Produção de ferro sustentável
A indústria de ferro e aço, uma das mais intensivas em energia, é também a maior emissora de CO2 entre as indústrias pesadas, liberando cerca de 2800 Mt de CO2 anualmente, o que representa 8% das emissões globais do sistema energético. Com a demanda mundial por aço projetada para crescer mais de um terço até 2050, torna-se imperativo que o setor adote tecnologias de descarbonização para atingir metas climáticas e alinhá-las aos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) de energia, indústria e ação climática (ODS 7, 9, 13).
A produção de ferro-gusa, essencial na cadeia de suprimentos de aço, é responsável por quase 80% das emissões de CO2 da indústria, principalmente devido ao uso de coque fóssil como fonte de calor e agente redutor no método de alto-forno-forno de oxigênio básico (BF-BOF).
Reduzindo CO2 com Biomassa de Madeira
Várias modificações de processo foram desenvolvidas para melhorar a eficiência dos altos-fornos e reduzir as emissões de CO2. Estas incluem a transição para tecnologias de baixo carbono, como a utilização de fornos elétricos a arco com sucata ou rotas de ferro-esponja. No entanto, a vida útil dos altos-fornos está encurtando, e muitas melhorias de processo já atingiram seus limites. Assim, a questão de quais medidas podem ser implementadas até 2050 para um processo de alto-forno de baixo carbono tem atraído atenção. Uma solução promissora é o uso de agentes redutores à base de resíduos de biomassa de madeira (bio-redutores) nos altos-fornos, visando reduzir a dependência de energia fóssil e as emissões de CO2.
Resíduos de biomassa de madeira, normalmente materiais vegetais de florestas sem valor comercial significativo, possuem menor teor de carbono em comparação aos agentes redutores fósseis. Portanto, é necessário melhorar esses resíduos para um material com maior teor de carbono, ou seja, seus derivados ou subprodutos de valor agregado, utilizando diversas tecnologias de conversão termoquímica. Essas tecnologias permitem converter resíduos de biomassa em bio-redutores sólidos, líquidos e gasosos, que podem ser mais eficazmente utilizados nas indústrias metalúrgica e química.
Aplicações de Bio-redutores
A principal função dos agentes redutores no processo de fabricação de ferro em alto-forno é fornecer gases que removem o oxigênio do óxido de ferro, alcançando isso pelo alto teor de carbono nos bio-redutores. Além disso, os bio-redutores fornecem calor através da combustão do carbono com ar quente. Normalmente usados como agentes redutores auxiliares, os bio-redutores não podem substituir totalmente o coque devido à sua menor resistência a altas temperaturas.
O carvão vegetal, derivado de resíduos de madeira através da pirólise lenta, é altamente carbonizado e possui propriedades comparáveis ao coque e carvão pulverizado usados nos altos-fornos. Estudos indicam que a adição de carvão vegetal pode aumentar a queima e a reatividade do coque com CO2, diminuindo o volume de escória e a taxa de coque, e aumentando a produtividade do ferro-gusa.
Para bio-redutores líquidos, o bio-óleo produzido pela pirólise rápida da biomassa é uma opção devido às suas propriedades semelhantes ao óleo pesado fóssil. A composição do bio-óleo, variando com a natureza dos resíduos de biomassa, e uma taxa de injeção de 140 kg resultam em um consumo estimado de 455 kg de coque, conforme modelagem matemática.
O bio-syngas, produzido pela gaseificação de resíduos de biomassa, é um bio-redutor gasoso contendo H2 e CO, tornando-se um dos agentes redutores auxiliares mais amplamente usados. Suas propriedades e rentabilidade dependem da qualidade da matéria-prima e dos parâmetros do processo de gaseificação. Para aumentar o teor de H2 e CO, o tamanho das partículas e a umidade da biomassa são controlados antes da gaseificação.
Modelagem de Processos
Para avaliar a validade dos derivados de resíduos de biomassa ricos em lignina usados nos altos-fornos e comparar a capacidade dos bio-redutores de substituir o coque e reduzir as emissões de CO2, modelos de balanço de massa e calor (HMB) são essenciais. Esses modelos ajudam a projetar a taxa de entrada da operação do alto-forno com novos agentes redutores sustentáveis. A maioria dos modelos HMB separa o forno em zonas/estágios baseados nas reações químicas de redução do óxido de ferro.
Embora a literatura anterior resuma a substituição de agentes redutores fósseis por bio-redutores no processo de fabricação de ferro, há uma escassez de análise sobre como gerenciar as emissões inerentes de CO2 dos próprios bio-redutores. Além disso, estudos anteriores focaram nas variações nas quantidades de bio-redutores e raramente relataram os efeitos da composição específica desses bio-redutores nas emissões de CO2 e substituição do coque nos altos-fornos.
Conclusão
Este estudo explora o potencial de três derivados de resíduos de biomassa de madeira como agentes redutores no processo de fabricação de ferro em alto-forno. Usando um modelo HMB baseado na minimização da energia livre de Gibbs, investigamos os efeitos das composições específicas de carvão vegetal, bio-óleo e bio-syngas na operação do alto-forno, nas emissões de CO2 e na substituição do coque.
Também estimamos o impacto do gás rico em H2 produzido a partir da gaseificação de resíduos de biomassa na operação do alto-forno. Além disso, avaliamos a disponibilidade de matéria-prima de resíduos de biomassa de madeira para contribuir para a futura produção e aplicação de bio-redutores no processo de fabricação de ferro em alto-forno, considerando a produção mundial de ferro-gusa e a eficiência de conversão de resíduos de biomassa.
