ENERGIA NA REDUÇÃO: ANÁLISE E PERSPECTIVAS ABM SEMINARIO REDUÇÃO SALVADOR 18/09/2007 CYRO TAKANO (USP) e COLABORADORES 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador INTRODUÇÃO Objetivo: Incentivar discussões SUMARIO Energia na Metalurgia, siderurgia e redução dentro do contexto da matriz energética brasileira Evolução do consumo das fontes energéticas na siderurgia brasileira Energia na redução e o efeito estufa O programa japonês de melhoria de eficiência energética em AF O programa europeu de melhoria ambiental de produção de aço Discussão das alternativas para melhor eficiência energética na redução Fontes alternativas de energia e perspectivas de processos de produção de aços Considerações finais 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ENERGIA NA REDUÇÃO Redução: A.F+R.D.+Coqueria + Sinteriz ~7,7% toda energia brasileira Energia baseada em C, predominantemente fóssil, resulta em grande geração de CO2 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

Matriz energetica brasileira e a siderurgia 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Consumo Energético Brasileiro 2005: 182 687.000 tep/ano Industrial 40% Outros 19% Residencial 12% Transporte 29% 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Energia na indústria, 2005, Brasil 73.496.000 tep/ano (40% do total) Cimento 3,8% Outros 9,9% Metalurgia 37,3%(15%) metalurgia Cerâmica 4,6% Química 9,8% Papel e celulose 10,5% Alimentos 24,4% 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Consumo na Metalurgia, 2005 27.407.000 tep/ano (15% do total) Não ferrosos 20% (3%) Mineração e pelotiz 11% (1,6%) Ferro-ligas 6%(0,9%) Siderurgia 64%(9,6%) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador Simbologia: % na metalurgia (% do total nacional)

Estrutura Consumo Energia em Siderurgia REDUÇÃO : ~60% + (%?)COQUERIA (total ~80% ^7,7%) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Fontes Energéticas na Siderurgia Br, 2005, 17.458.000tep (9,6%) gn Alc, dies, oleo G coqueria eletrica Coque e carvão mineral C vegetal Carvão vegetal C .mineral 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Evolução das Fontes Energéticas na Siderurgia Brasileira (%) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Evolução das Fontes Energéticas na Mineração/Pelotização Brasileira (%) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Evolução das Fontes Energéticas na Siderurgia Brasileira (tep) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Mineração e pelotização 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

INSUMOS ENERGÉTICOS EM ACIARIA E LAMINAÇÃO INSUMOS ENERGÉTICOS EM ALTO FORNO Coque, pci 0,5t/tgusa E. elétrica 110 (kWh/tgusa) Gás de topo (pré-aquecimento de ar) INSUMOS ENERGÉTICOS EM ACIARIA E LAMINAÇÃO Oxigênio 20 a 60 m3/tproduto E. Elétrica 400 (aciaria)+200 (laminação) kWh/t Combustível p/ 2 re-aquecimentos (média)1000000kcal/t ~100m3 GN 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Energia na Metalurgia, siderurgia e redução dentro do contexto da matriz energética brasileira Evolução do consumo das fontes energéticas na siderurgia brasileira Energia na redução e o efeito estufa O programa japonês de melhoria de eficiência energética em AF O programa europeu de melhoria ambiental de produção de aço Discussão das alternativas para melhor eficiência energética na redução Fontes alternativas de energia e perspectivas de processos de produção de aços Considerações finais 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Na redução: ~80% da siderurgia (9,6%) ~7,7% do consumo nacional (isto p/ apenas 30Mt aço e ~9Mt gusa (independ) + Ferro Esponja AF (coqueria e sinteriz) redução direta redução-fusão 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Heat Income in BF 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador Science and Technology of Innovative Ironmaking for aiming at Energy Half Consumption. Proc. ISIJ. Japan. Nov 2003.

ABM Sem Redução2007-Salvador Energy consumption BF 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador Science and Technology of Innovative Ironmaking for aiming at Energy Half Consumption. Proc. ISIJ. Japan. Nov 2003.1

ABM Sem Redução2007-Salvador GRANDE CONSUMO!!! % da energia nacional metalurgia 15 siderurgia 9,6 Redução 7,7 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Redução e o efeito estufa Como a fonte é predominantemente C : Melhorar a eficência energética na redução Buscar alternativas, incluindo eliminação de etapas. 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

Energia na redução aspectos importantes 1) melhorar as eficiências energéticas dos processos atuais; 2) aproveitar melhor os calores sensível e de reação dos produtos, dos sub-produtos e dos gases; 3) adaptar e desenvolver processos mais eficientes energeticamente; 4) utilizar fontes energeticamente mais sustentáveis ambientalmente; e 5) desenvolver e adaptar processos que sejam mais condizentes com fontes energéticas de menor impacto ambiental. 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Energia na Metalurgia, siderurgia e redução dentro do contexto da matriz energética brasileira Evolução do consumo das fontes energéticas na siderurgia brasileira Energia na redução e o efeito estufa O programa japonês de melhoria de eficiência energética em AF O programa europeu de melhoria ambiental de produção de aço Discussão das alternativas para melhor eficiência energética na redução Fontes alternativas de energia e perspectivas de processos de produção de aços Considerações finais 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Melhorar a eficiência no AF (PROGRAMA Japonês) Science and Technology of Innovative Ironmaking for aiming at Energy Half Consumption. Proc. ISIJ. Japan. Nov 2003.pp 251) alternativas Diminuição de temperatura e da altura da zona de reserva Diminuição das temperaturas de fusão Diminuição da espessura da zona coesiva Aumento da velocidade de redução Aumento de hidrogênio como redutor Melhoria da permeabilidade Diminuição das perdas térmicas Aumento da utilização de gás (CO2/(CO+CO2) Diminuição “slag-rate” 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Tendências: AF super-eficiente 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador CCB: carbon composite briquette; CCP: carbon composite pellet Resultados em simulador de AF, com Sínter, CCB e CCP 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Diagrama de equilíbrio de redução por CO e H2 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Redução: Sínter, CCB e Pelota 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

RAR: reducing agent ratio sb=ccb 20sb-100:20%ccb with lowered melting temper;(-100oC) -HM50: hot metal with -50oC temp 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Tendências Os resultados obtidos estão centrados nos seguintes: Utilização de aglomerados auto-redutores: aumento da produtividade, aumento da velocidade de reação; diminuição da temperatura da zona de reserva térmica; diminuição da temperatura de fusão do produto reduzido pela carburação; diminuição do “coke rate”; diminuição da temperatura dos gases de saída. Adequação da composição da escória com teor mais elevado de “FeO” e diminuindo a temperatura de fusão da escória e aumento de fluidez. Injeção de hidrocarbonetos (plásticos) Recirculação de CO do gás de alto-forno Diminuição drástica de N2 c/ aumento de enriquecimento e de CO +H2 Diminuição de coque < 250 kg/t Diminuição de escoria < 200kg/t 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador AF eficiente 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Energia na Metalurgia, siderurgia e redução dentro do contexto da matriz energética brasileira Evolução do consumo das fontes energéticas na siderurgia brasileira Energia na redução e o efeito estufa O programa japonês de melhoria de eficiência energética em AF O programa europeu de melhoria ambiental de produção de aço Discussão das alternativas para melhor eficiência energética na redução Fontes alternativas de energia e perspectivas de processos de produção de aços Considerações finais 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Programa Europeu (Arcelor) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Energia na Metalurgia, siderurgia e redução dentro do contexto da matriz energética brasileira Evolução do consumo das fontes energéticas na siderurgia brasileira Energia na redução e o efeito estufa O programa japonês de melhoria de eficiência energética em AF O programa europeu de melhoria ambiental de produção de aço Discussão das alternativas para melhor eficiência energética na redução Fontes alternativas de energia e perspectivas de processos de produção de aços Considerações finais 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ANALISE DAS ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS NA REDUÇÃO (tentativa) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

AF eficiente e alternativas energéticas na redução Injeção de carvão (PCI) Enriquecimento do ar c/ O2 Injeção de plástico Recicrulação de GAF Carvão vegetal Carvão mineral na redução direta Gaseificação de carvão Gás natural 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador PCI – carvão mineral nacional viabilidade? Atrelado ao c.vapor qualidade: S? cinza? Custo x disponibilidade CIF? 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Enriquecimento de O2 no sopro Fatores a considerar: Custo Menor temperat de pré-aquecimento do ar Menor N2 portanto melhor permeabilidade (K) Maior injeção de hidrocarbonetos (plásticos) GAF com maior poder calorífico ....... 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Gás Natural e Plásticos Fatores a considerar: Maior redutibilidade Menor geração de CO2 Reações endotérmicas de gás dágua GAF passível de conc por condensação de H2O GAF de maior poder calorífico ........ ........... 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Comparação entre C e CH4: Logo após a combustão nas ventaneiras tem-se: C +O2 = CO2 CO2+C =2CO ou Geral: 2C + O2 = 2CO Exot = -52 kcal/mol O2 CH4 +2O2= CO2 + 2H2O CO2 + C = 2CO 2H2O + 2C = 2CO + 2H2 ou Geral 0,5CH4 + O2 +1,5 C = 2CO + H2 Exot = -17,4kcal/molO2 GN: 67% MENOS EXOTÉRMICO que o C (compensar com enriq AR) Gera 50% + de gás redutor, de H2 (cineticam/ + eficiente p/ redução termodinamica/ - eficiente) Ambiente : ~30% menor de CO2 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador A F a Carvão vegetal Sequestro e fixação de CO2 (única alternativa ambientalmente sustentável) Menor produtividade e menor tamanho GAF mais rico Menor temperatura de operação Menor volume de escória Manejo de floresta(energético, carvão, madeira) Necessid.: ~0,11 ha/tgusa ou ~11Mha/100Mt gusa Know-how tecnológico avançado no plantio e utilização no alto-forno, mas processos de carvoejamento precisam de significativa pesquisa e desenvolvimento 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Menor perda térmica por tonelada de gusa produzido no Alto Forno ; Siderurgia a CV –Sem red ABM 2006 Contribuição da V M Forno a Carvão Vegetal em Relação ao Alto Forno a Coque Permite a operação com níveis térmicos 100 a 150 graus inferiores à operação com coque (escória ácida), resultando : Menor perda térmica por tonelada de gusa produzido no Alto Forno ; Menor desgaste do revestimento refratário (podendo-se usar um revestimento de menor custo). 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

Menor consumo de energia para fusão da escória ; Siderurgia a CV –Sem red ABM 2006 Contribuição da V M 2. Permite operação com baixo volume de escória por tonelada de gusa (até 50% menor), resultando : Menor consumo de energia para fusão da escória ; Menor impacto ambiental com o resíduo escória ; Elimina a necessidade de dessulfuração do gusa, devido ausência de S no carvão vegetal, resultando em baixo nível de enxofre no gusa (menor que 0,012%); Geração de gás com maior poder calorífico (até 30% maior), com baixíssima contaminação de SO2. 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

Area de plantio/t gusa Scherer tem esse números!! Cyro: hoje já é 40!! Pesquisas indicam que o máximo teórico é 10 t 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador CV: área e manejo Necessid.: ~0,11 ha/tgusa ou ~11Mha/100Mt gusa Manejo de floresta(energético, carvão, madeira) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

GN e Redução Direta Menor CO2 (muito mais favorável do que carvão mineral) Disponibilidade e custo Produto sólido com alto teor de ganga (menor valor-em-uso) ......... ........ 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Redução Direta G N CH4 = consumo (GN novo) ~13kmol/tFe esp. ~13kmolC/t Fe esponja ^156 kgC/tFe portanto bem menor que os ~350kg C p/Redução no AF kg (considerando que ~150kg C/fusão Fe+escoria) = 283,371 Nm3 CH4/t Fe esp. ~11 milhões de BTU/t Fe esp DISPONIBILIDADE E PREÇO 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Redução Direta c/ carvão 33% da produção mundial de DRI Experiência da Piratini: ..... Índia = maior produtor mundial de DRI (15 Mt), com várias usinas baseadas em fornos tipo SL/RN Gaseificação de carvão para geração de gás redutor 18/09/2007 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador ABM Sem Redução2007-Salvador

Gaseificação de carvão Unidade da Saldanha Bay (Africa do Sul) Permite utilizar carvão mais pobre Carvão mais rico, ou injeção de O2, pode gerar parte como H2 a partir da reação de gás dágua 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Energia na Metalurgia, siderurgia e redução dentro do contexto da matriz energética brasileira Evolução do consumo das fontes energéticas na siderurgia brasileira Energia na redução e o efeito estufa O programa japonês de melhoria de eficiência energética em AF O programa europeu de melhoria ambiental de produção de aço Discussão das alternativas para melhor eficiência energética na redução Fontes alternativas de energia e perspectivas de processos de produção de aços Considerações finais 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Processos prod aços 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Processos Emergentes e * não utilização de c coqueificavel * versatilidade de alternativas *menor consumo? 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Processos atuais e futuros 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

CENÁRIO EM 2050(ROTA A PARTIR DE MINERIO Birat, Arcelor 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

Tendência FEA e REDUÇÃO 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador CONSIDERAÇÕES FINAIS Necessidade da conscientização do enorme consumo energético na redução (~7,7% da energia total do Brasil, com apenas 30Mt aço) Redução: geração enorme de CO2 AF eficiente: pci, O2, plásticos, aglomerados auto-redutores AF a C.V.: ambietalmente sustentável 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador CONSIDERAÇÕES FINAIS Hidrocabonetos: ambientalmente mais favorável G N disponibilidade e custo (RD e AF) Plásticos Gas de carvão (RD) Carvão sólido (RD) FEA (SUCATAS) 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador

ABM Sem Redução2007-Salvador Resumo da palestra /) No Brasil a metalurgia brasileira, a siderurgia e a redução na siderurgia consumiram, em 2005, respectivamente, 15%, 9,6% e 7,7% de toda energia consumida no Brasil, isto para a produção de apenas ~ 30 milhões de toneladas de aço e 9 milhões de toneladas de gusa, estas últimas por produtores independentes. A maior fonte energética em siderurgia é o coque e carvões (~80%), sendo que deste total o carvão vegetal contribuiu em 2005 com ~28% e, em particular na redução, o porcentual de energia consumida na forma de produto carbonoso foi da ordem de 90%. Estes grandes consumos de energia à base de carbono levam a uma grande geração de CO2. Há uma preocupação, principalmente no Japão e na Europa em diminuir este impacto, melhorando, adaptando e desenvolvendo processos tais como: 1) melhoroa das eficiências energéticas dos processos atuais; 2) aproveitamento melhor os calores sensível e de reação dos produtos, dos sub-produtos e dos gases; 3) adaptação e desenvolvimento de processos energeticamente mais eficientes; 4) utilização de fontes energeticamente mais sustentáveis ambientalmente; e 5) desenvolvimento e adaptação de processos que sejam mais condizentes com fontes energéticas de menor impacto ambiental. Pode-se citar alguns exemplos de enormes desperdícios de energia tais como: toda a energia sensível contida no coque a 1100oC; toda a energia sensível contida na escória de alto forno a 1500oC (3% do total da energia do processo); energia sensível do gusa a 1400oC (8% de toda energia do processo) quando o gusa é solidificado. A soma dos desperdícios nesses 3 exemplos pode atingir ~ 1% de toda energia do país.Vale ressaltar que as grandes siderúrgicas já estão aproveitando essas energias. O programa japonês para diminuição de energia no alto forno conduziu às seguintes sugestões: i) utilização de aglomerados auto-redutores, resultando em aumento da produtividade, aumento da velocidade de reação, diminuição da temperatura da zona de reserva térmica, diminuição da temperatura de fusão do produto reduzido pela carburação, diminuição do “coke rate” e diminuição da temperatura dos gases de saída; ii) adequação da composição da escória com teor mais elevado de “FeO”, resultando em diminuição da temperatura de fusão da escória e aumento de fluidez; iii) injeção de hidrocarbonetos (plásticos); iv) Recirculação de CO do gás de alto-forno; v) diminuição drástica de N2 com aumento de enriquecimento de O2 e de CO +H2. Com a adoção dessas medidas resultaria no final uma diminuição de coque para < 250 kg/t e uma diminuição de escoria para< 200kg/t. Em termos ambientais a redução com utilização de carvão vegetal sustentável é, sem dúvida, o mais indicado e sugere-se um apoio mais intenso aos grupos que desenvolvem e estudam o assunto de maneira sistêmica, como um projeto temático. Neste caso todo CO2 seria “auto-sequestrado”. O gás natural é também ~30% ambientalmente mais sadio do que o carvão mineral. Os processos de redução direta dependem da disponibilidade do gás natural a preços competitivos. Esta palestra tem por objetivo incentivar a discussão sobre este importante tema, alertando para o elevado consumo energético (7,7% da energia do país) e para a grande contribuição para a geração de CO2 . Além disso, procura mostrar a necessidade de se fazer um grande esforço nacional, de maneira coordenada, para pesquisar, adaptar, desenvolver e melhorar a eficiência energética dentro de um contexto ambientalmente correto. 18/09/2007 ABM Sem Redução2007-Salvador