Estudo da produção e desempenho de coques altamente reativos contendo resíduos siderúrgicos com foco no aumento de eficiência e mitigação de emissão do alto-forno

Abstract

A redução das emissões de gases do efeito estufa (GEE), aumento da eficiência energética e a reutilização de resíduos siderúrgicos são necessidades prementes da siderurgia. A utilização de uma nova matéria-prima, chamada coque altamente reativo (CAR), produzida a partir da carbonização de misturas de carvões e minério de ferro, é sugerida como uma tecnologia estratégica para o alto-forno (AF) capaz de auxiliar nesses objetivos citados. O CAR, que é mais reativo que o coque tradicional, pode ser usado como substituto parcial ou total do nut coke nas camadas de carga ferrosa do AF. Essa substituição aumenta a eficiência da redução dos óxidos de ferro, resultando em menor consumo de combustíveis e emissões. O objetivo principal deste estudo foi analisar a viabilidade de usar resíduos siderúrgicos como substituto do minério de ferro na produção de CAR. Foram conduzidos estudos usando diferentes combinações de carvões, minério de ferro e resíduos ferrosos, variando teores e granulometria. Essas misturas foram avaliadas em termos de pirólise, propriedades termoplásticas e reatividade, medindo a conversão e temperatura de gaseificação em diferentes composições gasosas. A resistência mecânica, microestrutura e outros parâmetros foram avaliados em CAR produzidos em escala de laboratório. Os resultados foram utilizados para analisar os benefícios operacionais do alto-forno, considerando o diagrama de Rist e balanço de massa dos elementos deletérios nos resíduos. Ao analisar o comportamento das misturas, observou-se que a degradação da fluidez é mais significativa em resíduos finos com alto grau de oxidação, especialmente compostos por Fe2O3. Por outro lado, resíduos ricos em FeO, como carepas, afetam menos a termoplasticidade das misturas. Quanto ao aumento da reatividade, verificou-se que é importante a dispersão adequada dos elementos catalisadores, alcançada através do uso de resíduos finos, bem como o teor de ferro e outros compostos capazes de catalisar a gaseificação do carbono. Houve uma correlação positiva entre a degradação termoplástica e a resistência mecânica dos CAR produzidos, indicando que resíduos com menor impacto na termoplasticidade permitem a obtenção de coques mais resistentes. Esse resultado se deve à capacidade da fração carbonosa em absorver esses componentes inertes, relacionada à espessura da parede da microestrutura do CAR. Dessa forma, a produção de CAR de alta reatividade e com resistência mecânica adequada é possível, pela correta seleção de matérias-primas e dosagem na mistura. A avaliação do balanço de massa e energia indicou a possibilidade de redução de até 30,4 kg/tHM o consumo de carbono no AF, substituindo o nut coke por CAR em 40 kg/tHM. Isso representa uma economia anual de 73 kt/ano de combustível e uma redução de 194 ktCO2/ano para um alto-forno com capacidade de 2,41 MtHM/ano. O balanço dos elementos recirculantes mostrou que a utilização de alguns resíduos ricos em Zn deve ser limitada, mas que podem ser superadas por meio de processamentos pirometalúrgicos e físicos. Em conclusão, este estudo demonstrou que é viável utilizar CAR produzidos a partir de resíduos, trazendo vantagens em relação ao uso de minério de ferro. Além disso, essa abordagem pode contribuir para a redução das emissões de GEE no processo siderúrgico e está alinhada ao conceito de economia circular.

The steel industry currently faces the challenges of reducing emissions, improving energy efficiency, and recycling steelmaking waste. One strategic solution proposed for blast furnaces (BF) is the use of highly reactive coke (HRC), a new raw material produced by carbonizing coal and iron ore mixtures. HRC, which exhibits greater reactivity compared to traditional coke, can partially or fully replace nut coke in the ferrous burden layers of the BF. This substitution enhances the efficiency of iron oxide reduction, resulting in reduced fuel consumption and emissions. This study aimed to assess the feasibility of utilizing iron and steelmaking wastes (I&S wastes) as a substitute for iron ore in HRC production. Various combinations of coal, iron ore, and I&S wastes were examined, with variations in content and particle size. These blends were evaluated in terms of pyrolysis, thermoplastic properties, and reactivity, including conversion and starting reaction temperature measurements under different gas compositions. Laboratory-scale HRC were produced to assess mechanical strength, microstructure, and other parameters. The results were used to analyze the operational benefits of the blast furnace using the Rist diagram, mass balance of deleterious elements in the waste, and the required quantities in different scenarios. When studying the mixture behavior, it was observed that fluidity degradation was more significant in fine wastes with a high degree of oxidation, especially those composed of Fe2O3. Conversely, residues rich in FeO, such as mill scale, had a lesser impact on thermoplasticity. The dispersion of catalyst elements achieved through the use of fine residues, along with the iron content and other compounds capable of catalyzing carbon gasification, was found to be important for increasing reactivity. A correlation was observed between thermoplastic degradation and the mechanical strength of the produced HRC, indicating that less thermoplasticity-impacted waste allows for the production of tougher coke. This outcome can be attributed to the carbonaceous fraction's ability to absorb inert components, which is linked to the microstructure's wall thickness in HRC. Thus, the production of HRC with high reactivity and adequate mechanical strength is possible, by the correct selection of raw materials and dosage in the mixture. The evaluation of mass and energy balance indicated that replacing nut coke with HRC at 40 kg/tHM could potentially reduce carbon consumption by up to 30.4 kg/tHM. This corresponds to an annual fuel saving of 73 kt/year and a reduction of 194 ktCO2/year for a blast furnace with a capacity of 2.41 MtHM/year. The analysis of recirculating elements revealed limitations in using some Zn-rich wastes, which could be overcome through pyrometallurgical and physical processing. In conclusion, this study demonstrates the viability of utilizing HRC produced from waste, offering advantages over traditional iron ore usage. Furthermore, this approach contributes to emissions reduction in the steelmaking process and aligns with the principles of a circular economy.