gráfico onde é relacionado o coke-rate com fuel-rate em kg/t, tais valores são resultados obtidos pelas simulações e representados na Tabela 10, onde
mostra que a melhor relação seria com a injeção total de Gás Natural, porém a relação de 50% de BG e 50% de GN atende aos valores desejados de coke-rate, que seria de aproximadamente 250kg/t.
De acordo com a Figura 26, quando se injeta 100% de Biogás no Alto-Forno, o coke-rate fica em torno de 300kg/t, sendo um valor elevado, em relação ao que se objetiva para a operação do Alto-Forno, que seria em torno de 250kg/t
Figura 26: Relação Coke Rate x Fuel Rate com injeção de BG e GN.
Onde,
1. Experimento sem injeção de material auxiliar; 2. Experimento com 100% de injeção de GN;
3. Experimento com 50% de injeção de GN e 50% de injeção de BG; 4. Experimento com 100% de injeção de BG.
Após os experimentos de simulação computacional, chegou-se a conclusão que a viabilidade técnica do biogás é mantida quando se injeta 50% de BG e 50% de GN, conforme resultados apresentados acima, tanto para temperatura de chama quando para coke-rate, essa é a melhor proporção. Será utilizado uma temperatura de chama de aproximadamente 2250°C e um coke-
5.2 Viabilidade Econômica do Biogás em Usinas Siderúrgicas