efeito da adição de pó de balão na combustibilidade do carvão pulverizado injetado no alto-forno

90 Pages·2017·2.34 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS – FIMAT

EFEITO DA ADIÇÃO DE PÓ DE BALÃO NA COMBUSTIBILIDADE DO
CARVÃO PULVERIZADO INJETADO NO ALTO-FORNO

OURO PRETO – MG
2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS – FIMAT

HÁRLEY PHILIPPE SANTOS DA SILVA

EFEITO DA ADIÇÃO DE PÓ DE BALÃO NA COMBUSTIBILIDADE DO
CARVÃO PULVERIZADO INJETADO NO ALTO-FORNO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
graduação em Ciências – Física de Materiais da
Universidade Federal de Ouro Preto, para a obtenção
do título de Mestre em Ciências de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Santos Assis

OURO PRETO – MG
2016

i
AGRADECIMENTOS

Este projeto é fruto de dedicação e apoio de várias pessoas, as quais eu gostaria de agradecer e
pela conquista, são elas:

A Deus, pela vida e capacidade de realização;
À minha mãe, Selma, por toda confiança e incentivo;
À minha noiva Camila Leão pelo enorme apoio e incentivo nos momentos de maior dificuldade;
A meu grande co-orientador e mestre, Guilherme Liziero, agradeço pelo enorme apoio de
sempre;
Ao professor Dr. Paulo Santos Assis pelo direcionamento e orientação no trabalho;
Aos alunos de graduação e mestrado que participaram e contribuíram muito para que esse projeto
se consolidasse: Alex Campos, Gilson Frade, Jaderson Ilídio e Katerine Grazielle;
Aos colegas Adilson dos Reis e Evandro Xavier, técnicos laboratoriais da Gerdau, que
contribuíram com a realização das análises;
A todos aqueles que direta ou indiretamente contribuíram e não foram aqui mencionados, minha
sincera gratidão.

ii
SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. V
LISTA DE TABELAS .......................................................................................................... VII
LISTA DE NOTAÇÕES ..................................................................................................... VIII
RESUMO ............................................................................................................................... IX
ABSTRACT ............................................................................................................................ X
1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 1
1.1 Objetivos .................................................................................................................... 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 3
2.1 Alto-forno ................................................................................................................... 3
2.1.1 Matérias-primas ......................................................................................................... 5
2.1.2 Pó de alto-forno .......................................................................................................... 8
2.1.3 As zonas internas do alto-forno .................................................................................. 9
2.1.4 O perfil térmico do alto-forno .................................................................................. 11
2.1.5 Reações no interior do alto-forno ............................................................................. 12
2.1.6 Funções do coque ..................................................................................................... 14
2.1.7 Injeção de combustíveis nas ventaneiras dos altos-fornos ....................................... 14
2.2 Carvão mineral ......................................................................................................... 15
2.2.1 Métodos para determinação dos constituintes inorgânicos do carvão ..................... 17
2.3 Injeção de carvão pulverizado em altos-fornos ........................................................ 17
2.3.1 Conceitos da ICP e efeitos nos parâmetros do alto-forno ........................................ 19
2.3.2 Objetivo e vantagens da ICP .................................................................................... 20
2.3.3 A combustão do carvão pulverizado nos AFs .......................................................... 21
2.3.4 Aspectos da qualidade de carvões para ICP ............................................................. 25
2.4 Sistema de ICP típico ............................................................................................... 29
2.5 Misturas de carvão pulverizado ................................................................................ 32
2.6 Sustentabilidade ambiental na siderurgia ................................................................. 35
2.6.1 Reciclagem de resíduos siderúrgicos sólidos ........................................................... 36
2.7 Pó de balão do alto-forno ......................................................................................... 38
iii
2.7.1 Características gerais do pó ...................................................................................... 40
3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................... 42
3.1 Matérias-primas ....................................................................................................... 42
3.2 Preparação das amostras ........................................................................................... 42
3.3 Procedimento experimental ...................................................................................... 42
3.3.1 Análise imediata ....................................................................................................... 42
3.3.1.1 Análise de umidade .................................................................................................. 43
3.3.1.2 Análise de matéria volátil ......................................................................................... 43
3.3.1.3 Análise de cinzas ...................................................................................................... 44
3.3.2 Separação granulométrica do pó .............................................................................. 45
3.3.3 Caracterização micrográfica do pó ........................................................................... 46
3.3.4 Difração de raios-X dos materiais ............................................................................ 46
3.3.5 Método de adsorção de Nitrogênio – B.E.T. ........................................................... 48
3.3.6 Ensaio em Multipcnômetro à gás ............................................................................. 49
3.3.7 Simulador de injeção de materiais pulverizados ...................................................... 51
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 60
4.1 Química imediata do carvão e pó ............................................................................. 60
4.2 Caracterização mineralógica do pó de balão ............................................................ 60
4.3 Método de adsorção de nitrogênio – B.E.T. ............................................................ 65
4.4 Identificação da estrutura cristalina .......................................................................... 68
4.5 Ensaios de combustão das misturas.......................................................................... 69
CONCLUSÕES ...................................................................................................................... 72
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 74

iv
LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Arranjo geral de um alto-forno ................................................................................ 4
Figura 2. Matérias-primas que compõem a carga de um alto-forno a coque .......................... 6
Figura 3. Apresentação esquemática da redução dos óxidos de ferro e temperatura .............. 7
Figura 4. Zonas internas do AF ............................................................................................. 11
Figura 5. Perfil térmico típico do AF operando a fluxo gasoso central ................................ 12
Figura 6. Principais reações de redução da carga metálica no interior do alto-forno ........... 13
Figura 7. Técnicas de análise dos constituintes inorgânicos do carvão ................................ 17
Figura 8. Taxa de injeção de carvão relacionada ao consumo específico de coque .............. 20
Figura 9. Reações químicas do carvão pulverizado na zona de combustão do AF ............... 23
Figura 10. Sistema típico de injeção de carvão pulverizado ................................................. 30
Figura 11. Esquema de injeção de carvão pulverizado na ventaneira do alto-forno ............. 31
Figura 12. Gráfico que representa o preço do BEP nos últimos anos ................................... 35
Figura 13. Sistema de limpeza de gás de um alto-forno ....................................................... 40
Figura 14. Equipamento utilizado para análise de umidade do carvão e finos de coque ...... 43
Figura 15. Agitador eletromecânico para separação granulométrica .................................... 45
Figura 16. A formação estrutural dos sólidos ........................................................................ 47
Figura 17. Fotografia do equipamento utilizado para análise de porosidade e área
superficial ............................................................................................................................... 49
Figura 18. Fotografia do aparelho Picnômetro a gás utilizado para análise de densidade
real .......................................................................................................................................... 50
Figura 19. Ambiente do alto-forno onde o material pulverizado é injetado ......................... 52
Figura 20. Equipamento disponível no Laboratório de Siderurgia, da escola de Minas,
v
para simular a injeção de material pulverizado em altos-fornos ............................................ 52
Figura 21. Desenho esquemático das regiões do simulador .................................................. 54
Figura 22. Recipiente usado para armazenar o carvão pulverizado para o ensaio de
combustão ............................................................................................................................... 55
Figura 23. Vista geral da ampola de vidro ............................................................................ 56
Figura 24. Esquema do Orsat ................................................................................................ 57
Figura 25. Vista geral do Orsat ............................................................................................. 58
Figura 26. Representação gráfica da proporção dos minerais presentes no pó de balão ....... 61
Figura 27. Concentração de carvão nos diversos níveis de fração granulométrica ............... 62
Figura 28. Concentração de hematita nos diversos níveis de fração granulométrica ............ 63
Figura 29. Micrografia da fração de pó com granulometria >150µm ................................... 64
Figura 30. Micrografia da fração de pó com granulometria >75µm ..................................... 64
Figura 31. Micrografia da fração de pó com granulometria <45µm ..................................... 65
Figura 32. Densidade dos materiais....................................................................................... 66
Figura 33. Superfície específica dos materiais ...................................................................... 66
Figura 34. Volume de microporos dos materiais................................................................... 66
Figura 35. Tamanho médio dos microporos dos materiais ................................................... 66
Figura 36. Área dos microporos dos materiais ...................................................................... 67
Figura 37. Volume total dos poros dos materiais .................................................................. 67
Figura 38. Difratograma da amostra CV ............................................................................... 68
Figura 39. Difratograma da amostra PB_Moído ................................................................... 69
Figura 40. Representação gráfica da taxa de combustão das misturas de CV e PB .............. 70

vi
LISTA DE TABELAS

Tabela 1 . Geração de PB e lama em kg/t gusa para várias taxas de ICP ............................... 9
Tabela 2 . Silicatos e minerais óxidos encontrados em carvão ............................................ 16
Tabela 3 . Faixas dos valores ideais para carbono fixo, matérias volátil, cinzas, HGI e
enxofre para carvões para ICP ................................................................................................ 29
Tabela 4. Geração estimada de resíduos siderúrgicos no mundo em 1987 ........................... 37
Tabela 5. Destinação dos principais resíduos siderúrgicos recicláveis no mundo em 1987 . 38
Tabela 6 . Análise química imediata característica de pó de balão ...................................... 41
Tabela 7 . Composição química da cinza típica do pó de balão ........................................... 41
Tabela 8. Amostras de carvão e pó definidas para combustão ............................................. 59
Tabela 9. Análise imediata do carvão e pó ........................................................................... 60
Tabela 10. Proporção dos minerais presentes no pó de balão .............................................. 61
Tabela 11. Resultados encontrados no aparelho B.E.T ........................................................ 66
Tabela 12. Resultados da análise química imediata das amostras ........................................ 69
Tabela 13. Resultados do índice de combustão das misturas ............................................... 70
Tabela 14. Representação gráfica dos resultados do índice de combustão das mistura ........ 73

vii