PROJETO DE PESQUISA 2. Carvões Brasileiros como energia para a siderurgia

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1 PROJETO DE PESQUISA 2 Carvões Brasileiros como energia para a siderurgia Grupo 7 Equipe: Prof. Dr. Eduardo do Osório Prof. Dr. Ing. Antônio Cezar Faria Vilela Dra. Janaína Machado Mestrandos: Maria Luisa Ghiggi, Juliana Pohlmann e André Machado

2 Sumário Projetos Example na área de Bullet carvão no Point LASID slide Estudo de reatividade e combustão de carvões minerais, carvão vegetal e misturas visando a injeção nos altos-fornos Tecnologia de oxi-combustão visando a injeção de carvão pulverizado Comportamento em altas temperaturas das cinzas de carvões para PCI em função da composição química e mineralógica Quantificação dos componentes carbonosos presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x Recursos humanos formados na área de carvão Equipamentos adquiridos com recursos da Rede Carvão Lista dos trabalhos publicados Visitas técnicas realizadas

3 Projetos na área de carvão no LASID

4 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Projeto em parceria com a Usina Siderúrgica Usiminas Cooperação Internacional com RWTH-Aachen Objetivos Geral Avaliar em escala de laboratório a viabilidade técnica de utilização dos carvões e misturas nas ventaneiras dos AFs. Específicos 1. Caracterização dos carvões e misturas; 2. Avaliação da reatividade em presença de CO 2 ; 3. Avaliação do comportamento em condições que simulam a zona de combustão dos AFs.

5 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Metodologia Amostras Carvão vegetal (CC), carvão nacional da Mina do Leão (BC) e carvões importados (ICA e ICB) Etapa caracterização Poder calorífico, índice de moabilidade (HGI), composição química das cinzas, análise granulométrica, análise dos macerais e poder refletor da vitrinita, análise elementar, análise imediata, difração de raios-x (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise por dispersão de energia (EDS), fusibilidade d das cinzas Etapa reatividade Ensaios em termobalança de reatividade ao CO2 via método isotérmico a 1050 C. Etapa combustibilidade Ensaios na Alemanha em simulador da zona de combustao do AF.

6 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos O 2 P1 Area 2 E M1 K1 Alta pressão (4 bar) M5 T K2 V P2 (1,8 bar) Area 3 Area 1 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 Nitrogênio I K3 T Area 4 Lança de injeção Area 2 Area 1 Area 3 Area 4 Ventaneira Zona de combustão M3 Analisador de gases - Coletor de gases M2 F M4 Simulador da zona de combustao

7 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Resultados Etapa caracterização Análise imediata (%,bsic) Análise imediata, HGI e Rr CC BC ICB MV CF Cz HGI Rr (%) Td defor. DT ( C) T esfera ST ( C) CC BC ICB Fusibilidade das cinzas Td defor. DT ( C) T esfera ST ( C) T semiesfera esfera HT HT T semi- ( C) ( C) T fluidez T fluidez FT FT ( C) ( C) BC-CC BC-ICB

8 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Resultados Etapa reatividade - termobalança nversao (%) Co 100 BC-CC CC 40 BC 20 ICB Tempo (min) BC-ICB

9 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Resultados Etapa reatividade: análise da microestrutura da mistura BC-CC gerada na gaseificação

10 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Resultados Etapa combustibilidade - simulador 70 Grau de co ombustao, % BC BC50_CC50CC50 CC ICB BC50_ICB50 Com o aumento da razão atômica O/C o grau de combustão aumenta. CC é caracterizado por uma maior grau de combustão, seguido pelo BC, ICA e ICB. 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 Razão atômica O/C

11 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Conclusões Foram observadas grandes reduções nas temperaturas características do teste de fusibilidade no caso da mistura Leão (BC) - Carvão Vegetal (CC) Resultados da termobalanca com o CO 2 mostraram que o CC reagiu totalmenteemcercade5min,obcem15eoicb em60min.quanto às misturas, um considerável desvio negativo em relação à curva de conversão calculada ocorreu na mistura BC-CC. A deposição de cinza amolecida ou fundida presente como um silicato aluminoso contendo diferentes proporções de cálcio, ferro e potássio sob o char da mistura BC-CCCC pode ter dificultado a reação de gaseificação. No simulador observou-se que CC é caracterizado por um maior grau de combustão, seguido pelo BC e ICB. Para as misturas, a combustão da mistura BC-CC foi maior em relação a BC-ICB.

12 1. Estudo de reatividade e combustão dos carvões e misturas visando a injeção nos altos-fornos Continuidade do Projeto Contrução do simulador da zona de combustão. Estudos de reatividade e avaliação da combustibilidade de amostras de carvão de Santa Catarina, do Rio Grande do Sul e misturas com carvões importados. Parceria com a Vale para avaliar comportamento t de combustão de carvões

13 2. Tecnologia de oxi-combustão visando a injeção de carvão pulverizado Objetivos Projeto de cooperação internacional com INCAR/CNPq Universal e CNPq cooperação bilateral Obtenção de chars de carvões tipicamente utilizados em PCI em atmosferas O 2 /N 2 e O 2 /CO 2 em forno de queda livre, simulando diferentes condições na zona de combustão do alto-forno; Caracterização física destes chars e avaliação da reatividade ao CO 2 em termobalança, esta simulando a reação que ocorre com o char incombusto na saída da zona de combustão.

14 2. Tecnologia de oxi-combustão visando a injeção de carvão pulverizado Metodologia Matérias-primas: Carvões de alto, médio e baixo rank importados e coque de petróleo nacional; Obtenção dos chars: Forno de queda livre a diferentes composições O 2 /N 2 e O 2 /CO 2. Determinação do burnout (eficiência da combustão) dos carvões; Caracterização física: Morfologia/textura do char em microscópio ótico de luz polarizada; Área superficial de mesoporos (adsorção de N 2 ) e área superficial de microporos (adsorção de CO 2 ); Reatividade id d em termobalança: Reatividade ao CO 2 por TGA via método isotérmico a 1000 C.

15 2. Tecnologia de oxi-combustão visando a injeção de carvão pulverizado Principais resultados O2 (s -1 ) R50% CO 1,2E-03 8,0E-04 4,0E-04 GU BW JB GU 2,5 GU 10 0,0E BW 2,5 BW 10 Burnout (%) JB 2,5 JB 10 =GU =BW =JB =PC 50 µm PC 2,5 PC 10

16 2. Tecnologia de oxi-combustão visando a injeção de carvão pulverizado Conclusões A reatividade ao CO 2 dos chars foi, em geral, mais alta quanto mais baixo o rank do carvão e tendeu a aumentar com o burnout; O aumento da reatividade com o burnout está associado ao aumento na área superficial de mesoporos; Em geral, as reatividades ao CO 2 dos chars de atmosfera convencional e de oxi-combustão obtidos com o mesmo teor de oxigênio não apresentaram diferenças significativas.

17 2. Tecnologia de oxi-combustão visando a injeção de carvão pulverizado Continuidade do Projeto Estender o estudo para chars de carvões nacionais; Aperfeiçoar as técnicas de petrografia de char e análise de área superficial através de estágio ou interações com outros grupos de pesquisa (INCAR) e aquisição de medidor de área superficial ; Obtenção de chars em um simulador da zona de combustão do alto-forno com misturas gasosas O 2 /N 2 eo 2 /CO 2.

18 3. Comportamento em altas temperaturas das cinzas de carvões para PCI em função da composição química e mineralógica Projeto em parceria com a Usina Siderúrgica AMT Objetivos Avaliar o comportamento da matéria inorgânica de diferentes carvões em altas temperaturas, relacionando-oo com as respectivas composições químicas e mineralógicas. Aprimorar a seleção de carvões empregados em PCI (do ponto de vista da matéria-mineral) de modo a proporcionar altas taxas de injeção sem instabilidades operacionais.

19 3. Comportamento em altas temperaturas das cinzas de carvões para PCI em função da composição química e mineralógica Metodologia Análise química das cinzas por FRX. Estudo qualitativo da composição mineralógica no carvão e das fases mineralógicas das cinzas por DRX. Determinação das temperaturas de fusibilidade das cinzas em microscópio de aquecimento, conforme norma DIN Aquecimento das amostras de cinzas a 1300 C e 1500 C e resfriamento em nitrogênio líquido para observação da morfologia em MEV. Ensaios de viscosidade das cinzas em viscosímetro rotacional (USA) após aquecimento até 1650 C.

20 3. Comportamento em altas temperaturas das cinzas de carvões para PCI em função da composição química e mineralógica Resultados Q = quartzo C = caulinita Q = quartzo Ad = anidrita H = hematita Af = anfibólio Análise Química das Cinzas (FRX) Componentes Carvão 1 Carvão 2 Carvão 3 Carvão 4 SiO 2 70,7 59,1 42,0 43,0 Al 2 O 3 18,5 21,0 34,2 35,0 Fe 2 O 3 5,9 7,7 8,3 4,9 MgO 0,8 2,7 1,1 1,5 CaO 0,9 2,7 4,0 6,7 Na 2 O 03 0,3 04 0,4 07 0,7 06 0,6 K 2 O 1,4 1,8 2,0 0,4 TiO 2 0,6 0,8 1,8 2,0 P 2 O 5 0,3 0,1 1,9 0,1 SO 3 0,7 3,0 1,7 3,3 Q = quartzo C = caulinita D = dolomita C = caulinita A = argila S = siderita P.F. 0,6 1,3 1,8 1,9 C = caulinita Cal = calcita a = anquerita Q = quartzo Ad = anidrita H = hematita I = ilita Q = quartzo Ad = anidrita it H = hematita I = ilita P = plagioclásio Ap = apatita Q = quartzo Ad = anidrita H = hematita I = ilita F = feldspato de K M = mulita

21 3. Comportamento em altas temperaturas das cinzas de carvões para PCI em função da composição química e mineralógica Resultados Cinzas (1300 C e N2 líquido) - MEV(500X) Testes de Fusibilidade Testes de Viscosidade Cinzas (1500 C e N2 líquido) - MEV(300X)

22 3. Comportamento em altas temperaturas das cinzas de carvões para PCI em função da composição química e mineralógica Conclusões A presença do quartzo nas cinzas contribui para mais baixas temperaturas de amolecimento, entretanto, dificulta a fluidez das cinzas. O alumínio, formador da fase caulinita no carvão, tende a elevar as temperaturas de fusibilidade e escoamento das cinzas. Os elementos K e Na influenciam o comportamento de fluidez das cinzas, sendo que o aumento desses ocasiona a formação de fases com baixas temperaturas de fusão.

23 3. Comportamento em altas temperaturas das cinzas de carvões para PCI em função da composição química e mineralógica Continuidade do Projeto Análise quantitativa da composição mineralógica dos carvões por DRX, separando a matéria mineral através de Low Temperature Ashing - LTA (equipamento a ser adquirido pela Rede Carvão). Avaliar o comportamento em altas temperaturas das cinzas obtidas com as misturas de carvões para PCI, visto que na prática raramente é injetado um tipo de carvão isoladamente. Estudar matéria mineral e cinzas de carvões nacionais e misturas com carvões importados visando uso como PCI. Validação dos resultados através de acompanhamento de parâmetros operacionais do alto-forno.

24 4. Quantificação dos componentes carbonosos presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x Projeto em parceria com a Usina Siderúrgica Usiminas Objetivos Geral: Fornecer uma ferramenta adicional para otimização do processo PCI Específicos: Identificar e quantificar os componentes carbonosos (char e finos de coque) presentes no pó de balão do AF. Estabelecer uma metodologia de utilização da DRX como técnica apropriada para distinguir estruturas carbonosas. Identificar a zona de origem dos finos de coque gerados no AF.

25 4. Quantificação dos componentes carbonosos presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x Metodologia Produzir curvas de calibração a partir de amostras de char e coque. Caracterização química e granulométrica das amostras de pó de balão, carvões e coque. Tratamento químico desmineralização. Tratamento t térmico nas amostras de coque. DRX e análise matemática dos difratogramas tamanho dos cristalitos (Lc). Obtenção de padrões de char em simulador da zona de combustão do AF em atmosfera inerte (N2).

26 4. Quantificação dos componentes carbonosos presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x Principais resultados DRX das amostras de char, coque e frações do pó de balão Lc =10,1Å Lc = 15,5Å Lc = 20,8Å Lc = 19,8Å Char (DTF) Fração < 63µm Fração 63-88µm Fração µm Lc = 20,3Å Lc = 21,1Å Lc = 19,0Å Lc = 23,0Å Fração µm Fração µm Fração > 425µm Coque Espectro de raios-x e perfil do pico 002 do carbono para as frações granulométricas do PB

27 4. Quantificação dos componentes carbonosos presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x Principais resultados Tratamento térmico: origem dos finos de coque Curva de calibração Interpolação linear C 1450 C 1350 C Tempera atura ( C) T = 7,98Lc C Padrão Padrão Parâmetro estrutural do carbono, Lc (Å)

28 4. Quantificação dos componentes carbonosos presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x Conclusões A DRX apresentou-se como técnica adequada para distinguir os materiais carbonosos do pó de balão. Identificou-se que o coque apresenta uma estrutura cristalina mais organizada que a do char -maior Lc. Com o aumento da temperatura a de tratamento to térmico das amostras de coque, observou-se o estreitamento do perfil do pico 002 e um crescimento linear do valor do Lc. As frações granulométricas do pó de balão apresentaram diferentes Lcs - distintas composições de char e coque.

29 4. Quantificação dos componentes carbonosos presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x Continuidade do Projeto Preparação de curvas de calibração com as amostras de char e finos de coque. Quantificação da proporção de char no pó de balão do AF. Implementar a análise matemática das DRX para os parâmetros estruturais das amostras carbonosas. Analisar as estruturas cristalinas de chars de carvões nacionais.

30 Recursos humanos formados na área de carvão

31 Em termos de formação de recursos humanos o projeto tem apoiado, além de bolsistas de iniciação científica (7 bolsistas), a realização de teses e dissertações de mestrado: Janaina G. M. S. Machado. Doutorado sanduíche na Alemanha. Título da Tese: Estudo de reatividade e combustão de carvões minerais, carvão vegetal e misturas. Defesa: novembro de Orientador: Antônio C.F. Vilela; PPGEM/UFRGS. Juliana Pohlmann. Titulo da Dissertação: Caracterização de chars obtidos em atmosferas convencional (O2/N2) e de oxi-combustão (O2/CO2) com vistas à injeção de carvão pulverizado em altos-fornos. Defesa prevista para maio de Orientador: Eduardo Osório; PPGEM/UFRGS. André da S. Machado. Título da Dissertação: Quantificação das partículas carbonosas presentes no pó de balão do alto-forno por difração de raios-x. Defesa prevista para agosto de Orientador: Eduardo Osório; PPGEM/UFRGS. Maria L. F. Ghiggi. Tema da dissertação: Estudo do comportamento da matéria a mineral de carvões a altas as temperaturas. as Orientador: Eduardo do Osório; PPGEM/UFRGS. Mauricio Covcevich Bagatini. Doutorado sanduíche na França. Tema: Autoredução de briquetes compostos de resíduos siderúrgicos e carvão. Orientador: Antônio C.F. Vilela; PPGEM/UFRGS.

32 Equipamentos adquiridos com recursos da Rede Carvão

33 Termobalança NETZSCH modelo STA 409 PC Luxx. Situação: instalada e utilizada na dissertação de mestrado oxi-combustão. Analisador de carvão CHNS. Situação: instalado no Leamet e prestando serviços a projetos da Rede. Equipamentos aprovados a espera de recursos: Analisador de gases para termobalança Analisador de área superficial Construção de simulador da zona de combustão.

34 Lista dos trabalhos publicados

35 Artigos em Congressos 1. The Evaluation of the Fluidity Behavior of PCI Coal Ashes in Function of Chemical and Mineralogical Composition. Maurício C. Bagatini, Maria L. F. Ghiggi, Eduardo Osório, Antônio C. F. Vilela, Guilherme Defendi e Roberto Cruz. Seminário Internacional do IAS, 2007, Rosário, Argentina. 2. Tracing the combustion of coal blends in a thermobalance by optical microscopy. E. Osorio, M.L.F. Ghiggi, A.C.F. Vilela, W.D. Kalkreuth, D. Alvarez and A.G. Borrego. International Conference on Coal Science &Technology, 2007, Nottingham, Inglaterra. 3. Estudo da combustão de misturas do carvão Faxinal com coque de petróleo por TGA e microscopia ótica. Maria L.F. Ghiggi, Eduardo Osório, Antônio C. F. Vilela, Wolfgang D. Kalkreuth, Diego Alvarez, Angeles G. Borrego. Seminário de Redução de Minério de Ferro e Matérias-Primas, 2007, Salvador. 4. Development of combustion knowledge and ash behaviour of pulverized coals injected in ArcelorMittal Tubarao blast furnaces. G. Defendi, R. da Cruz, M. Correa, F. Fujjihara, R. Rezende (ArcelorMittal Tubarao), E. Osorio (UFRGS) R. Parreiras (UFMG). 28es Journees Siderurgiques Internationales. Associacion Technique de la Siderurgie Française ATS, 2007, Paris. 5. High temperature behavior of PCI coal ashes as function of chemical and mineralogical composition-experimental and computational analysis. Maurício C. Bagatini, Jeferson Klug, Maria Luisa F.Ghiggi, Nestor Heck, Eduardo Osório, Antônio C F.Vilela. 7th Japan-Brazil Symposium on Dust Processing Energy-Environment in Metallurgical Industries. São Paulo- SP, Consumption of coals and charcoal by secondary reactions when injecting into blast furnace. J. Machado, E. Osório, A. Vilela, A. Babich, D. Senk, H.-W. Gudenau. 3rd International Meeting on Ironmaking da ABM, 2008, São Luís-Ma. 7. Development of combustion and ash behavior of pulverized coals injected in ArcellorMittal Tubarão blast furnace. Jorge I. Gushiken, Mauro C. da Silva, Ricardo T. Barros, Roberto da Cruz, Roney Rezende, Eduardo Osório, Maurício Bagatini. 3rd International Meeting on Ironmaking da ABM, 2008, São Luís-Ma. 8. Estudo de reatividade e combustão de carvões minerais, carvão vegetal e misturas. Janaína Machado, Eduardo Osório, Antônio Vilela, Alexander Babich, Dieter Senk, Heinrich Wilhelm Gudenau. Seminário de Redução de Minério de Ferro e Matérias-Primas, 2009, Ouro Preto, MG. 9. Identificação dos finos de coque e char no pó de balão do alto forno por drx. André da S. Machado André S. Mexias, Antonio C.F. Vilela, Eduardo Osório. Seminário de Redução de Minério de Ferro e Matérias-primas, 2009, Ouro Preto, MG. 10. Identification of coal char and coke fines proportion in the off gas blast furnace dust by x-ray diffraction. André da S. Machado, André S. Mexias, Antonio C.F. Vilela,Eduardo Osório. Joint 61st ICCP/ 26th TSOP Meeting, 2009, Gramado, RS. 11. Evaluation of the CO2 reactivity of chars obtained in a drop tube furnace (DTF) under O2/N2 and O2/CO2 atmospheres. Juliana G. Pohlmann, Angeles G. Borrego, Antônio C. F. Vilela, Eduardo Osório. Joint 61st ICCP/ 26th TSOP Meeting, 2009, Gramado, RS.

36 Artigos em Revistas 1. Etd Estudo da fusibilidade d das cinzas de carvões em função da composição iã química e mineralógica. i M. Bagatini, M. L. Ghiggi, E. Osório, A.Vilela, G. Defendi, Roberto Cruz. Tecnologia em Metalurgia e Materiais, São Paulo,v.3 nº4, Non-isothermal combustion behaviour of coal blends in a thermobalance as seen by optical microscopy. E. Osório, M.L.F. Ghiggi, A.C.F. Vilela, W.D. Kalkreuth, A.G. Borrego. Thermochimica Acta 475 (2008) Development of knowledge on combustion and ash behavior of pulverized coals injected in ArcelorMittal Tubarão blast furnaces. G.-A. Defendi, F.-K. Fujihara, M. Correa, R. Cruz, R. Rezende, E. Osório and R. Parreiras. Revue de Métallurgie No. 7-8 (2008), The behaviour of coal ashes for PCI at high temperatures in relation to their chemical and mineralogical composition experimental and computational analysis. M. C. Bagatini, J. K., N. Heck, E. Osório, R. Cruz, A. C. F. Vilela. l Iron&Steelmaking. Nº 8 (2009), Study of the reactivity and conversion behaviour of Brazilian and imported coals, charcoal and blends aiming to their injection into blast furnaces. Janaína Gonçalves M. S. Machado, Eduardo Osório, Antônio C. F. Vilela, Alexander Babich, Dieter Senk, Heinrich Wilhelm Gudenau. Steel Research Int., 81 (2010), No. 1. Notas Técnicas - CGEE Estudo Prospectivo do Setor Siderúrgico Brasileiro: Carvão e Coque - Viabilização do Carvão Brasileiro, Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, Brasília, Recomendações para Inovação Tecnológica na Siderurgia do Brasil - Documento propositivo, Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, Brasília, 2009

37 Viagens Internacionais Visitas técnicas Congressos

38 Visitas Técnicas Visita técnica ao Instituto de Siderurgia (IEHK) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH), Alemanha. Encaminhamento do doutorado o sanduiche e dos testes em simulador de combustão. Visita técnica à École Centrale Paris, França. Estabelecimento de parceria para realização de doutorado sanduiche. Visita técnica à Universidade Técnica de Berlim, Alemanha. Parceria para futuro projeto de coqueificação stampcharging utilizando misturas de carvões com biomassas. Visita técnica à Universidade Técnica de Cottbus, Alemanha. Visita planta piloto Oxy-fuel e discussão do projeto de oxi- combustão do CNPq/CT-ENERG da CIENTEC/LASID.

39 Participações em Congressos Internacionais International Conference on Coal Science & Technology, Nottingham - Inglaterra, Trabalhos apresentados: - Char refiring under O 2 /N 2 and O 2 /CO 2 atmospheres. Implication for PCI injection in blast furnace. - Tracing the combustion of coal blends in a thermobalance by optical microscopy. The 5 International Congresso on The Science and Technology of Ironmaking, Shanghai h China, Trabalho apresentado: -Study of The Behavior of Biomass, Coal and Mixtures at Their Injection Into Blast Furnaces.

40 Agradecimentos À Rede Carvão

41 Obrigada!