Construção de um Simulador da zona de combustão do Alto-Forno para a avaliação de combustíveis sólidos e gasosos

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1 Construção de um Simulador da zona de combustão do Alto-Forno para a avaliação de combustíveis sólidos e gasosos André da S. Machado, René L. Rech Antônio C. F. Vilela & Eduardo Osório

2 Sumário Introdução Estado da Arte Planejamento Simulador Lasid-UFRGS Cronograma

3 Introdução Esquema de um alto-forno (AF) típico combustíveis Coke PCI Ar enriquecido

4 Introdução A PCI é uma técnica amplamente utilizada nos altos-fornos (AFs): Reduz o consume de coque nos AFs; Aumenta a produtividade; Taxas praticadas: kg/tgusa. Problemas associados a altas taxas de PCI: Deterioração da permeabilidade da carga; Operação instável do AF; Maior geração de finos de coque.

5 Introdução Processo de combustão do CP: Zona de Combustão Aquecimento pirólise ignição e combustão dos voláteis combustão parcial do char residual por O 2 gaseificação do char residual

6 Introdução Condições de desvolatilização e combustão do CP injetado no AF: Pressão ~ 450 kpa; Atmosfera de ar enriquecido com O2 (~ 1-5%); Temperatura ~ 2200 C; Taxa de aquecimento ~ 10 5 a 10 6 C/s; Tempo de residência ~ ms. Equipamentos para avaliar carvões e chars com relação à combustibilidade e reatividade no AF: DTF, simuladores e termobalança.

7 Estado da Arte simulação da injeção de carvão nos AFs Principais simuladores desenvolvidos: Austrália - Broken Hill Proprietary Company (BHP) em conjunto com a BlueScope Steel e BHP Billiton e a Universidade de Newcastle; Japão - Nippon Steel Corporation; Inglaterra Wire Mesh; Canadá - Canadian Centre for Mineral and Energy Technology (CANMET) Energy Research Laboratories; Espanha - DTF Drop Tube Furnace (INCAR Oviedo-ESP); Alemanha - Simulador da zona de combustão do AF da RWTH-IEHK; Brasil: UFOP, Usiminas (Ipatinga-MG) e CSN (Volta Redonda-RJ).

8 Estado da Arte simulação da injeção de carvão nos AFs Principais simuladores desenvolvidos: DTF (INCAR) Esquema DTF

9 Estado da Arte simulação da injeção de carvão nos AFs Principais simuladores desenvolvidos: RWTH-IEHK Desenho esquemático Simulador Aachen

10 Area 4 Area 3 Area 1 Estado da Arte simulação da injeção de carvão nos AFs Principais simuladores desenvolvidos: RWTH-IEHK A equação: O/C taxa de injeção: KM = WM x (18,56 + 0,05549 x WF)+ 89,07 x 02Z (0,8326 x C x O/C 0,625 x O) x RE KM - taxa de injeção (kg t-1 ferro-gusa); WM - taxa de sopro (190000ms3 h-1); WF- umidade do sopro (8g ms-3); 02Z - fluxo de oxigênio (4000 ms3 h-1); C - teor de carbono do carvão (wt% daf); O - teor de oxigênio do carvão (wt% daf); RE - produção de ferro-gusa (180 t h-1). P1 M1 Alta pressão (4 bar) O 2 E Area 2 Nitrogênio K1 M3 I M5 K3 T K2 V T P2 (1,8 bar) E: Entrada de amostra F: Coletor de residuo de amostra I: Forno de indução(1700 C) V:Forno de pré aquecimento(1100 C) K: Resfriamento M: Válvula magnética P: Medidor de pressao T: Termopar Lança de injeção Area 2 Ventaneira Area 1 Area 3 Area 4 Zona de combustão Analisador de gases - Coletor de gases M2 F M4

11 Estado da Arte simulação da injeção de carvão nos AFs Principais simuladores desenvolvidos no Brasil: USIMINAS

12 Planejamento Etapas da Construção do Simulador do LASID-UFRGS Avaliação dos modelos de simuladores existentes; Determinação do tipo de simulador desejado: configuração: horizontal x vertical; ensaio: discreto (one shot) x contínuo; acoplamento aço alumina aço; porta-amostras; instrumentação; atmosfera: O 2 x gás natural x misturas gasosas; amostras: CP x misturas carbonosas; outros detalhes técnicos. Previsão e aquisição dos equipamentos e instrumentos utilizados; Construção do equipamento.

13 Simulador Lasid-UFRGS Esquema e componentes -Equipamento - Zonas de combustão - Componentes Aço-alumina Porta amostra Coletores Char (N2) - Automatizado Tempo (P, T) - Contínuo-discreto

14 Simulador Lasid-UFRGS - Operação Purga, amostragem, pressurização, one shot e resfriamento do char

15 Cronograma Ano Semestre Revisão Bibliográfica Visitas Técnicas Planejamento Design do Simulador I (one shot) Compras de Equipamentos Construção da estrutura do Simulador Instalação dos equipamentos, instrumentação e calibração Determinação O/C à Taxa PCI; Estudo da cinética das reações no simulador Simulador I Simulações de combustão com combustíveis sólidos Simulador I Combustíveis sólidos + gasosos Design do Simulador II ( one shot + contínuo) Atualização dos sistemas de amostragem e controle de gases (II) Simulador II Combustíveis sólidos e sólidos + gasosos

16 Agradecimentos À Rede Carvão Ao CNPq pelo suporte financeiro

17 Agradecimentos Muito obrigado!

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