Avaliação da contribuição de diferentes carvões metalúrgicos e aditivos no rendimento e qualidade dos produtos da coqueificação com ênfase em alcatrão e gás de coqueria

Abstract

A rota integrada a coque representa atualmente 72% da produção mundial de aço e continuará sendo a rota majoritária na próxima década. Os dois principais coprodutos da produção de coque para uso em alto-forno, alcatrão e gás de coqueria, são de grande importância para o bem estar econômico das usinas. Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a contribuição de carvões metalúrgicos e aditivos no rendimento e na qualidade dos coprodutos da coqueificação. Na etapa inicial do estudo, com base em uma revisão da literatura, foi elaborado o projeto de um reator para avaliar esses rendimentos. A validação do sistema foi conduzida em parceria com a empresa Gerdau Ouro Branco, que forneceu a mistura coqueificável e os rendimentos industriais de coqueificação. Na condição de coqueificação que melhor reproduziu os resultados industriais, foram obtidos rendimentos laboratoriais de coque, alcatrão e gás de coqueria com diferenças de 1,6%, 3,2% e 0,9%, respectivamente. As diferenças nas concentrações de metano e hidrogênio não ultrapassaram 5%. Na sequência foram avaliados sete carvões metalúrgicos, que foram coqueificados individualmente. Observou-se que os carvões betuminosos alto voláteis geram, em média, o dobro do rendimento de alcatrão dos carvões betuminosos médio voláteis e rendimentos mássicos de gás de coqueria 20% superiores. Os carvões alto voláteis produzem gás de coqueria com maior densidade e poder calorífico. Além dos carvões, foram avaliados três aditivos: coque verde de petróleo, moinha de carvão vegetal e resíduo de pneus inservíveis O coque verde de petróleo reduziu o rendimento de ambos coprodutos devido ao seu baixo teor de matéria volátil. O gás apresentou uma elevada concentração de hidrogênio (78 %vol), resultando em uma redução no seu poder calorífico. A moinha proporcionou uma diminuição no rendimento de alcatrão, uma vez que a maior parte dos compostos condensáveis foi liberada durante a sua produção. No gás de coqueria, seu impacto foi negativo devido à elevada concentração de monóxido e dióxido de carbono, que juntos alcançaram a concentração de 39 %vol quando o aditivo foi coqueificado individualmente, levando a uma redução do poder calorífico. Os pneus inservíveis contribuíram para o aumento do rendimento tanto de alcatrão quanto do gás de coqueria. Foi produzido um alcatrão mais leve, gerando maiores frações de óleo leve e óleo carbólico na destilação. A alta concentração de hidrocarbonetos proporcionou um aumento do poder calorífico do gás. Em resumo, a avaliação detalhada dos carvões metalúrgicos e dos aditivos revelou resultados importantes sobre sua influência na qualidade e no rendimento dos coprodutos (alcatrão/gás de coqueria). O desenvolvimento desta pesquisa apoia tanto a precificação mais adequada dos carvões coqueificáveis utilizados na formulação de misturas, quanto o uso de resíduos e matérias-primas

The integrated steelmaking route, based on coke, currently represents 72% of global steel production and will continue to be the majority route over the next decade. The two main by products of coke production for use in blast furnaces, coal tar and coke oven gas, are of great importance for the economic well-being of integrated plants. Therefore, the objective of this work was to evaluate the contribution of metallurgical coals and additives on the yield and quality of coking by-products. In the initial stage of the study, based on a literature review, a reactor design was developed to evaluate these yields. The validation of the system was conducted in partnership with the company Gerdau Ouro Branco, which provided the coking blend and the industrial coking yields. In the coking condition that best reproduced the industrial results, laboratory yields of coke, coal tar and coke oven gas were obtained with differences of 1.6%, 3.2% and 0.9%, respectively. Differences in methane and hydrogen concentrations in coke oven gas did not exceed 5%. Seven metallurgical coals were then evaluated, which were coked individually. It was observed that high volatile bituminous coals generate, on average, double the coal tar yield of medium volatile bituminous coals and mass yields of coke oven gas 20% higher. High volatile coals produce coke oven gas with higher density and calorific value. In addition to coking coals, three additives were evaluated: green petroleum coke, charcoal fines and waste tires Green petroleum coke reduced the yield of both by-products due to its low volatile matter content. The gas presented a high concentration of hydrogen (78 %vol), resulting in a reduction in its calorific value. Charcoal fines led to a decrease in coal tar yield since most of the condensable compounds were released during its production. Its impact on coke oven gas was negative due to the high concentration of carbon monoxide and carbon dioxide, which together reached a concentration of 39 %vol when the additive was coked individually, leading to a reduction in calorific value. Waste tires contributed to the increase in the yield of both coal tar and coke oven gas. A lighter tar was produced, generating larger fractions of light oil and carbolic oil in the distillation. The high concentration of hydrocarbons provided an increase in the calorific value of the gas. In summary, the detailed evaluation of metallurgical coals and additives revealed important results on the influence of these materials on the quality and yield of by-products (coal tar/coke oven gas). The development of this research supports both the more appropriate pricing of coking coals used in the blend formulations and the use of waste and renewable raw materials in coke ovens