BR112016012587B1 - método para reduzir as emissões de co2 na operação de uma fábrica metalúrgica - Google Patents

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Abstract

MÉTODO PARA REDUZIR AS EMISSÕES DE CO2 NA OPERAÇÃO DE UMA FÁBRICA METALÚRGICA. A invenção refere-se a um método para reduzir as emissões de CO2 na operação de uma fábrica metalúrgica constituída por pelo menos um alto-forno para a produção de gusa e um conversor siderúrgico para a produção de aço bruto. De acordo com a invenção, pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo de alto-forno que ocorre no alto-forno durante a produção de gusa, e/ou uma quantidade parcial do gás do conversor que ocorre na produção de aço bruto, é utilizada na produção de gás de síntese, o qual é usado na produção de produtos químicos. Simultaneamente, as necessidades de energia da fábrica metalúrgica são pelo menos parcialmente cobertas pela utilização de eletricidade obtida a partir de energias renováveis.

Description

[001] A invenção refere-se a um método para reduzir as emissões de CO2 na operação de uma fábrica metalúrgica constituída por pelo menos um alto- forno para a produção de gusa e um conversor siderúrgico para a produção de aço bruto.
[002] A gusa é obtida no alto-forno a partir de minérios de ferro, aditivos e também de coque e outros agentes redutores, tais como carvão, óleo, gás, biomassa, resíduos plásticos reciclados ou outras substâncias contendo carbono e/ou hidrogênio. CO, CO2, hidrogênio e vapor de água ocorrem inevitavelmente como produtos das reações de redução. Além dos constituintes atrás referidos, o gás de topo do alto-forno retirado do processo de alto-forno apresenta frequentemente um elevado teor de azoto. A quantidade e a composição do gás de topo do alto-forno dependem da matéria-prima e do modo de operação e estão sujeitas a variações. Tipicamente, no entanto, o gás de topo do alto-forno contém de 35 a 60% em volume de N2, de 20 a 30% em volume de CO, de 20 a 30% em volume de CO2 e de 2 a 15% em volume de H2. Cerca de 30 a 40% do gás de topo de alto forno gerado na produção de gusa é geralmente usado para aquecer, em aquecedores de ar, o ar quente destinado ao processo de alto-forno; a quantidade restante do gás de topo pode ser utilizada noutras áreas de operação para fins de aquecimento ou geração de eletricidade.
[003] Na operação do conversor siderúrgico, o qual está disposto a jusante do processo de alto forno, a gusa é convertida em aço bruto. Ao introduzir oxigênio na gusa líquida, são removidas impurezas problemáticas tais como carbono, silício, enxofre e fósforo. Uma vez que os processos de oxidação causam um intenso desenvolvimento de calor, adiciona-se frequentemente sucata, em quantidades de até 25% em relação à gusa, que atua como agente de arrefecimento. Além disso, adiciona-se cal para formar a escória, e um agente de liga. Um gás de conversor com um alto teor de CO e contendo também azoto, hidrogênio e CO2, é retirado do conversor de aço. Uma composição típica do gás de conversor consiste em 50 a 70% em volume de CO, 10 a 20% em volume de N2, cerca de 15% em volume de CO2 e cerca de 2% em volume de H2. O gás de conversor é queimado ou, no caso de uma siderurgia moderna, é capturado e transferido para ser utilizado no fornecimento de energia.
[004] O método de produção de gusa no alto-forno e produção de aço bruto em um conversor conduz inevitavelmente a emissões de CO2 relacionadas com o processo. Após a operação metalúrgica do alto-forno ter consumido o teor de matéria-prima, e depois de os teores residuais, que são inevitáveis por razões de termodinâmica, de monóxido de carbono, em particular, terem sido utilizados para fornecer energia, eventualmente todo o carbono introduzido é emitido como dióxido de carbono. O objetivo é reduzir a emissão dos climaticamente prejudiciais gases de CO2. O uso de material pré- reduzido ou metálico é possível, mas só serão alcançadas vantagens se as emissões de CO2 que ocorrem na produção destas substâncias forem baixas. O uso de fontes de energia renováveis, por exemplo carvão ou óleo de colza, como materiais contendo carbono para o processo de alto-forno, só é adequado à consecução do objetivo se ao mesmo tempo for compensado o consumo de CO2 das culturas durante o crescimento. P. Schmole (Stahl and Eisen [steel and iron] 124, 2004, n.° 5, páginas 27 a 32), salienta que ao introduzir produtos associados internos de uma fábrica, como por exemplo gás de coque, na tubeira de altos-fornos, menores emissões de CO2 poderão ser permitidas se - assumindo um balanço energético fechado de uma fábrica metalúrgica - a energia do gás de coque consumida no alto-forno for compensada pela aquisição de eletricidade obtida a partir de fontes renováveis de energia.
[005] De acordo com o ensino prevalecente, uma melhoria no balanço de CO2 na produção de gusa e aço bruto pressupõe alterações no método relativas à operação do alto-forno. Estas incluem, por exemplo, uma operação do alto-forno isenta de azoto, em que oxigênio frio é introduzido ao nível da tubeira em vez de ar quente, e a maior parte do gás de topo é alimentada a uma lavagem de CO2. Tem também sido proposto o aquecimento do alto-forno com plasma. O processo de alto-forno aquecido por plasma não requer ar quente nem oxigênio, nem qualquer outro agente redutor substituto adicional. Contudo, a introdução de novos métodos de alto-forno é uma interferência importante nas muito experimentadas e testadas tecnologias de produção de gusa e aço bruto e implica riscos consideráveis.
[006] Neste contexto, a invenção baseia-se no objetivo de melhorar o balanço de CO2 de uma fábrica metalúrgica com um alto-forno de produção de gusa convencionalmente operado e um conversor de siderurgia convencionalmente operado.
[007] O objeto da presente invenção e a solução para a consecução deste objeto é um método de acordo com a reivindicação 1. Aperfeiçoamentos vantajosos do método estão descritos de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 9.
[008] De acordo com a invenção, pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo de alto-forno que ocorre no alto-forno durante a produção de gusa, e/ou uma quantidade parcial do gás do conversor que ocorre na produção de aço bruto, é utilizada na produção de gás de síntese, o qual é usado na produção de substâncias químicas. Quando gases brutos são utilizados na produção de gás de síntese, as necessidades de energia da fábrica metalúrgica nem sempre são cobertas e, de acordo com a presente invenção, são pelo menos parcialmente cobertas usando eletricidade obtida a partir de energias renováveis. A utilização de parte dos gases brutos que ocorrem na produção de gusa e na produção de aço bruto para produzir produtos químicos e a utilização de eletricidade obtida a partir de energias renováveis para equalizar o balanço energético estão em uma relação de combinação e causam uma redução na emissão de CO2 da operação da instalação metalúrgica, já que o carbono se encontra ligado em produtos químicos e não é separado sob a forma de CO2.
[009] Se a fábrica metalúrgica for operada em combinação com uma instalação de forno de coque, pelo menos uma quantidade parcial do gás de coque que ocorre no forno de coque é também eficientemente utilizada na produção do gás de síntese.
[010] O potencial do método de acordo com a invenção para reduzir emissões de CO2 é grande, uma vez que em uma fábrica metalúrgica que é operada em combinação com uma fábrica de coqueificação apenas cerca de 40 a 50% dos gases brutos que ocorrem como gás de topo de alto-forno, gás de conversor e gás de coque são utilizados em processos de engenharia química, e de 50 a 60% dos gases produzidos podem ser destinados a outras utilizações. Na prática, esta fração tem sido até agora usada principalmente para geração de eletricidade. Se com base no método de acordo com a invenção esta fração for usada para obter substâncias químicas através da produção de gás de síntese e as necessidades de energia que não forem satisfeitas forem então cobertas pela utilização de eletricidade obtida a partir de energia renovável, é possível reduzir consideravelmente as emissões de CO2 de uma fábrica metalúrgica.
[011] Prevê-se, de acordo com a invenção, que na produção de gás de síntese se utilize de 1% a 60%, de preferência uma proporção de 10 a 60% dos gases brutos que ocorrem como gás de topo do alto-forno e gás de conversor, ou como gás de topo de alto-forno, gás de conversor e gás de coque.
[012] A produção eficiente de gás de síntese incluiu uma operação de lavagem de gás e uma operação de condicionamento de gás, podendo, por exemplo, para o condicionamento do gás ser usada uma operação de reformação com vapor de água e/ou uma oxidação parcial com ar ou oxigênio e/ou uma reação de gás-de-água para a conversão de CO. Os passos de condicionamento podem ser realizados individualmente ou em combinação. O gás de síntese produzido pelo método de acordo com a invenção é uma mistura gasosa utilizada para a síntese. O termo "gás de síntese" abrange, por exemplo, misturas gasosas de N2 e H2 para a síntese de amoníaco e em particular misturas gasosas contendo principalmente CO e H2, ou CO2 e H2, ou CO, CO2 e H2. A partir dos gases de síntese, substâncias químicas contendo respectivamente os componentes dos reagentes podem ser produzidas em uma fábrica de substâncias químicas. As substâncias químicas podem ser, por exemplo, amoníaco ou metanol, ou então outros compostos de hidrocarbonetos.
[013] Para a produção de amoníaco, deve ser fornecido, por exemplo, um gás de síntese contendo azoto e hidrogênio na proporção correta. O azoto pode ser obtido a partir do gás de topo do alto-forno. O gás de topo do alto- forno ou o gás de conversor podem ser utilizados em particular como fonte de hidrogênio, o hidrogênio sendo produzido por conversão da fração de CO por uma reação de gás-de-água (CO + H2O ^COa + H2). Uma mistura de gás de coque e gás de topo de alto-forno, ou uma mistura gasosa compreendendo gás de coque, gás de conversor e gás de topo de alto-forno, podem também ser usadas para produzir um gás de síntese para a síntese de amoníaco. Para produzir compostos de hidrocarbonetos, por exemplo, metanol, é necessário fornecer um gás de síntese consistindo substancialmente de CO e/ou CO2 e H2, que contém os componentes monóxido de carbono e/ou dióxido de carbono e hidrogênio na relação correta. A relação é muitas vezes descrita pelo módulo (H2 - CO2) / (CO + CO2). O hidrogênio pode ser produzido, por exemplo, por conversão da fração de CO no gás de topo do alto-forno por uma reação de gás-de-água. O gás do conversor pode ser usado para fornecer o CO. O gás de topo do alto-forno e/ou o gás do conversor podem servir como fonte de CO2. Uma mistura gasosa compreendendo gás de coque e gás de conversor, ou uma mistura gasosa compreendendo gás de coque, gás de conversor e gás de topo de alto-forno, é adequada para a produção de compostos de hidrocarbonetos.
[014] No âmbito da invenção, na produção de substâncias químicas a partir do gás de síntese, poderá também ser utilizada uma fábrica biotecnológica em vez de uma fábrica de substâncias químicas A instalação em causa é uma fábrica de fermentação de gás de síntese. O gás de síntese dever ser entendido neste caso como incluindo misturas de CO e H2, preferencialmente com uma proporção elevada de CO, a partir da qual álcoois, acetona ou ácidos orgânicos podem ser produzidos. No entanto, quando um processo bioquímico é usado, o hidrogênio é derivado substancialmente da água que é utilizada como meio de fermentação. O gás de conversor é de preferência utilizado como fonte de CO. É também possível utilizar gás de topo de alto-forno, ou uma mistura gasosa compreendendo gás de conversor e gás de topo de alto-forno. Por contraste, a utilização de gás de coque não é adequada para um processo biotecnológico. Consequentemente, poderão ser produzidos, por meio de um processo biotecnológico, produtos contendo carbono da fração de CO dos gases brutos que ocorrem em uma fábrica metalúrgica e hidrogênio da água utilizada no processo de fermentação.
[015] Um aperfeiçoamento do método de acordo com a invenção prevê que gás de síntese enriquecido com hidrogênio seja produzido por eletrólise da água, sendo de igual modo usada para a eletrólise da água eletricidade obtida a partir de energias renováveis.
[016] Além disso, a fábrica metalúrgica pode ser operada em uma rede elétrica com uma reserva de energia que é alimentada com eletricidade obtida a partir de fontes renováveis e liberta novamente a energia armazenada em um momento posterior para as cargas de eletricidade da fábrica metalúrgica.
[017] Para cobrir as necessidades energéticas da fábrica metalúrgica, é utilizada eletricidade de origem externa, a qual é obtida, pelo menos parcialmente e de preferência totalmente, de energias renováveis e provém de, por exemplo, centrais eólicas, centrais solares e centrais de eletricidade hidroelétricas e similares. Não deveria ser descartada a possibilidade de a fábrica metalúrgica ser usada em combinação com uma central de eletricidade concebida como uma central de eletricidade de gás-turbina, ou uma central de eletricidade de gás-turbina e vapor-turbina, e ser operada com parte dos gases que ocorrem na fábrica metalúrgica na forma de gás de alto-forno alto, gás de conversor ou gás de coque. O complexo de fábricas que inclui a central de eletricidade é projetado de forma que a central de eletricidade possa ser usada em modo de espera e, pelo menos em certas alturas, possa ser parada. A central de eletricidade pode ser usada quando a fábrica química ou a fábrica biotecnológica estão fora de operação, ou quando a energia obtida a partir de fontes renováveis ou guardada na reserva de energia não é às vezes suficiente para cobrir as necessidades energéticas da fábrica metalúrgica. Para que o complexo de fábricas tenha disponível a quantidade de eletricidade necessária para a produção de gusa e de aço bruto, em tempos de suficiente disponibilidade de energia renovável, a energia elétrica é armazenada na reserva de energia. Se a energia renovável não estiver disponível externamente em quantidade suficiente a preços aceitáveis, a energia eléctrica necessária é retirada da reserva de energia. A reserva de energia pode ser na forma de uma reserva química ou eletroquímica.

Claims (8)

1. Método para reduzir as emissões de CO2 na operação de uma fábrica metalúrgica caracterizado por compreender pelo menos um alto-forno para a produção de gusa e um conversor siderúrgico para a produção de aço bruto, a) em que pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo de alto-forno que ocorre no alto-forno durante a produção de gusa e uma quantidade parcial do gás do conversor que ocorre na produção de aço bruto são utilizadas na produção de gás de síntese que é usado na produção de substâncias químicas, em que de 1% a 60% volume, preferencialmente de 10% a 60% volume, dos gases brutos que ocorrem como gás de topo do alto-forno e gás de conversor são utilizados na produção de gás de síntese, e b) em que as necessidades de energia da fábrica metalúrgica são pelo menos parcialmente cobertas pela utilização de eletricidade obtida a partir de energias renováveis.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a fábrica metalúrgica ser operada em combinação com uma instalação de forno de coque, e por pelo menos uma quantidade parcial do gás de coque que ocorre na instalação do forno de coque ser utilizada na produção do gás de síntese.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por de 1% a 60% volume, preferencialmente de 10% a 60% volume, dos gases brutos que ocorrem como gás de topo do alto-forno, gás de conversor e gás de coque serem utilizados na produção de gás de síntese.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a produção de gás de síntese compreender uma operação de lavagem do gás e uma operação de condicionamento do gás.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por uma operação de reformação com vapor de água, uma oxidação parcial com ar ou oxigênio, uma reação de gás-de-água serem utilizadas para o condicionamento do gás, em que os passos de condicionamento podem ser realizados individualmente ou em combinação.
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por um gás de síntese que é utilizado na produção de substâncias químicas em uma fábrica biotecnológica ser produzido a partir de gás de conversor, ou de gás de topo de alto-forno, ou de uma mistura gasosa compreendendo gás de conversor e gás de topo de alto-forno.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o gás de síntese ser enriquecido com hidrogênio produzido por eletrólise da água, e por eletricidade de energias renováveis ser utilizada na eletrólise da água.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a fábrica metalúrgica ser operada em uma rede elétrica com uma reserva de energia, a qual é alimentada com eletricidade de energias renováveis e liberta novamente a energia armazenada em um momento posterior para as cargas de eletricidade da fábrica metalúrgica e/ou da eletrólise da água.
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