Este gás é produzido como subproduto no processo da transformação do carvão mineral em coque siderúrgico, processado em retortas, cujo objetivo é a retirada das frações voláteis do carvão de forma a obter o coque. Assim, com elevado teor de carbono, o coque será usado como elemento redutor do minério de ferro nos altos fornos. Este gás tem um poder calorífico inferior na faixa de 18.000 kJ/m³ ou 4.300 kcal/m³. Sua composição volumétrica média é [1] [4]:

•  Hidrogênio 52,0 – 63,0%
•  Metano 24,0 – 29,0%
•  Monóxido de carbono 6,0 – 7,8 %
• Hidrocarbonetos 2,2 – 3,8%
•  Dióxido de carbono 1,3 – 5,6%
• Oxigênio 0,1 – 0,5%
•  Nitrogênio 2,0 – 4,5%
•  Gás sulfídrico ~ 0,09%

“Suas principais aplicações são aquecimento de fornos de reaquecimento para laminação, panelas e “tundish” na própria siderúrgica, além da geração própria de energia elétrica.”

Apesar de ser um gás de poder calorífico médio, como o antigo gás de rua ou gás manufaturado reformado distribuído pela Comgás e pela CEG, o uso do gás de coqueria está geograficamente limitado à própria planta siderúrgica e sua vizinhança. Suas principais aplicações são aquecimento de fornos de reaquecimento para laminação, panelas e “tundish” na própria siderúrgica, além da geração própria de energia elétrica.

O gás de coqueria também costuma ser misturado aos outros gases siderúrgicos de poderes caloríficos inferiores de forma a enriquecê-los, possibilitando sua aplicação em processos que não aceitem um gás muito pobre.
Já o gás de alto forno (“blast furnace gas” ou “BFG” em inglês) é o gás siderúrgico que apresenta o poder calorífico inferior mais baixo, da ordem de 3.300 kJ/m³ ou 800 kcal/m³. Sua composição típica varia significativamente nas seguintes faixas [1] [3] [4]:

•  Monóxido de carbono 21 – 33%
• Hidrogênio 1,5 – 3,5%
• Nitrogênio 50 – 60%
•  Dióxido de carbono 8 – 23%
•  Gás sulfídrico ~ 2,7%

Como visto na sua composição, é um gás que possui um elevado teor de gases inertes, de 58 a 75%, o que justifica seu baixo poder calorífico. Além disso, o teor de monóxido de carbono é elevado o que o torna muito perigoso em caso de vazamento. Seu excedente deve, portanto, ser sempre queimado no “flare”.

A aplicação principal deste gás é a queima em “cowpers” e “glendons”, preaquecendo o ar de sopro do próprio alto forno. Os artifícios aplicados para se usar um gás de poder calorífico tão baixo são:

•  Misturar o gás de alto forno com gases de poderes caloríficos mais elevados como gás de coqueria, gás natural, GLP ou até mesmo biometano se disponível.
•  Enriquecer o ar de combustão com oxigênio (23 a 30%) ou até mesmo queimar o gás com elevado teor de oxigênio (acima de 92%), em um processo conhecido como oxi-queima.

E o último gás combustível siderúrgico a ser descrito é o gás de aciaria, também chamado de gás de conversor, BOFG (“bottom oxygen furnace gas”) ou “LD gas” (“Linz-Donawitz gas”). Seu poder calorífico inferior está por volta de 8.000 kJ/Nm³ ou 1.900 kcal/Nm³ [2]. Sua composição volumétrica média é [3] [4]:

•  Monóxido de carbono 55 – 60%
•  Gás carbônico: 12 – 18%
•  Nitrogênio: 15 – 21%
•  Hidrogênio: 0 – 3%
•  Oxigênio: 0,1 – 0,3%

Concluindo, fica clara a importância desses gases combustíveis no âmbito siderúrgico por suas múltiplas aplicações, muito embora sua distribuição por gasoduto fora das vizinhas da planta seja pouco viável economicamente, embora seu excedente seja queimado em “flares”.

Suas variações de composição e de poderes caloríficos, típicas desses gases, dependendo do processo, podem exigir misturas entre eles ou com gases externos como GN ou GLP, e equipamentos de análise contínua como calorímetros e Wobbímetros.

Referências

[1] Costa, F.C., Handbook of Combustion, volume 3, chapter 9, Fuel Gas Application in Industry, edited by Lackner, Winter and Agarwal, WILEY-VCH, Germany, 2010.
[2] Fonseca, M., Steelmaking Process Gases Utilization, ILVA – Roma 25.10.2017.
[3] Hou, Chen et alli, Firing blast furnace gas without support fuel in steel mill boilers, Energy Conversion and Management, Elsevier, 2011
[4] Turetta, L; Costa, E,; Costa, A., Estudo da influência do excesso de ar na composição de saída de fornalha siderúrgica real empregando conceitos termodinâmicos e modelagem matemática, Engevista, v.19, n.1, p. 109-121, UFF, 2017.

Nome do autor: Fernando Cörner da Costa

Doutor em Energia pela USP, Mestreem Engenharia de ProcessosQuímicos e Bioquímicos pela Mauá,Eng. de Segurança pela UERJe Eng. Mecânico pela PUC-RJ,consultor sênior da ULTRAGAZ.

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O procedimento para se otimizar a regulagem dos queimadores não é nada complexo. Primeiramente é necessário definir o objetivo da regulagem: priorizar a economia de combustível, minimizar as emissões ou gerar uma atmosfera específica (neutra, redutora ou oxidante) exigida pelo processo térmico. Cabe afirmar que nem sempre é possível atender à condição desejada com uma simples regulagem, pois atingir o objetivo também depende do projeto do queimador e do seu estado de conservação.

Para a regulagem de queimadores é necessário dispor de analisadores de produtos da combustão, existindo uma ampla gama disponível no mercado. Os mais comuns são os analisadores portáteis de células eletroquímicas que indicam os teores em base seca de oxigênio (%), dióxido de carbono (%), monóxido de carbono (% ou ppm) e óxidos de nitrogênio (ppm).

“Muitos analisadores informam a eficiência de combustão, cujas sondas dispõem ainda de sensores de temperatura.”

Os analisadores vêm acompanhados de sondas para coleta e condicionamento das amostras quando estão sendo analisados produtos da combustão razoavelmente limpos e temperaturas não muito elevadas. Casos especiais, como produtos da combustão com temperaturas elevadas, geralmente acima de 800°C, e elevados teores de materiais particulados exigem sistemas especiais de condicionamento da amostra para não danificar o analisador. Muitos analisadores informam a eficiência de combustão, cujas sondas dispõem ainda de sensores de temperatura.

Muitas vezes, a maior dificuldade é o posicionamento da sonda no ponto adequado à obtenção de uma amostra significativa dos produtos da combustão. O ponto ideal para a tomada da amostra dos gases, nem sempre acessível, seria após o final da chama em zona de pressão positiva de forma a evitar sua diluição com a infiltração de ar do ambiente externo que não participou da combustão. Já o ponto da tomada de temperatura para o cálculo da eficiência seria no plano transversal ao fluxo

de produtos da combustão, a partir do qual os gases não mais trocariam calor com o processo térmico.
Assim seria possível obter o que poderia se definir com “eficiência de combustão”, ou seja, a parcela do calor fornecido pelo combustível que seria absorvido pelo equipamento térmico. Note-se que devido às perdas térmicas do equipamento, apenas parte desse calor seria incorporado pelo produto.

Existem ainda analisadores que indicam a presença de partículas de carbono não queimado, onde o mais comum é o “smoke tester” conhecido como “bomba de fumaça”. O deslocamento de determinado volume dos produtos da combustão por êmbolo através de papel de filtro deixa uma impressão circular, cuja concentração pode ser estimada por comparação da sua cor com uma escala padrão (índice Bacharach), desde branca, passando por matizes de cinza progressivos até atingir a cor negra na intensidade mais elevada. Este analisador de fumaça deve ser usado principalmente quando se trata de combustíveis líquidos e sólidos, complementando a análise dos produtos da combustão.
Também é possível a utilização de processos analíticos de laboratório, mais utilizados quando a finalidade é a emissão de laudos para os órgãos ambientais. Porém os analisadores

portáteis apresentam maior versatilidade para uma imediata regulagem de queimadores.

Em linhas gerais, para se obter uma boa regulagem de queimadores é necessário: reduzir ao máximo o excesso de ar de combustão, desde que se mantenha os teores de frações não queimadas (monóxido de carbono – CO, hidrocarbonetos – HC e fuligem – C) dentro dos limites aceitáveis. Este excesso de ar se refere ao ar excedente que ultrapassa a necessidade de ar teórico para a queima do combustível, conhecido como ar estequiométrico.

As economias que podem ser obtidas com a regulagem de queimadores tornam-se mais significativas na medida em que a temperatura dos produtos da combustão, no ponto “P” onde deixem de trocar calor com o processo, seja mais elevada. Processos de baixa temperatura como caldeiras de vapor saturado e aquecedores de água apresentam um potencial muito mais baixo do que fornos de fusão e de tratamento térmico que não tenham recuperação de calor.

A Tabela 1 mostra os valores teóricos que podem ser obtidos, considerando-se apenas a redução do excesso de ar de combustão, desde que as perdas com as emissões de CO, HC e C se mantenham nos limites aceitáveis para cada combustível.

Os valores indicados na Tabela 1 servem apenas como exercício de referência, pois na prática existem outros fatores que influenciam nos resultados como a tecnologia do queimador, fator de carga e manutenção do sistema de queima.

Mas a conclusão, sem sombra de dúvida, indica a necessidade de se manter um programa contínuo de monitoramento da regulagem de queimadores de forma a minimizar o consumo de combustíveis e suas emissões para o meio ambiente, além dos ganhos em competitividade, notadamente em processos de média e alta temperatura.

Nome do Autor: Fernando Cörner da Costa

Doutor em Energia pela USP, Mestre em Engenharia de Processos Químicos e Bioquímicos pela Mauá, Eng. de Segurança pela UERJ e Eng. Mecânico pela PUC-RJ, consultor sênior da ULTRAGAZ.

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Na admissão de um gás combustível num ambiente confinado com ar em seu interior, existe a condição insegura da formação de uma mistura inflamável em algum momento e/ou certa região. O risco de ignição desta mistura inflamável, ocorrendo uma fonte ou condição de ignição, pode gerar uma deflagração, explosão ou detonação, dependendo da velocidade de combustão e do consequente acréscimo de pressão no ambiente confinado. De forma análoga, ambientes com gases ou vapores combustíveis poderão exigir sua drenagem para atmosfera ou queima em flare.

Habitualmente costuma-se considerar como referência os campos de inflamabilidade dos gases combustíveis, considerando suas misturas com ar, cujos limites estão indicados na Tabela 1 para condições ambientais de 25°C e pressão atmosférica ao nível do mar.

Assim, a tabela mostra que o campo de inflamabilidade do hidrogênio é muito amplo, situando-se entre 4% de hidrogênio + 96% de ar e 75% de hidrogênio + 25% de ar.

Para evitar tal condição insegura com gases combustíveis, preconiza-se a utilização de um gás inerte, geralmente nitrogênio ou gás carbônico, tanto na partida/comissionamento anteriormente descrito como na purga/descomissionamento. Assim, para que misturas inflamáveis não sejam formadas em nenhuma etapa e a operação possa ser feita com total segurança, o procedimento não deverá cruzar a área do triângulo de inflamabilidade. A Fig. 1 mostra os triângulos de inflamabilidade (áreas hachuradas) para GLP ou propano, metano, hidrogênio e monóxido de carbono, onde a introdução do nitrogênio como gás inerte gerou uma nova dimensão, transformando o campo de inflamabilidade (linha) em triângulo de inflamabilidade (área).

A Fig. 1 permite uma fácil observação do comportamento de cada procedimento. O segmento A-G representa as misturas de gás e ar. Quando o volume interno está cheio de ar e inicia-se a admissão de gás, a mistura gás-ar desloca-se sobre a reta do ponto A (100% ar) para o ponto G (100% gás), atravessando assim o triângulo de inflamabilidade, representado pela área hachurada, entre os pontos LI (limite inferior de inflamabilidade) e LS (limite superior de inflamabilidade). A rota oposta neste mesmo segmento de reta, partindo-se do ponto G até o ponto A, representa a purga de um volume interno iniciando com 100% de gás e terminando com 100% de ar. Nestes dois casos não foi usado gás inerte e ocorreu a condição insegura da travessia do triângulo de inflamabilidade, quando poderia haver um acidente caso houvesse uma fonte de ignição como faísca, centelha ou superfície com temperatura elevada.

A alternativa do comissionamento do gás com a aplicação do gás inerte, neste caso nitrogênio, seria representada sobre o segmento A-N, partindo-se do ponto A no sentido de N. Note-se que não seria necessário aplicar o nitrogênio até atingir o ponto N (0% de ar e oxigênio), pois o triângulo de inflamabilidade termina antes. Na rota oposta (purga de gás com nitrogênio antes da aeração), partindo-se do ponto G em direção ao ponto N, pode-se aplicar conceito similar.

Além da inertização, a purga para a atmosfera de misturas de um gás combustível com um gás inerte deve ser feita com o auxílio de um flare (tocha) para sua queima, evitando a emissão de gases combustíveis que poderiam contaminar ou gerar riscos locais. Esse flare pode ser do tipo fixo, de grande porte como existe em refinarias, siderúrgicas integradas, ou de pequeno porte como em fornos de tratamento térmico. Ou, então, do tipo móvel ou transportável – instalado temporariamente apenas durante as ocasiões para purgas eventuais, conforme mostra a Fig. 2.

A instalação do flare transportável exige precauções similares a dos flares fixos, como pilotos com alimentação de gás independente, dispositivos contra retrocesso de chama e distâncias de segurança.

Concluindo, pode-se afirmar que a análise dos processos de purga com gases inertes torna-se mais completa quando se considera o triângulo de inflamabilidade. As estratégias de purga parcial, contornando-se o triângulo sem atravessá-lo, possibilitam a economia do gás inerte. Mas sempre deve ser considerada uma folga no trajeto de contorno como fator de segurança, pois as mistura gasosas nem sempre se comportam de forma homogênea em todo o volume considerado durante as purgas.

Referências

[1] COSTA, F.C., Desenvolvimento de Flare Transportável, trabalho classificado em 1° lugar – Troféu Ouro – no Prêmio GLP de Inovação e Tecnologia, categoria Projeto de Instalações, São Paulo, 2011;
[2] ESMERALDO, J.C., Safety System – Flammability Triangle, Linde Gas, 2017;
[3] JENKIN, D.B., The Properties of Liquefied Petroleum Gases, Shell International, 1962.

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