Lesly Jeaneth Maman Paco Modelamento 3D Multfásco Multcomponentes da Auto-Redução em Forno de Cuba TESE DE DOUTORADO Tese apresentada como requsto parcal para obtenção do título de Doutor pelo programa de Engenhara de Materas e de Processos Químcos e Metalúrgcos do Departamento Engenhara de Materas da PUC-Ro. Orentador: José Carlos D'Abreu Co-orentador: José Adlson de Castro Ro de Janero, Julho de 2009
2 Lesly Jeaneth Maman Paco Modelamento 3D Multfásco Multcomponentes da Auto-Redução em Forno de Cuba Tese apresentada como requsto parcal para obtenção do título de Doutor pelo programa de Engenhara de Materas e de Processos Químcos e Metalúrgcos do Departamento Engenhara de Materas da PUC-Ro. Aprovada pela Comssão Examnadora abaxo assnada. Prof. José Carlos D'Abreu Orentador Departamento de Cênca dos Materas e Metalurga - PUC-Ro Prof. José Adlson de Castro Co-orentador EEIMVR / UFF- Unversdade Federal Flumnense Dr. Hélo Marques Kohler Consultor Independente Prof. Francsco José Moura Departamento de Cênca dos Materas e Metalurga PUC-Ro Prof. Roberto José de Carvalho Departamento de Cênca dos Materas e Metalurga PUC-Ro Prof. José Eugeno Leal Coordenador Setoral do Centro Técnco Centífco - PUC-Ro Ro de Janero, Julho de 2009
3 Todos os dretos reservados. É probda a reprodução total ou parcal do trabalho sem autorzação da unversdade, da autora e do orentador. Lesly Jeaneth Maman Paco Graduou-se em Engenhara Químca na UNSA (Unversdade Naconal de San Agustín) em Arequpa, Perú, no ano de 2000; e obte-ve o título de Mestre em Engenhara Metalúrgca na Pontfíca Unversdade Católca do Ro de Janero, PUC-Ro, no ano de 2005. Fcha Catalográfca Paco, Lesly Jeaneth Maman Modelamento 3D multfásco multcomponentes da auto-redução em forno de cuba / Lesly Jeaneth Maman Paco ; orentador: José Carlos D Abreu ; co-orentador: José Adlson de Castro. 2009. 153 f. ; 30 cm Tese (Doutorado em Engenhara de Materas) Pontfíca Unversdade Católca do Ro de Janero, Ro de Janero, 2009. Inclu bblografa 1. Engenhara de materas Teses. 2. Autoredução. 3. Sderurga. 4. Modelamento matemátco. I. D Abreu, José Carlos. II. Castro, José Adlson de. III. Pontfíca Unversdade Católca do Ro de Janero. Departamento de Engenhara de Materas. IV. Título. CDD: 620.11
Para uma saba e admrável mãe, Juana Para um pa generoso e sobre tudo amgo, Eusebo Para quem me demonstra no da a da que o amor exste, Omar Para meu pequeno príncpe Sebastan Para uns amgos ncondconas, Edgar e Yovana 4
5 Agradecmentos Prmeramente a Deus, pela saúde e perseverança, as quas foram essencas para a elaboração deste trabalho. A mnha famíla pela auda ncondconal que todos me brndaram para fazer possível o termno deste trabalho. Muto obrgado pela compreensão e carnho. Ao Prof. José Carlos D Abreu pela orentação, pacênca e ensnamentos durante a realzação deste trabalho. Ao Prof. José Adlson de Castro pela orentação, ncentvo à realzação deste trabalho e boa vontade nos momentos dfíces. À PUC-Ro, através da Vce Retora Acadêmca (VRAc), pelos auxílos conceddos, sem os quas este trabalho não podera ter sdo realzado À Coordenadora de Aperfeçoamento de Pessoal de Nível Superor-CAPES, pela bolsa de ncentvo à pesqusa. Aos professores e funconáros do DCMM, pelos conhecmentos transmtdos e apoo admnstratvo. À todo o pessoal do departamento DCMM pela oportundade e amzade. Aos meus amgos pelos momentos compartlhados.
6 Resumo Maman Paco, Lesly Jeaneth. Modelamento 3D Multfásco Multcomponentes da Auto-Redução em Forno de Cuba. Ro de Janero, 2009. 153 p. Tese de Doutorado - Departamento de Cênca dos Materas e Metalurga, Pontfíca Unversdade Católca do Ro de Janero. O desenvolvmento de novos processos de redução capazes de utlzar como matéras prmas resíduos mnero-metalúrgcos, ou baseados na aglomeração a fro de msturas auto-redutoras (Fastmet, ITmk3, Tecnored) tem mostrado ser uma alternatva aos processos convenconas, sendo o prncpal deles o alto forno. Neste contexto, torna-se mportante uma análse aprofundada dos processos operando com aglomerados auto-redutores, tas como os que utlzam os reatores RHF e os fornos de cuba. O presente trabalho obetvou o desenvolvmento de um modelo matemátco capaz de smular as condções da zona de redução sólda de um forno de cuba (regão superor), que utlza aglomerado auto-redutor como carga ferrosa. Este modelo permte consderar três fases (sólda e duas fases gasosas) nteragndo smultaneamente, va a transferênca de quantdade de movmento, energa e massa. Sua fenomenologa fo representada por equações de transporte, resolvdas com base no método de volumes fntos. A solução computaconal fo feta através de códgo desenvolvdo em lnguagem de programação Fortran e a geração gráfca dos resultados realzada através do programa Tecplot. As fases consderadas no modelo desenvolvdo foram: ) fase sólda: consttuída por brquetes autoredutores e o combustível sóldo (booster - fração adconada untamente com a carga de aglomerados) e, ) fase gasosa: formada pelo chamado gás exteror, consttuído por um conunto de gases que reagem na parte externa dos aglomerados (prncpalmente pelo gás de baxo, orundo da parte nferor do forno, e pelo sopro nas ventaneras secundáras - V2) e pelo denomnado gás nteror, consttuído pelo conunto de gases gerados no nteror do aglomerado auto-redutor, resultantes de uma sére de reações prevstas em sua fenomenologa. O modelo consdera 25 reações dentre as quas estão as reações de redução, gasefcação do carvão e combustão do carvão, CO, volátes, enxofre e do polssacarídeo, alem da formação do FeS. Fo possível estudar a nfluênca da varação da vazão da V2, da temperatura e da vazão do
7 gás de baxo, da taxa de almentação do brquete e da perda de calor pelas paredes do forno. Os resultados, apresentados grafcamente, foram: temperaturas do sóldo, do gás exteror e do gás nteror ; as condções de redução na atmosfera gasosa (CO do gás exteror, CO do gás nteror, CO 2 do gás exteror, CO 2 do gás nteror ); a dstrbução dos óxdos de ferro préreduzdos e do Fe metálco e a dstrbução do grau de redução. Além dsso, parâmetros operaconas tas como produção, tempo de resdênca dos sóldos, volume das fases gasosas, assm como sua composção foram calculados pelo modelo. A partr dessas nformações fo possível obter a metalzação e, o volume, a temperatura e a composção meda do gás de topo. Fnalmente, eles demonstraram que a smulação computaconal desenvolvda é uma poderosa ferramenta para análse dos parâmetros operaconas da auto-redução em forno de cuba, de custo relatvamente baxo e capazes de otmzar o processo estudado. Palavras-chave Auto-Redução; Sderurga; Modelamento Matemátco.
8 Abstract Maman Paco, Lesly Jeaneth. 3D Multphasc and Multcomponent Modellng of Self-Reducng n a Shaft Furnace. Ro de Janero, 2009. 153p. Thess of Doutorado Department of Materals Scence and Metallurgy, Pontfcal Catholc Unversty of Ro de Janero. The development of new reducton processes capable to use as raw materals mnng and metallurgcal resdues, or based n cold agglomeraton of self reducng mxtures (Fastmet, ITmk3, Tecnored) s regarded nowadays as an alternatve to conventonal processes, beng the prncpal of these the blast furnace. In ths context t becomes vtal to analyze the behavor of processes operatng wth self-reducng agglomerates, as those utlzng the RHF and shaft furnaces. The present work ams at the development of a mathematcal model capable to smulate the sold state reducton zone condtons of a shaft furnace (upper zone) that utlzes self-reducng agglomerates as the ron source. Ths model s capable of treatng three phases, nteractng smultaneously and transferrng momentum, energy and mass. The set of phenomenologcal transport equatons are treated through the fnte volume method. The computatonal soluton s acheved by the means of a software code developed n Fortran programmng language and further, the graphcal generaton of the results, carred through the Tecplot program. The consdered phases for the model are frstly the sold phase consstng n self-reducng agglomerates and a sold fuel (booster added together wth the agglomerate). Secondly, the gaseous phase, formed by a external gas, whch consttutes on a set of gases that react n the external part of the agglomerates (manly made out by the low gas mxture of gases comng from the bottom part of the furnace, blended wth the gases blew n the secondary level of tuyeres - V2), and a nternal gas, another gaseous phase, consstng on the set of gases generated nsde the self-reducng agglomerate as the result of a seres of foreseen reactons. The model takes nto account 25 reactons, amongst whch are the reducton reactons, gasfcaton of the coal, the combustons of coal, CO, volatles, sulfur and polysaccharde and consderng also the FeS formaton. The model permtted the study of the V2 temperature, low gas temperature, low gas flow, agglomerate feed rate and
9 wall heat lost nfluence on the process. The results, here graphcally presented, are: sold, external gas and nternal gas temperatures; reducton condtons n the gaseous atmosphere (CO n external gas, CO n nternal gas, CO 2 n external gas, CO 2 of the nternal gas ); profle of pre-reduced ron oxdes and Fe metallc and; dstrbuton profle of the reducton degree. Moreover, operatonal parameters such as producton, the resdence tme of solds, the volume of the gas phase, as well as ts composton had been calculated by the model. From ths nformaton t was possble to compute the metallzaton, the volume, the temperature and the composton of the top gas. Those results confrmed that the computatonal smulaton s a powerful tool for the shaft furnace operatonal parameters analyss. Keywords Self-Reducng; Ironmakng; Mathematcal Modellng.
10 Sumáro 1 Introdução. 19 2 Obetvos e Relevânca do trabalho. 21 3 Revsão Bblográfca 23 3.1. Fundamentação teórca dos processos da Auto-redução 23 3.1.1. Termodnâmca da auto-redução. 23 3.1.2. Cnétca da auto-redução 26 3.1.3. Cnétca da reação de boudouard 32 3.1.4. Aglomerado Auto-redutor. 33 3.1.5. Processos emergentes 38 3.1.6. Comportamento do enxofre na cuba 43 3.1.6.1. Cnétca das reações do enxofre 48 3.2. Modelamento matemátco do processo de redução 50 3.2.1. Modelos matemátcos baseados no conceto mult-fludo 53 3.2.1.1. Modelamento matemátco consderando quatro fludos em um leto compacto 54 3.2.1.2. Modelo matemátco no estado transente para um alto forno baseado no conceto mult-fludo. 58 3.2.1.3. Modelo matemátco mult-dmensonal no estado transente para o alto forno baseado no conceto mult fludo 60 3.2.1.4. Analse numérca de operações novadoras no alto forno através do modelo matemátco baseado na teora mult-fludo 62 3.2.1.5. Contrbução à smulação matemátca do processo de redução dreta em fornos de cuba 64 3.2.1.6. Análse da neção de dferentes msturas de carvões utlzando o modelo total do alto forno 65 3.3. Modelamento da auto-redução dos óxdos de ferro 66 3.3.1. Modelo matemátco do processo Tecnored Cuba Superor 66 3.3.2. Modelamento e smulação computaconal da auto- redução por volumes fntos de um forno de cuba 70 3.3.3. Modelo termoquímco da auto-redução em fornos de cuba 73
11 4 Desenvolvmento do modelo 80 4.1. Equpamentos e nfra-estrutura. 80 4.2. Formulação do modelo. 80 4.2.1. A conservação da espéce químca. 81 4.2.2. Conservação de massa global 82 4.2.3. A conservação da energa 82 4.2.4. A conservação de movmento 83 4.3. Fases consderadas. 83 4.4. Termos fonte 85 4.4.1. Fontes de massa 85 4.4.2. Fonte das equações de momento 100 4.4.3. Fonte das equações de energa 101 4.5. Propredades das fases 101 4.5.1. Propredades do gás 101 4.5.2. Propredades do sóldo 103 4.6. Premssas para a construção do modelo. 104 4.7. Esquema do modelo 105 5 Resultados e Dscussão 106 5.1. Descrção do forno modelado 106 5.2. Dados consderados para o programa (Caso Base ). 108 5.3. Dados de entrada para o modelo (Caso Base) 109 5.4. Parâmetros avalados 112 5.5. Gráfcos gerados 112 5.5.1. Caso Base 113 5.5.2. Casos comparatvos 116 5.6. Análse dos resultados 128 5.6.1. Composção dos produtos sóldos 128 5.6.2. Dados operaconas do gás de topo 129 5.6.3. Parâmetros operaconas gerados 133 6 Conclusões 136 7 Referêncas Bblográfcas. 139 8 Apêndces 146
12 Lsta de fguras Fgura 1 Dagrama de predomnânca Fe-C-O e Dagrama de Boudouard, mostrando o efeto da varação da pressão sobre o equlíbro da reação de Boudouard 24 Fgura 2 - Etapas da auto-redução 28 Fgura 3 - Aglomerado Auto-redutor 34 Fgura 4 Processo Tecnored 43 Fgura 5 - Comportamento da partícula de combustível durante a reação. 50 Fgura 6: Esquema de cálculo do modelo. 68 Fgura 7 -. Exemplo básco dos resultados do software 70 Fgura 8 - Campo de temperatura para o gás no forno de cuba 71 Fgura 9 - Dstrbução da composção do CO no forno de cuba 72 Fgura 10 Dvsão do forno em zonas 76 Fgura 11 - Resultados da smulação de um Caso Base 79 Fgura 12 Esquema do modelo 105 Fgura 13 Gráfco de um Forno de Auto-redução ndcando a parte do forno modelado 107 Fgura 14 Malha de volumes fntos assocada à cuba superor de um forno de autoredução. 107 Fgura 15: Dados consderados para o programa (Caso Base) 108 Fgura 16: Prncpas dados de entrada para o modelo (Caso Base) 111 Fgura 17 - Evolução das temperaturas no nteror do forno de auto-redução para o caso base. 113 Fgura 18 - Condções de redução na atmosfera gasosa do caso base 114 Fgura 19 - Evolução dos óxdos de ferro e do Fe metálco para as dversas etapas de autoredução do caso base 115 Fgura 20 - Evolução do grau de redução para o caso base 116 Fgura 21 - Gráfcos mas representvos para o caso 1 117 Fgura 22 - Gráfcos mas representvos para o caso 2 118 Fgura 23 - Gráfcos mas representvos para o caso 3 120 Fgura 24 - Gráfcos mas representvos para o caso 4 121 Fgura 25 - Gráfcos mas representvos para o caso 5 123 Fgura 26 - Gráfcos mas representvos para o caso 6. 124 Fgura 27 - Gráfcos mas representvos para o caso 7 125 Fgura 28 - Gráfcos mas representvos para o caso 8 127
13 Fgura 29 - Volume do gás de topo 131 Fgura 30 - Temperatura meda do gás de topo 132 Fgura 31 - Relação CO/CO 2 do gás de topo 132 Fgura 32 - Grau de redução 134 Fgura 33 - Metalzação 135
14 Lsta de tabelas Tabela 1: Prncpas parâmetros operaconas 72 Tabela 2: Modelo Trfásco proposto para descrever a cuba superor do processo de autoredução. 85 Tabela 3: Termos fonte para a fração mássca de espéces químcas 86 Tabela 4: Redução pelo CO 87 Tabela 5: Taxa para redução pelo H 2 89 Tabela 6: Taxa para a combustão do carbono 90 Tabela 7: Taxa da Reação de Boudouard 91 Tabela 8: Taxa da Reação Water gás reacton 92 Tabela 9: Taxa da Reação Water gás shft reacton 92 Tabela 10: Taxa para Combustão de volátes: 93 Tabela 11: Taxa da combustão do enxofre 94 Tabela 12: Taxa da gasefcação do enxofre 96 Tabela 13: Taxa da reação do SO 2 com hdrogêno 97 Tabela 14: Formação do FeS 98 Tabela 15: Combustão do C 12 H 22 O 11 98 Tabela 16: Combustão do CO 99 Tabela 17: Redução dreta pelo C 99 Tabela 18: Calcnação do CaCO 3 100 Tabela 19: Termos fonte de momento 100 Tabela 20: Termos fonte de Energa 101 Tabela 21: Característcas da metade do forno consderado no modelo 106 Tabela 22: Característcas das fases 109 Tabela 23: Temperaturas de níco da reação 109 Tabela 24: Composção da matéra volátl do booster 109 Tabela 25: Composção da matéra volátl do brquete 110 Tabela 26: Composção do aglomerado auto-redutor e dos carvões 110 Tabela 27: Dados do caso base 112 Tabela 28: Casos comparatvos 112 Tabela 29: Composção químca do DRI [%] 128 Tabela 30: Composção químca do char [%] 128 Tabela 31: Dados operaconas do gás de topo 129 Tabela 32: Composção do gás de topo ( gás exteror e gás nteror ) 130
15 Tabela 33: Composção meda do gás de topo 130 Tabela 34: Parâmetros operaconas 133
16 Lsta de Abrevaturas, Sglas e Símbolos A : Área superfcal dos sóldos [m -1 ] A : Área de contato entre as fases e [m -1 ] a : Coefcentes para as equações de C P [J/kg.K] b : Coefcentes para as equações de C [J/kg.K 2 ] P C P, : Capacdade térmca da substânca [J/kg.K] c : Coefcentes para as equações de C [-] P T D, : Dfusvdade bnára para a espéce e [m/s 2 ] d : Dâmetro da partícula para a fase [m] E : Transferênca de calor convectvo entre as fases e [W/m 3 ] e : Emssvdade da fase [-] F : Transferênca de movmento entre as fases e [N/m 3 ] F m : Resstênca do componente sóldo m ao fluxo do gás [kg/m 4 ] f m : Fração volumétrca do componente m na fase sólda [-] H : Entalpa da fase [J/kg] T H, : Calor de formação da espéce na fase à temperatura T [J/kg]
17 h : Coefcente de transferênca de calor entre as fases e [W/m 2.K] k Boltzman : Constante de Boltzman [J/K] k : Condutvdade térmca da fase [W/m.K] k flm, : Resstênca à transferênca de massa no flme para espéces K eq Constante de equlíbro [-] [m/s] M : Peso molecular da espéce [kg/kmol] P : Pressão da fase [Pa] Pr : Número de Prandtl para as fases e [-] R n : Taxa da reação n [kmol/m 3 s] Re : Número de Reynolds para as fases e [-] Sh : Número de Sherwood para a fase [-] S : Termo fonte [-] T : t : Temperatura da fase tempo U : Vetor velocdade da fase [m/s] w : Parâmetro estequométrco da wustta [-] ( ) : Fração mássca da espéce [-] y, : Fração molar da espéce na fase [-] [K] [s]
18 Símbolos gregos µ : : : Coefcente de transferênca [-] : Fração volumétrca da fase [-] : Energa molecular característca de nteração para a espéce [J] Vscosdade da fase Colsão ntegral : Dâmetro característco da molécula (dâmetro de colsão) [A o ] m : Fator de tortuosdade de poros para o componente m [-] [Pa.s] : Densdade da fase [kg/m 3 ] : Varável dependente [-] : Fator de forma para a fase [-] [-] Sobrescrto e subscrto g: Gás exteror, gás nteror s: Sóldos