UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI

Departamento de Ciências Térmicas e dos Fluidos

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNÓLOGICA DE MINAS

GERAIS

Departamento de Engenharia Mecânica

Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Energia

RAFAEL SIMÕES VIEIRA DE MOURA

ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE COMBUSTÃO

EM FORNOS INDUSTRIAIS DE

PELOTIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO

São João Del Rei

2017

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI

Departamento de Ciências Térmicas e dos Fluidos

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNÓLOGICA DE MINAS GERAIS

Departamento de Engenharia Mecânica

Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Energia

RAFAEL SIMÕES VIEIRA DE MOURA

ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE COMBUSTÃO

EM FORNOS INDUSTRIAIS DE

PELOTIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO

Disser tação apresentada ao

Programa de Pós-graduação em

Engenhar ia da Energia, Em

Associação Ampla entre o Centro

Federal de Educação Tecnológica de

Minas Gerais e a Univers idade

Federal de São João Del Rei , como

requis ito parc ia l para a obtenção do

t í tu lo de Mestre em Engenhar ia da

Energia.

Orientadora: Profª. Drª. Andrea Lúcia Teixeira Charbel

Co-Orientador: Prof. Dr. Julio Cesar Costa Campos

São João Del Rei

2017

Ficha catalográfica elaborada pela Divisão de Biblioteca (DIBIB) e Núcleo de Tecnologia da Informação (NTINF) da UFSJ,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

M929aMoura, Rafael Simões Vieira de . ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE COMBUSTÃO EM FORNOSINDUSTRIAIS DE PELOTIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO /Rafael Simões Vieira de Moura ; orientadora AndreaLúcia Teixeira Charbel; coorientador Júlio CésarCosta Campos. -- São João del-Rei, 2017. 92 p.

Dissertação (Mestrado - Mestrado em Engenharia deEnergia) -- Universidade Federal de São João delRei, 2017.

1. Gás Natural. 2. Eficiência Energética. 3.Combustão. Estequiometria. 4. Minério de Ferro.Pelotização. 5. Gaseq®.. I. Charbel, Andrea LúciaTeixeira, orient. II. Campos, Júlio César Costa, coorient. III. Título.

Resumo

O forno de uma usina de pelotização de minério de ferro é uma máquina térmica

complexa, em termos de balanceamento energético. Por contemplar ventiladores de

recirculação de gases e constantes variações no processo, a alteração de uma única

variável de processo pode influenciar em inúmeras mudanças nas condições

operacionais.

Este trabalho propõe um método para avaliar o quanto a melhora na eficiência da

reação de combustão reduz o consumo de combustível, mantendo a mesma taxa de

energia térmica fornecida pela reação, em um forno de pelotização de minério de ferro.

O presente trabalho demonstrou o quanto as principais variáveis relacionadas à

combustão na região da queima influenciam no consumo de combustível (gás natural),

utilizando como caso base o forno da Usina de Pelotização de Fábrica (propriedade da

VALE S/A), sem alterar as condições de processo que afetam a qualidade da produção.

Foram analisadas variáveis como a velocidade e pressão do combustível nos

queimadores, a temperatura dos gases de combustão e do ar reagente, a taxa de

conversão estequiométrica e a relação ar/combustível da reação. Para a análise, foram

utilizados dados reais do forno em operação, e, para a simulação das reações químicas,

utilizou-se o software Gaseq®.

O estudo mostrou que a melhoria do balçanço estequiométrico da reação de

combustão, aplicado no caso base do estudo, fazendo-se os ajustes sugeridos, pode

proporcionar uma redução de 9,25% no consumo de combustível, o que representa uma

economia de US$ 2,6 milhões por ano para a empresa.

PALAVRAS-CHAVE: Gás Natural. Eficiência Energética. Combustão.

Estequiometria. Minério de Ferro. Pelotização. Gaseq®.

Abstract

The iron ore pelletizing furnace is a complex thermal machine, in terms of energy

balance. It contains recirculation fan gases and constant variations in the process, and

the variation of a single process variable can influence numerous changes in operating

conditions.

This research proposes is to assess how much the improvement in the combustion

reaction efficiency can reduce fuel consumption, maintaining the same thermal energy

rate provided by the reaction in a pelletizing furnace.

This study demonstrated how the main variables related to combustion in the

burning zone influence fuel consumption (natural gas), using the case from the furnace

of the Usina de Pelotização de Fábrica (owned by VALE S/A), without changing process

conditions that affect production quality.

Variables were analyzed regarding the velocity and pressure of the fuel in the

burners, the temperature of the combustion air and reactant gases, the conversion rate

and the stoichiometric air/fuel ratio of the reaction. For the analysis, actual data of the

furnace in operation was used, and for the simulation of chemical reactions, the software

Gaseq® was used.

The study showed that the improvement of the stoichiometric balance of the

combustion reaction, applied in the base case of the study, making the suggested

adjustments, can provide a reduction of 9.25% in fuel consumption, which represents a

saving of US$ 2.6 million per year for the company.

KEYWORDS: Natural Gas. Energy Efficiency. Combustion. Stoichiometry.

Iron Ore. Pelletizing. Gaseq®.

7

Lista de Ilustrações

Figura 1 - Etapas do processo de benef ic iamento do minério de ferro . 22

Figura 2 - Minér io granulado .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Figura 3 - (a) Sínter; (b) Pelota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura 4 - Fluxograma do processo de produção do aço a part ir de

tecnologias tradicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 5 - Distr ibuição da produção anual de minér io de ferro no Brasi l

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 6 - Produção mundial de minério de ferro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 7 - Produção brasi leira de minério de ferro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Figura 8 - Fluxograma do processo de pelotamento de minér io de ferro

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Figura 9 - Visão geral de um forno de pelot ização .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Figura 10 - Software de controle operacional dos parâmetros da zona de

queima .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Figura 11 - Seção transversal da zona de queima de um forno de

pelot ização de minér io de ferro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Figura 12 - Distr ibuição percentual da oferta interna de energia na

matriz brasileira, para os anos de 2014 e 2015 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 13 - Consumo percentual de energia por setor na matriz

brasi leira, para os anos de 2014 e 2015 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 14 - Classif icação dos t ipos de chamas .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Figura 15 - Comportamento de chama difusa (esquerda) a pré-mixada

(direita) pela variação da disponibi l idade de oxidante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Figura 16 - Estrutura de chama laminar pré -mixada .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Figura 17 - Distr ibuição da temperatura na chama (Velocidade = 10

(m/s), a diferentes pressões) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Figura 18 - Comportamento do f luxo cruzado de gases .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 19 - Perf i l da temperatura ao longo da chama na saída do

queimador na câmara de combustão, simulado em CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8

Figura 20 - Vista f rontal da saída do queimador do forno de pelot ização

de minér io de ferro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 21 - Distr ibuição da temperatura na chama (P = 2 (bar) a

diferentes velocidades) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura 22 - Esboço da diferença nas l inhas de ação direcionais

(super ior) e na topograf ia da f rente de chama (inferior) entre uma

chama laminar e uma turbulenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Figura 23 - CFD da velocidade dos gases na região da queima .. . . . . . . . . 48

Figura 24 - Simulação de uma reação de combustão no sof tware

GASEQ® ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Figura 25 – Comportamento da Ef iciência da Combustão em fu nção da

Velocidade do Combustível e do Consumo de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figura 26 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Velocidade do Combustível e da Potência Térmica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Figura 27 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Pressão do Combustível e do Consumo de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Figura 28 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Pressão do Combustível e da Potência Térmica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Figura 29 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Relação Ar/Combustível e do Consumo de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura 30 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Relação Ar/Combustível e da Potência Térmica .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura 31 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Temperatura do Ar de Combustão e do Consumo de Combustível . . . . . . . 63

Figura 32 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Temperatura do Ar de Combustão e da Potência Térmica .. . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 33 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Potência Térmica e do Consumo de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Figura 34 - Fluxograma de Anál ise de ef iciência da combustão em

fornos de pelot ização de minério de ferro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Figura 35- Efeito da Pressão sobre o Limite Super ior de inf lamabil idade

da Mistura Ar Gás .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Figura 36 - Velocidade de Propagação da Chama para Diversos Gases

em Relação à Proporção de Ar Primár io da Combustão [m/s] . . . . . . . . . . . . . 90

9

Figura 37- Temperatura Adiabática da Chama em Função da

Composição do Combustível e Excesso de Ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figura 38 - Planta baixa da câmara de combustão do forno de

pelot ização, com dutos de cogeração em destaque .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

10

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Composição de ferro nos principais minerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Tabela 2 - Temperatura de ignição do Metano para várias proporções de

mistura ar/combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Tabela 3 - Média de cinco meses da composição de gás natural, através

de coleta diár ia da composição fornecida pela concessionária . . . . . . . . . . . 53

Tabela 4 - Comparat ivo entre a situação atual e η = 0,90 para o aporte

térmico e o consumo de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Tabela 5- Propr iedades de Diversos Gases (a 15ºC e 1atm) .. . . . . . . . . . . . . . 80

Tabela 6 - Comparação da Temperatura de Ignição de Vár ios Gases em

Ar e em Oxigênio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Tabela 7 - Temperatura de Ignição do Metano para Vár ias

Concentrações da Mistura Ar Gás e Riqueza de Oxigênio do Ar . . . . . . . . . 82

Tabela 8 - Temperatura de Ignição com Relação à Proporção de Etano

no Gás Natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Tabela 9 - Temperatura de Ignição com Relação à Proporção do Gás

Combustível na Mistura Ar Gás .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Tabela 10 - Limite de Deslocamento da Chama para Diversos Gases .. 83

Tabela 11- Produtos da Combustão Perfeita de Diversos Gases (Sem

Excesso de Ar) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Tabela 12 - Emissões de Diferentes Equipamentos Industr iais e

Comerciais Queimando Gás Natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Tabela 13 - Poder Caloríf ico de Diversos Gases (Combustão Perfeita) 86

Tabela 14 - Intensidade Específ ica da Chama e Velocidade de

Propagação da Chama .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Tabela 15 - Característ icas da Radiação Emit ida por Queimadores

Infravermelhos a Gás .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

11

Lista de Abreviaturas e Siglas

[°C] Graus Celsius

[CH4] Metano

[C2h6] Etano

[C3h8] Propano

[C4h10] Butano

[g] grama

[J] Joule

[k] quilo (1000)

[K] Kelvin

[m] mili (0,001)

[m] metro

[Mt CO2-eq] Toneladas de dióxido de carbono equivalente

[N] Newton

[Pa] Pascal

[s] segundo

12

Lista de Símbolos

[A] Área (m²)

[𝒄𝒑𝒈] Calor específico dos gases de combustão (J/Kg.°C)

[D] Diametro (m)

[g] Aceleração da gravidade (m/s²)

[J] Razão da quantidade de movimento (adimensional)

[Ma] Número de Mach (adimensional)

[P1] Pressão de entrada (Pa)

[P2] Pressão de saída (Pa)

[PCI] Poder Calorífico Inferior (KJ/m³)

[Qjato] Quantidade de movimento do jato (Kg.m/s)

[Qfluxo] Quantidade de movimento do fluxo (Kg.m/s)

[Re] Coeficiente de Reynolds (adimensional)

[Rg] Constante molar dos gases (kJ/kmol.K)

[T] Temperatura (K)

[𝑻𝒂𝒓] Temperatura de entrada do ar (°C)

[𝑻𝒈] Temperatura dos gases de combustão (°C)

[V] Volume (m³)

[v1] Velocidade de entrada (m/s)

13

[v2] Velocidade de saída (m/s)

[Vr] Volume dos reagentes (m³)

[Vp] Volume dos produtos (m³)

[Z] Fator de compressibilidade (adimensional)

[𝒎𝒄̇ ] Vazão mássica de combustível (Kg/s)

[𝒎𝒈̇ ] Vazão mássica dos gases de combustão (Kg/s)

[�̇�𝒇(real)] Vazão mássica real de combustível (Kg/s)

[�̇�𝒄(η=0.90)] Vazão mássica de combustível para uma taxa de conversão de 90% da

combustão (Kg/s)

[�̇�] Potência térmica (J)

[�̇�𝐫𝐞𝐚𝐥] Potência térmica real (J)

[�̇�𝛈=𝟎.𝟗𝟎] Potência térmica para uma taxa de conversão de 90% da combustão (J)

[�̇�] Fluxo volumétrico (m³/s)

[ΔP] Diferencial de pressão (Pa)

[η] Taxa de conversão (%)

[μ] Viscosidade Dinâmica (N.s/m²)

[ρ] Massa específica (Kg/m³)

14

Sumário

1 INTRODUÇÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 OBJETIVOS .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1 OBJETIVO GERAL .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1 BREVE HISTÓRICO DO FERRO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 O MINÉRIO DE FERRO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3 O MERCADO DE MINÉRIO DE FERRO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.4 O PROCESSO DE PELOTIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO ... . 26

3.5 A ENERGIA E AS EMISSÕES NO PROCESSO DE

PELOTIZAÇÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.6 O PROCESSO DE COMBUSTÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 MATERIAIS E MÉTODOS .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.1 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DO COMBUSTÍVEL .. . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DO COMBUSTÍVEL .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.3 INFLUÊNCIA DA RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.4 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DO AR DE COMBUSTÃO ... . . 62

5.5 EFICIÊNCIA DA COMBUSTÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6 CONCLUSÃO ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

8 REFERÊNCIAS .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

ANEXO 1 – Tabelas de Gases .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

ANEXO 2 – Gráf icos de comportamento de gases em combustão .. . . . . . . 89

ANEXO 3 – Planta baixa da câmara de combustão do forno .. . . . . . . . . . . . . . 92

15

1 INTRODUÇÃO

O minério de ferro protagoniza, atualmente, no cenário brasileiro, um mercado que

ultrapassa a faixa de dois bilhões de dólares por ano, somente em exportações. A

indústria de base que beneficia o minério de ferro, oferece uma vasta carta de produtos

que agregam o ferro como principal insumo (BALANÇO TRIMESTRAL, VALE, 2015).

A extração de minério de ferro ocorre em minas a céu aberto, em bancadas com

desmonte a explosivo, escavadeiras, carregamento por pás carregadeiras, transporte

em caminhões fora-de-estrada, usinas de tratamento com britagem, peneiramento,

lavagem, classificação, concentração e pelotização. O minério bruto (hematita com teor

médio de 60% de ferro e itabirito com teor médio de 50%) passa por beneficiamento nas

usinas de tratamento e unidades de pelotização existentes no Brasil, gerando os

produtos granulados (lump) e finos (sinter-feed e pellet-feed) (LUZ & LINS, 2004).

Os produtos granulados são utilizados pelas siderúrgicas nos fornos de redução

direta (ferro gusa), e os minérios finos são utilizados nos processos de aglomeração

como sinterização e pelotização, para produção do sinter (usinas integradas) e pelotas

(usinas de pelotização) e posterior adição nos fornos de redução (ferro gusa e ferro

esponja).

A qualidade física das pelotas de minério de ferro é conferida quando se agrega

resistência mecânica aos aglomerados através do seu processamento térmico em

fornos de Grelha Móvel (Straight Grate). Os fornos processam as pelotas em três etapas

sequenciais: secagem, queima e resfriamento. Segundo Meyer (1980), todas as

propriedades dos aglomerados são obtidas durante a queima, sendo esta etapa,

portanto, decisiva para garantir a qualidade da pelota.

Fornos de pelotização do tipo Grelha Móvel são equipamentos térmicos baseados

em troca interna de calor. Ao ar pré-aquecido proveniente do resfriamento das pelotas

16

na descarga do forno é fornecido calor pelos queimadores posicionados ao longo da

zona de queima e que utilizam gás natural como combustível. A queima das novas

pelotas se dá quando estas entram em contato com o fluxo de ar aquecido.

O consumo de gás natural, combustível da máquina de queima, é da ordem de 35%

do orçamento de uma planta de pelotamento de minério de ferro (BALANÇO

TRIMESTRAL, VALE, 2015). Todo o controle operacional de injeção de combustível no

forno, é realizado através de indicadores de “efeitos” do processo de combustão, tais

como a temperatura e a pressão do ar de combustão. Este tipo de controle não prioriza

a necessidade real de combustível para satisfazer as condições adequadas da câmara

de combustão.

Este trabalho tem o objetivo de estudar as condições adequadas à máquina de

queima de forma a fornecer a resistência necessária às pelotas de minério de ferro,

consumindo a menor quantidade possível de combustível e operando com elevada

eficiência energética.

17

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

Elaborar uma metodologia de análise do desempenho da combustão em fornos de

pelotização de minério de ferro, estilo grelha móvel, de maneira a identificar os pontos

do sistema que influenciam de maneira mais significativa a eficiência energética do

forno, buscando atingir a melhor taxa de conversão da reação da combustão.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Elaborar um procedimento de análise matemática a fim de se atingir a melhor taxa

de conversão estequiométrica na combustão, a partir do estudo dos seguintes

parâmetros:

Velocidade do combustível nos queimadores;

Pressão do combustível nos queimadores;

Relação ar/combustível da reação de combustão;

Temperatura do ar de combustão.

18

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A extração e a transformação de minérios representam um segmento de grande

significado econômico para o Brasil. Dentre os bens minerais que mais se destacam

nesse cenário está o minério de ferro, por conter um dos elementos químicos mais

abundantes na crosta terrestre e de maior aplicação na vida do homem, o Ferro.

O ferro é o mais útil de todos os metais. As suas aplicações, bem como as das suas

ligas, na construção metálica de todos os tipos, são por demais conhecidas. Os

compostos de ferro têm aplicações muito diversas. Assim, o sulfato ferroso usa-se em

tinturaria e como fungicida, o oxalato ferroso em reveladores fotográficos; a limonite e a

hematite como pigmentos, adsorventes e abrasivos; e a magnetite na fabricação de

eletrodos industriais; o nitrato e o cloreto de ferro usam-se como mordentes, como

hemostáticos e como reagentes industriais, sobretudo na indústria dos corantes; o "azul-

da-prússia" e o "azul-de-turnbull" são utilizados na fabricação de tintas de escrever e

outras. Ainda, os carbonilos e nitrosilo de ferro, bem como o ferroceno, têm encontrado

frequente aplicação como catalisadores de muitas reações. (RUSSEL, 1994)

O abastecimento de ferro dos países industrializados foi severamente afetado em

razão da segunda guerra mundial, culminando com o esgotamento de grande parte das

minas. Nestas circunstâncias, dentre as soluções encontradas por tais países cita-se: a

procura de novas minas em países como Brasil, Chile, Venezuela, Peru e também na

África, Austrália e Canadá; o beneficiamento e concentração de minérios pobres para

torná-los economicamente utilizáveis no alto forno; a preparação de materiais com

qualidades superiores aos minérios naturais como produtos de sinterização, pelotização

e de redução direta ou ferro esponja. (MEYER, 1980)

19

Paralelamente, houve expansão da indústria siderúrgica, apoiada pela introdução de

novas técnicas, como também pelos melhoramentos de processos visando obter maior

produtividade operacional. Esta maior produtividade pôde ser obtida nos altos fornos,

observando-se que os mesmos marchavam com melhor rendimento à medida que se

condicionava mais racionalmente sua carga. A observância desta prática permite

trabalhar-se com menor consumo de combustível sólido, obtendo-se, ao mesmo tempo,

maior produção diária de ferro gusa. (ATHAYDE et al, 2012)

Para suprir as necessidades crescentes da indústria siderúrgica e a utilização de

minérios com baixo teor de ferro, desenvolveram-se as pesquisas no setor de

aglomeração, quer aperfeiçoando-se os métodos de sinterização, quer pesquisando-se

outros como a pelotização (MEYER, 1980).

3.1 BREVE HISTÓRICO DO FERRO

O nome "ferro" deriva do latim "ferrum", enquanto o anglo-saxónico "iron" tem origem

no escandinavo "iarn". Acredita-se que o primeiro ferro produzido foi obra do acaso,

quando pedaços de minério de ferro foram usados em vez de pedras nas fogueiras nos

banquetes, onde o fogo era mantido tempo suficiente para permitir a redução. Seguiu-

se a observação que as mais altas temperaturas obtidas quando o vento soprava,

produziam um melhor material. Tentou-se então conseguir através de várias artimanhas

uma rajada de vento artificial, até se conseguir criar uma fornalha de fundição.

Pouco tempo depois da queda do Império Romano, a produção do ferro desenvolveu-

se bastante na Espanha através da confecção pelos artesãos das lâminas de aço. Estes

iriam para a França e Alemanha onde introduziram a forja catalã, cujo desenvolvimento

viria a originar as grandes fornalhas de fundição em meados do século XI. Os produtos

da forja catalã eram ou uma espécie de ferro maleável ou aço. As grandes fornalhas

20

produziam uma variedade de ferro que não podia ser forjado ou temperado, embora

fosse adequado para todos os tipos de moldagem de resistência moderada.

A descoberta, por Cort, de um processo de transformação deste tipo de ferro em ferro

forjado, com custos de produção consideravelmente mais baixos que os possíveis com

a forja Catalã, deu um grande ímpeto à produção de ferro na Inglaterra no século XV,

onde teve início a escalada tecnológica do processo de fabricação do ferro,

impulsionada pelas duas grandes guerras, e tornando o ferro um dos metais de mais

importantes commodities produzidos e exportados pelo mundo (MAHAN e MYERS,

2002).

No Brasil, os primeiros registros remontam ao século XVI, logo após a colonização

portuguesa, e entre os primeiros minérios extraídos no território brasileiro, pode-se

destacar o ouro, o diamante, a prata e o ferro.

Atualmente, o Brasil é o 2° produtor mundial de minério de ferro, são cerca de 199

milhões de toneladas de ferro beneficiada anualmente (BEN, 2015). O ferro é o minério

mais explorado e também o mais exportado pelo Brasil. Suas jazidas estão

concentradas principalmente no Quadrilátero Ferrífero (MG) na Serra dos Carajás (PA)

e no Maciço do Urucum (MS) (BALANÇO TRIMESTRAL, VALE S/A, 2015).

3.2 O MINÉRIO DE FERRO

Mineral é toda substância sólida, inorgânica e cristalina, com composição química e

propriedades físicas bem definidas, resultado de um processo geológico terrestre ou

extraterrestre, sem intervenção humana. Minério é toda rocha constituída de um ou mais

minerais valiosos, aproveitáveis economicamente. A parte mineral não aproveitável do

minério é denominada ganga (MEYER, 1980).

21

O ferro é um dos elementos mais abundantes da crosta terrestre, representando

cerca de 5% em massa, e é encontrado como constituinte, em maior ou menor

quantidade, em todas as classes minerais (BEN, 2015). Como a combinação do ferro

com outros compostos pode ocorrer de formas variadas, existem muitos minerais de

ferro diferentes, conforme demonstra a Tabela 1. Nas condições atuais, apenas os

óxidos são utilizados para a extração de ferro.

Tabela 1 - Composição de ferro nos principais minerais (FONTE: "Insumos Básicos". BNDES Setorial 39, p. 197-234)

Mineral Fórmula química Conteúdo teórico em ferro (%)

Conteúdo teórico em ferro após calcinação (%)

Hematita Fe2O3 69,96 69,96

Magnetita Fe3O4 72,4 72,4

Magnesioferrita MgO·Fe2O3 56-65 56-65

Goethita Fe2O3·H2O 62,9 70

Hidrogoethita 3Fe2O3·4H2O 60,9 70

Limonita 2Fe2O3·3H2O 60 70

Siderita FeCO3 48,3 70

Pirita FeS2 46,6 70

Pirrotita Fe1-xS 61,5 70

Ilmenita FeTiO3 36,8 36,8

Como nem sempre estão na forma em que serão utilizados pelas indústrias, seja por

sua granulometria ou por conter impurezas indesejáveis ao processo, os minérios de

ferro precisam passar pela etapa de beneficiamento. Esta etapa visa purificar o minério,

modificar sua granulometria, a sua forma e a concentração química de suas espécies

componentes, através de métodos físicos ou químicos sem que haja alteração de sua

constituição química (MEYER, 1980).

22

Um típico fluxograma de processo de beneficiamento de minério de ferro pode ser

visto na Figura 1.

Figura 1 - Etapas do processo de beneficiamento do minério de ferro (Borim, 2000)

O minério de ferro é lavrado a céu aberto na maioria das minas. Os produtos do

beneficiamento têm características e granulometrias distintas e cada qual passará ou

não por mais etapas de beneficiamento para posterior utilização, em função de sua

classificação. Segundo MEYER (1980), pode ser adotada a seguinte classificação:

• Granulado (Lump ore): tem granulometria entre 6,3 mm e 31,7 mm e forma irregular

(Figura 2).

Figura 2 - Minério granulado (Disponível em: <www.vale.com>. Acesso em: 26/10/2016)

• Sinter Feed: partículas com tamanho variando entre 0,15 mm e 6,3 mm.

23

• Pellet Feed: partículas finas, com granulometria abaixo de 0,15 mm.

Figura 3 - (a) Sínter; (b) Pelota (Disponível em: <www.vale.com>. Acesso em 26/10/2016)

Sinter feed e pellet feed geralmente não são utilizados diretamente nos fornos de

redução devido a sua granulometria. Estes materiais passam por processos de

aglomeração proporcionando, assim, a utilização destes finos de minério, antes

considerados rejeitos. Tais processos, chamados sinterização e pelotização geram,

respectivamente, o sínter (Figura 3-A) e a pelota (Figura 3-B).

Os bolos de sínter têm estrutura irregular, muito porosa e medem cerca de alguns

centímetros, já as pelotas são aproximadamente esféricas, com diâmetro de cerca de

12 mm, como no caso da Vale (TAKEHARA, 2004).

A aceitação das pelotas na siderurgia se sobrepõe à dos minérios de ferro naturais.

Isto se deve às seguintes razões (MEYER, 1980):

garantem uma uniformidade física e química na composição da carga do alto

forno, aumentando o teor de ferro por metro cúbico de forno, ao substituir

minérios de baixo teor de ferro por pelotas de mais de 65% de Ferro. Isto faz

com que o calor que antes se empregava para formar escórias, seja utilizado

agora para fundir ferro diminuindo, consequentemente, o consumo de

combustível (coque ou carvão vegetal);

24

a uniformidade de tamanhos, a ausência de finos e a sua forma esférica,

permitem uma melhor permeabilidade à passagem de gases através da

coluna do alto forno;

as pelotas se reduzem mais rápido e facilmente que o minério natural, devido

à sua estrutura microporosa e composição química uniforme;

a resistência das pelotas ao manuseio diminui a formação de finos, reduzindo

as perdas.

A Figura 4 mostra o fluxograma com as etapas do processo de fabricação do aço a

partir de tecnologias tradicionais, mostrando a rota do minério de ferro até o produto

acabado. Em destaque na figura, se encontra uma das matérias-primas do processo, a

pelota, que é o material de interesse do presente trabalho. Os produtos intermediários

(ferro gusa e ferro-esponja) passam por outras etapas de refino, nas quais parte do

carbono contido é removida juntamente com impurezas, até chegar ao aço.

Figura 4 - Fluxograma do processo de produção do aço a partir de tecnologias tradicionais

A indústria siderúrgica é a maior consumidora de minério de ferro beneficiado,

utilizando-o como insumo para a produção de aço, que pode conter até 98,5% de ferro

em sua composição (BORIM, 2000).

25

3.3 O MERCADO DE MINÉRIO DE FERRO

O minério de ferro está entre os quatro principais produtos da pauta exportadora

brasileira. Inserido em minérios metalúrgicos, responde por 7,6% das exportações totais

do país (BALANÇO TRIMESTRAL, BRADESCO, 2016). A Figura 5 demonstra esta

distribuição.

Figura 5 - Distribuição da produção anual de minério de ferro no Brasil (Fonte: Bradesco, 2016)

A Figura 6 e a Figura 7 mostram, respectivamente, a produção mundial e

brasileira de minério de ferro:

Figura 6 - Produção mundial de minério de ferro (Fonte: World Steel, 2015)

26

Figura 7 - Produção brasileira de minério de ferro (Fonte: World Steel, 2015)

A usina em estudo possui um orçamento anual de produção na faixa de 4 milhões

de toneladas de pelotas de minério de ferro (BALANÇO TRIMESTRAL, VALE, 2015).

A pelotização de minérios de ferro tem a função mercatória de cobrir demandas que

os minérios in natura não podem atender. Também as restrições ambientais à expansão

da sinterização, já em andamento nos países desenvolvidos, poderão induzir ao maior

consumo de pelotas. Grandes quantidades de pelotas serão ainda necessárias para

promover o crescimento do processo de redução direta. Mais ainda, com a crescente

geração de pellet feed, a pelotização consolida-se como a tecnologia mais adequada

para tratamento desse material superfino no mercado (BALANÇO TRIMESTRAL, VALE,

2015).

3.4 O PROCESSO DE PELOTIZAÇÃO DE MINÉRIO DE FERRO

No caso do minério de ferro, a pelotização de partículas ultrafinas (abaixo de 0,15

mm) encontradas desta forma na natureza ou geradas no beneficiamento, se dá através

de um tratamento térmico. A pelotização tem como produto aglomerados esféricos de

tamanhos na faixa de 8 a 18 mm, com características apropriadas para alimentação das

unidades de redução, tais como altos-fornos (LUZ & LINS, 2004).

27

São três os processos de pelotização, em função do equipamento no qual ocorre:

forno vertical, forno rotativo com grelha móvel e grelha móvel. O forno, objeto de estudo

desta dissertação, é um modelo Grelha Móvel "LURGI" e, considerando-se todos os

aspectos, pode-se afirmar que este processo apresenta algumas vantagens

significativas (MEYER, 1980):

grandes tonelagens podem ser produzidas por ano numa única máquina

(acima de 2 milhões de t/ano);

a qualidade de queima das pelotas é excelente para todos os tipos de

minérios de ferro;

os cinquenta anos de experiência em sinterização resultaram no

desenvolvimento de equipamentos de desempenho e confiabilidade

comprovados.

O processo de pelotização consiste em três importantes etapas, são elas:

preparação, pelotamento e queima, conforme ilustrado na Figura 8.

Figura 8 - Fluxograma do processo de pelotamento de minério de ferro, com destaque na região da máquina de queima, objeto de estudo (cedido por VALE S/A)

28

Na preparação, a matéria prima passa por processos de moagem, filtragem,

mistura e segue para a etapa de aglomeração ou pelotamento. As pelotas de minério

ainda cruas e úmidas são, então, enviadas para tratamento térmico em fornos de grelha

móvel (Straight Grate). A Figura 9 mostra uma visão geral do forno de pelotização.

Figura 9 - Visão geral de um forno de pelotização (cedido por VALE S/A)

A Figura 10 mostra a visão geral (sinótico) dos queimadores do forno de

pelotização em estudo.

Figura 10 - Software de controle operacional dos parâmetros da zona de queima (cedido

por VALE S/A)

29

A queima se dá com o auxílio dos queimadores, responsáveis pela combustão do

gás natural. Os gases de combustão misturam-se aos gases quentes recuperados de

uma etapa posterior de resfriamento e esta mistura é forçada, por ventiladores

centrífugos, a permear o leito de pelotas cruas trazidas pelos carros de grelha,

transferindo calor às mesmas. Nesta “zona de queima” diferentes fenômenos definem

as propriedades finais das pelotas, como é o caso do endurecimento, fundamental para

que se obtenha a adequada resistência mecânica das pelotas (MEYER, 1980).

Os gases quentes, sugados pelos ventiladores centrífugos, passam por caixas de

vento, que retêm qualquer material sólido de maior massa, por gravidade. Ao todo, são

37 caixas de vento no forno, ligadas aos dutos dos ventiladores responsáveis pela

circulação os gases dentro do forno. A região da queima, representada em seção

transversal pela Figura 11, compreende 12 caixas de vento (numeradas de 12 a 23).

Figura 11 - Seção transversal da zona de queima de um forno de pelotização de minério de ferro (MATOS, 2007)

30

Ao deixar a zona de queima as pelotas seguem para a câmara de resfriamento e

cedem calor ao entrar em contato com ar à temperatura ambiente. O ar aquecido e com

temperatura elevada é então conduzido através do duto de recuperação (downcomer)

para a câmara de combustão, onde reage com o gás natural em reação de combustão.

Em seu trabalho sobre o balanço global de energia para o forno da Usina 1 da

CVRD Tubarão, Souza e Machado (1975) propuseram um rendimento térmico da ordem

de 29,18%. Os autores destacam que as perdas energéticas na zona de queima

representam cerca de 43% das perdas térmicas totais do forno.

O custo anual orçado para o combustível (gás natural) que alimenta o forno da

usina em estudo é da ordem de US$ 28 milhões, e é a maior parcela dos gastos totais

de produção, correspondendo a 35%.

O presente trabalho propõe a análise da energia cedida na reação de combustão

que ocorre na zona da queima. Busca-se a sua racionalização a fim de se obter um

menor consumo de combustível.

3.5 A ENERGIA E AS EMISSÕES NO PROCESSO DE PELOTIZAÇÃO

Segundo o Balanço Energético Nacional (BEN, 2016), em 2015, o total de

emissões antrópicas associadas à matriz energética brasileira atingiu 462,3 milhões de

toneladas de dióxido de carbono equivalente (Mt CO2-eq), sendo que (87,6 Mt CO2eq)

são referentes ao setor industrial.

A intensidade de carbono na economia foi de 0,17 kg CO2/US$ppp [2005]. A

economia brasileira permanece sendo, em média, 26% menos intensa em carbono que

a economia europeia, 51% menos do que a economia americana e 73% vezes menos

do que a economia chinesa (IEA, 2013).

31

A oferta interna de energia tem o gás natural, combustível objeto de estudo deste

trabalho, com uma parcela de 13,7% na matriz global de energia brasileira, no ano de

2015, conforme observado na Figura 12.

Figura 12 - Distribuição percentual da oferta interna de energia na matriz brasileira, para

os anos de 2014 e 2015 (Fonte: adaptado de BEN, 2016)

O setor industrial absorve cerca de um terço da energia ofertada no país, conforme

ilustrado na Figura 13:

Figura 13 - Consumo percentual de energia por setor na matriz brasileira, para os anos de

2014 e 2015 (Fonte: adaptado de BEN, 2016)

A indústria de pelotização e mineração de ferro consumiu, em 2015, 3.346 x 103

tep (BEN, 2016), dos quais, aproximadamente 20%, ou 657 x103 tep, estão associados

32

ao gás natural. É um setor com baixo índice de autoprodução energética, e, segundo o

balanço energético nacional de 2016, nenhum investimento em fontes renováveis de

energia.

O setor de pelotização e mineração de ferro pode ser considerado de alto impacto

ambiental, com índices elevados de poluição por gás carbônico em suas operações

(BEN, 2015).

3.6 O PROCESSO DE COMBUSTÃO

A reação de combustão é uma reação química durante a qual um combustível é

oxidado e uma grande quantidade de energia é liberada, caracterizando uma reação

exotérmica. O oxidante mais usado nos processos de combustão é o ar, por conter o

gás oxigênio em sua composição. O oxigênio puro (O2) é usado como oxidante apenas

em algumas aplicações especializadas, como corte e solda, nas quais o ar não pode

ser empregado.

Em mol ou em uma unidade de volume, o ar seco é composto de 20,9% de

oxigênio, 78,1% de nitrogênio, 0,9% de argônio e pequenas quantidades de dióxido de

carbono, hélio, neônio e hidrogênio. Na análise dos processos de combustão, o argônio

do ar é tratado como nitrogênio e os gases que existem em quantidades muito pequenas

são desconsiderados. Assim, a composição do ar seco pode ser aproximada para uma

proporção de 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio em mols. Cada mol de oxigênio que

entra em uma câmara de combustão é acompanhado por 0,79/0,21 = 3,76 mols de

nitrogênio (TURNS, 2013). A Equação 1 exemplifica a relação:

1𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑶𝟐 + 3,76 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑵𝟐 = 4,76 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝒂𝒓 (1)

33

3.6.1. A RAZÃO AR-COMBUSTÍVEL

O fato de expor um combustível em contato com o oxigênio não é suficiente para

iniciar um processo de combustão. O combustível deve ter sua temperatura elevada

acima de sua temperatura de ignição para iniciar a combustão. Além disso, as

proporções entre combustível e ar devem estar dentro do intervalo adequado para que

a combustão se inicie.

O nitrogênio presente no ar interfere no balanço energético da reação de

combustão, uma vez que entra nas câmaras de combustão em grandes quantidades

(próximo a 80% em volume) a baixas temperaturas e sai a temperaturas

consideravelmente mais altas, absorvendo uma grande proporção da energia química

liberada no processo.

Os reagentes da queima em câmara de combustão normalmente contêm água (ou

umidade), formado durante a combustão. A energia cedida à água para que atinja o

estado de vapor, devido à temperatura proporcionada pela combustão, é também

considerada no balanço energético e já subtraída de seu poder calorífico superior (PCS),

gerando, assim, seu poder calorífico inferior (PCI) (TURNS, 2013).

De acordo com o princípio da conservação de massa, a massa total de cada

elemento é conservada durante uma reação química (TURNS, 2013). Uma relação

muito usada na análise dos processos de combustão para quantificar as quantidades

de combustível e ar é a razão AC: ar/combustível. Em geral, ela é expressa em base

mássica e é definida como a razão entre a massa do ar e a massa do combustível para

um processo de combustão, conforme Equação 2:

𝐴𝐶 = 𝑚𝑎𝑟

𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 (2)

34

Um processo de combustão é considerado completo quando todo o carbono do

combustível é queimado para formar CO2, todo o hidrogênio é queimado para formar

H2O e todo o enxofre (se houver) é queimado para formar SO2. Ou seja, todos os

componentes que podem entrar em combustão reagem por completo, o que é uma

situação teórica e ideal. Da mesma forma, o processo de combustão é incompleto se os

produtos da combustão contêm combustível não queimado, como C, H2, CO ou OH.

O oxigênio insuficiente é um dos motivos para a combustão incompleta, mas não

é o único. A combustão incompleta ocorre mesmo quando há́ mais oxigênio presente

na câmara de combustão do que o oxigênio necessário para a combustão completa.

Isso pode ser atribuído à mistura insuficiente na câmara de combustão durante o tempo

limitado em que o combustível e o oxigênio estão em contato. Outra causa da

combustão incompleta é a dissociação, que se torna importante em altas temperaturas.

O oxigênio tem uma tendência muito maior de se combinar ao hidrogênio do que

ao carbono. Assim, o hidrogênio do combustível normalmente queima até́ o final,

formando o H2O, mesmo quando há́ menos oxigênio do que o necessário para a

completa combustão. Parte do carbono, porém, acaba como CO ou apenas como

partículas simples de C (fuligem) nos produtos (TURNS, 2013).

A quantidade mínima de ar necessária para a completa combustão de um

combustível é chamada de ar estequiométrico ou ar teórico. Assim, quando um

combustível é queimado completamente com o ar teórico, nenhum oxigênio não

combinado está presente nos gases do produto. O ar teórico também é chamado de

quantidade de ar quimicamente correta, ou 100% ar teórico. O processo de combustão

ideal durante o qual um combustível é completamente queimado com o ar teórico é

chamado de combustão estequiométrica ou combustão teórica daquele combustível. A

35

combustão teórica do metano, combustível em estudo neste trabalho, componente do

gás natural, é representada na Equação 3:

𝑪𝑯𝟒 + 2(𝑶𝟐 + 3,76𝑵𝟐) → 𝑪𝑶𝟐 + 2𝑯𝟐𝑶 + 7,52𝑵𝟐 (3)

Nos processos de combustão reais é prática comum usar mais ar do que a

quantidade estequiométrica para aumentar as chances de combustão completa ou para

controlar a temperatura da câmara de combustão. A quantidade de ar acima da

estequiométrica é chamada de excesso de ar. A quantidade excedente de ar geralmente

é expressa em relação ao ar estequiométrico como percentual de excesso de ar ou

percentual de ar teórico. Por exemplo, 50% de excesso de ar é equivalente a 150% de

ar teórico, e 200% de excesso de ar é equivalente a 300% de ar teórico. Quantidades

de ar menores do que a quantidade estequiométrica são chamadas de deficiência de ar

e são expressas como percentual de deficiência de ar. Por exemplo, 90% do ar teórico

corresponde a 10% de deficiência de ar. A quantidade de ar usada nos processos de

combustão também é expressa pela taxa de equivalência, que é a relação entre a razão

real combustível/ar e a razão estequiométrica combustível/ar.

Um dispositivo muito usado para analisar a composição dos gases de combustão

é o analisador de gás de Orsat. Nesse dispositivo, uma amostra dos gases de

combustão é coletada e resfriada à temperatura e à pressão ambientes, ponto em que

seu volume é medido. Em seguida, a amostra é colocada em contato com um produto

químico que absorve o CO2. Os gases restantes são restituídos à temperatura e à

pressão ambiente, e o novo volume que eles ocupam é medido. A relação entre a

redução de volume e o volume original é a fração de volume do CO2, que é equivalente

à fração molar se o comportamento de gás ideal for admitido. As frações de volume dos

outros gases são determinadas pela repetição desse procedimento. Na análise de

Orsat, a amostra de gás é coletada e mantida em contato com a agua, de modo que

36

permaneça saturada durante todo o tempo. Assim, a pressão do vapor de agua

permanece constante durante todo o teste. Por esse motivo, a presença de vapor de

agua na câmara de teste é ignorada e os dados são reportados em base seca.

Entretanto, a quantidade de H2O formada durante a combustão é facilmente

determinada pelo balanceamento da equação de combustão.

A primeira lei da termodinâmica enuncia que a energia se conserva. Logo, com o

conhecimento da entalpia dos reagentes e produtos, a transferência de calor durante

um processo de combustão é simplesmente a diferença entre a energia dos reagentes

que entram e a energia dos produtos que saem da câmara de combustão.

Na falta de interações de trabalho e de variações das energias cinética ou

potencial, a energia química liberada durante um processo de combustão se perde como

calor para a vizinhança ou é usada internamente para elevar a temperatura dos produtos

da combustão (TURNS, 2013). Quanto menor for a perda de calor, maior será́ a

elevação da temperatura. No caso limite de nenhuma perda de calor para a vizinhança

(Q = 0), a temperatura dos produtos atinge um valor máximo que é denominado

temperatura teórica de chama ou temperatura adiabática de chama da reação, que será

utilizada neste trabalho como referência nas situações teóricas. A temperatura

adiabática de chama varia em função do estado dos reagentes, do grau de conclusão

da reação e da quantidade de ar usada.

A taxa de conversão (η) de uma reação de combustão refere-se ao percentual de

conversão de reagentes em produtos numa determinada reação, tendo como referência

a estequiometria de uma combustão completa, na qual η=1.

Uma das maneiras de se atingir uma elevada taxa de conversão é através da

relação ar/combustível. O combustível tem a necessidade de reagir com a maior

quantidade de massa de oxigênio possível, próxima do balanceamento estequiométrico

37

da reação, para realizar uma combustão mais próxima possível de ser completa.

Variações de 20% de volume de ar excedente na reação de combustão do gás metano

podem reduzir a temperatura de ignição em até 10%. A Tabela 2 demonstra a relação

entra a variação da razão ar/combustível e a temperatura de ignição do gás metano,

principal componente do gás natural.

Tabela 2 - Temperatura de ignição do Metano para várias proporções de mistura

ar/combustível

Proporção de Ar Teórico

(%) m³ar/m³metano

Temperatura de Ignição

(°C)

80 6,85 740

100 8,00 705

110 9,52 698

120 10,67 666

(adaptado de Gas Engineers Handbook/ SINDE)

Uma menor temperatura de ignição implica em uma menor quantidade de energia

desprendida para realizar a reação, e consequentemente melhor aproveitamento da

energia liberada pelo combustível. Logo, excesso de ar pode aumentar a performance

da combustão, desde que analisado para que o ar excedente que não reage na

combustão não absorva parte da energia liberada. Vlassov (2001) admite em sua obra

que um excesso de 7% de ar em relação ao volume de combustível nas reações do gás

natural é o ideal, enquanto Bazzo (1995) afirma que 12% de excesso seria o indicado.

O processo de combustão é responsável por mais de 85% da energia utilizada

pelo homem, sendo estratégico para a economia de todos os países.

38

A queima de derivados do petróleo, gás natural, carvão mineral, lenha, carvão

vegetal e dos resíduos agroindustriais corresponde a mais de 80% da energia utilizada

no Brasil (BEN, 2016). Portanto, a combustão tem grande impacto nos setores industrial,

de transporte e de geração de energia elétrica.

3.6.2. ESTRUTURA E COMPOSIÇÃO DAS CHAMAS

As chamas têm estrutura e composição bastante complexas. A emissão de luz

nestas, resulta da presença não só de átomos e íons excitados, mas também de

fragmentos de moléculas e partículas sólidas incandescentes. O processo de

combustão envolve, com raras exceções, muitas etapas e depende de fatores tais como

composição do combustível, fração relativa deste e do oxigênio, temperatura e pressão

(TURNS, 2013).

A combustão de compostos orgânicos (por exemplo, hidrocarbonetos e álcoois) é

conhecida apenas em seus aspectos mais gerais. Os mecanismos que envolvem a

combustão destes compostos são complexos em função da diversidade de moléculas,

radicais e fragmentos moleculares que tomam parte no processo (TURNS, 2013).

Diversos produtos podem ser gerados, em função da composição do combustível

e sua concentração relativa ao oxigênio. Em geral o excesso de oxigênio conduz à

combustão completa, gerando gás carbônico e água, com chama normalmente azulada

(TURNS, 2013).

A diminuição na quantidade relativa de oxigênio conduz à oxidação parcial da

matéria orgânica, podendo-se gerar, por exemplo, monóxido de carbono e água. No

caso extremo, formam-se partículas de carbono (negro de fumo) incandescentes e em

parte responsáveis pela cor amarelada das chamas fuliginosas.

39

A diminuição da quantidade de oxigênio disponível para combustão, gera produtos

que vão do CO2 para o CO e finalmente para carbono livre (C). Este, na forma de

partículas de fuligem, pode ser observado nas chamas pobres em oxigênio, sendo o

principal responsável pela cor amarelada destas. Deste modo, o controle da quantidade

de oxigênio presente na mistura vai determinar as características de temperatura, cor e

luminosidade da chama formada.

3.6.3 TIPOS DE CHAMAS

As chamas podem ser classificadas em dois tipos: chamas de pré-mistura e

chamas de difusão. Nas primeiras, o combustível, normalmente gasoso, é misturado ao

oxigênio antes a queima. O que se inflama, portanto, é a mistura desses dois

componentes (TURNS, 2013).

As chamas ainda podem variar de laminar a turbulentas, de acordo com o

escoamento da frente de chama, conforme demonstrado na Figura 14.

Figura 14 - Classificação dos tipos de chamas

40

A Figura 15 mostra a variação de comburente formando chamas difusas e de pré-

mistura.

Figura 15 - Comportamento de chama difusa (esquerda) a pré-mixada (direita) pela

variação da disponibilidade de oxidante.

Chamas de pré-mistura geram uma combustão normalmente de temperatura

muito alta e de baixa luminosidade, controladas pela proporção combustível/oxigênio. A

Figura 16 ilustra as características da estrutura de uma chama pré-misturada.

Figura 16 - Estrutura de chama laminar pré-mixada (adaptado de Turns, 2013)

41

As chamas de difusão são aquelas em que não houve pré-mistura de seus

componentes. A difusão molecular, que ocorre muitas vezes de modo turbulento, é

responsável pela mistura de gases nesse tipo de chama (TURNS, 2013).

Nesses casos, a proporção combustível/oxigênio é de difícil controle, resultando

muitas vezes em baixa quantidade de comburente, gerando chamas luminosas,

turbulentas e fuliginosas. Chamas de difusão são geradas normalmente pela combustão

livre de sólidos e líquidos expostos ao ar (TURNS, 2013).

Como pode ser observado nas figuras, as chamas não-turbulentas apresentam

uma estrutura definida. Cada uma das regiões observáveis é conhecida como cone de

chama. Os cones têm diferente composição e temperatura. A parte mais interna da

chama é conhecida como zona de combustão primária, enquanto a parte mais externa

é dita zona de combustão secundária. Entre essas duas situa-se a região interzonal, a

mais quente da chama. A temperatura alcançada pelas chamas depende de vários

fatores, entre os quais os tipos de combustível e comburente usados (TURNS, 2013).

A taxa de energia térmica, ou potência térmica (�̇�), cedida pela chama para elevar

a temperatura de determinado corpo de massa m, de uma temperatura T1 a uma

temperatura T2, pode ser descrita pela equação da energia química liberada pelo

combustível, responsável pelo aumento da temperatura do ar, de massa m, conforme

descrito na Equação 4:

�̇� = �̇�𝑐𝑝(𝑇2 − 𝑇1) (4)

Através desta equação, e das características termoquímicas dos combustíveis, é

possível deduzir a eficiência de um processo de combustão.

Khalil et al. (2010), em estudo sobre a influência da variação da pressão na

temperatura da chama, ilustra que para diferentes pressões, à uma mesma velocidade

42

do combustível, a variação da temperatura na chama não muda em grandes proporções,

conforme Figura 17.

Figura 17 - Distribuição da temperatura na chama (Velocidade = 10 (m/s), a diferentes

pressões) (por Khalil, 2010)

No caso do forno estudado neste trabalho, o ar que adentra a câmara de combustão

é proveniente da zona de resfriamento e, devido aos ventiladores, ocorre um

cruzamento entre o fluxo de gases de combustão advindos dos queimadores e o fluxo

de gases que chegam à câmara de combustão.

Existe uma deflexão no interior da câmara de combustão causada pela variação de

pressão resultante do cruzamento entre os dois escoamentos. Lefebvre (1990) citado

por Athayde et al. (2012), modelou esta deflexão em função da variação de pressão,

conforme equação 5.

𝐽 =𝑄𝑗𝑎𝑡𝑜

𝑄𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 (5)

Onde J representa a razão entre as quantidades de movimento e Qjato e Qfluxo

representam as quantidades de movimento do jato e do fluxo de gás.

43

Figura 18 - Comportamento do fluxo cruzado de gases (Lefebvre, 1990 citado por Athayde

et al., 2012)

A Figura 18 ilustra o comportamento do cruzamento dos fluxos de gases na

câmara de combustão

A distribuição da temperatura na chama defletida de um queimador de forno de

usina de pelotização similar ao estudado neste trabalho, foi modelado por Athayde et al.

(2012) através de CFD (Computational Fluid Dinamics) e é ilustrado na Figura 19.

Figura 19 - Perfil da temperatura ao longo da chama na saída do queimador na câmara de

combustão, simulado em CFD (Athayde et al., 2012)

44

3.6.4 QUEIMADORES

A função do queimador é a de fazer com que o combustível e o oxidante fiquem

em contato o tempo suficiente e à temperatura suficiente para ocorrer e completar a

reação de combustão. Uma vez que a maioria das reações de combustão acontecem

na fase gasosa, o contato eficiente depende de: tempo, temperatura e turbulência.

Em geral os queimadores não podem ser considerados isolados do forno pois os

arredores obviamente vão ter um efeito sobre a quantidade de calor perdida pela chama,

consequentemente sobre a sua temperatura, sobre o tempo em que os gases da chama

são mantidos na zona de combustão e, sobre a recirculação do gás. Porém, para efeito

de pesquisa, utilizando-se da metodologia adequada, convém realizar a análise isolada

do queimador (TURNS, 2013).

Pode-se classificar os queimadores de gás em 3 tipos básicos, conforme a

maneira em que é misturado o ar e o gás combustível (TURNS, 2013):

queimadores de chama de difusão

queimadores com pré-mistura

queimadores com bicos de mistura (ou de mistura direta).

Os queimadores em estudo neste trabalho são do tipo com pré-mistura.

O corpo dos 38 queimadores possui 1.067 mm de comprimento longitudinal e 50

mm de diâmetro, com paredes de 10 mm de espessura, e tem um bocal formado por 30

ou 36 tubos menores, de 3 mm de diâmetro e 10 mm de comprimento cada, distribuídos

conforme a Figura 20.

45

Figura 20 - Vista frontal da saída do queimador do forno de pelotização de minério de ferro

(fornecido por Vale S/A)

Existe uma linha de distribuição de gás natural para os queimadores, que opera

com uma pressão na faixa de 200 KPa, medida por manômetros instalados na linha dos

queimadores do forno em estudo.

Em relação à velocidade de saída do combustível nos queimadores, Khalil et al.

(2010), em um experimento com a distribuição de temperatura na chama do gás metano,

principal constituinte do gás natural, mostra que para uma pressão de 200 KPa, quanto

maior a velocidade do combustível, melhor a distribuição da energia da reação de

combustão pela chama (Figura 21).

Figura 21 - Distribuição da temperatura na chama (P = 2 (bar) a diferentes velocidades).

(Khalil et al. 2010)

46

Em condições turbulentas no escoamento do combustível, o qual possui

velocidade diferente da de propagação da chama, uma chama laminar frontal distorcida

(enrugada) aparece em função da complexidade do perfil no campo de velocidades, tal

como mostrado na Figura 22.

Figura 22 - Esboço da diferença nas linhas de ação direcionais (superior) e na topografia da frente de chama (inferior) entre uma chama laminar e uma turbulenta (Chatrathi et al., 2001)

Localmente, a mistura ainda se propaga com a velocidade de queima laminar,

logo, o consumo de combustível aumenta proporcionalmente ao aumento de área de

superfície. O resultado é equivalente a uma velocidade de combustão mais rápida e

turbulenta, cuja grandeza está relacionada com a intensidade da turbulência local, bem

como outros parâmetros de turbulência. A consequência é que a taxa de formação de

47

produtos é maior, devido à diminuição da densidade resultante da reação. (GRIFFITHS

& BARNARD, 1995).

Uma chama turbulenta provoca o aumento do consumo de combustível na reação.

Este efeito pode ser minimizado alterando a geometria do queimador, uma vez que se

torna inviável alterar a pressão do combustível na rede de abastecimento, por questões

fluidodinâmicas do projeto de fornecimento.

Em estudo sobre os efeitos das velocidades de combustíveis e chamas em

queimadores, Chatrathi et al. (2001), demonstraram que para razões de comprimento

sobre diâmetros de tubos (L/D) que variam entre 1 e 50, a velocidade não é afetada pelo

diâmetro, e para razões que excedem 50, a velocidade tende a aumentar

proporcionalmente ao diâmetro. No o caso do queimador em estudo (L/D = 1067/40 =

26,675), através de um teste simples de bancada, é possível racionalizar o consumo de

combustível através de alterações no diâmetro e/ou no comprimento do queimador em

estudo, testando protótipos que obedeçam à razão L/D<50 e medindo a vazão mássica

de combustível, correlacionando os dados coletados, buscando um ponto ótimo de

operação.

Em relação ao comportamento das velocidades do ar proveniente do resfriamento

e também dos gases de combustão, Athayde et al (2012) demonstram em simulação

CFD, conforme visto na Figura 23, que a velocidade dos gases influencia diretamente o

perfil de acomodação no leito de pelotas, e, consequentemente, a distribuição de

temperatura no mesmo. Quanto maior a velocidade (acima de 150 m/s), menor a

estabilidade na distribuição do escoamento no leito. Neste caso, sugere-se o ajuste do

damper no sistema de ventilação forçada a jusante da câmara de combustão.

48

Figura 23 - CFD da velocidade dos gases na região da queima (Athayde et al, 2012)

49

4 MATERIAIS E MÉTODOS

A metodologia científica adotada para o estudo, utiliza-se, a princípio, do método

de procedimentos (coleta direta de variáveis), e, posteriormente, do método indutivo

(partindo de dados particulares, suficientemente constatados, infere-se uma verdade

geral ou universal).

Os dados operacionais e construtivos do forno de pelotização de minério de ferro

utilizados neste trabalho foram cedidos integralmente pela VALE S/A. Esta pesquisa

contemplou as seguintes variáveis, que afetam a energia consumida ou cedida pela

reação de combustão: a velocidade e pressão do combustível nos queimadores, a

temperatura dos gases de combustão e do ar reagente, a taxa de conversão

estequiométrica e a relação ar/combustível da reação.

Alguns dados fundamentais não são possíveis de coletar com o forno em

operação, porém, as variáveis primárias que compõem as equações destes dados,

possuem instrumentos de leitura no equipamento. Logo, as equações finais foram

desenvolvidas e foram feitas propostas, de acordo com o estudo, de variáveis

fundamentais e compostas no forno, objetivando a redução do consumo de combustível.

Os dados para desenvolvimento destes parâmetros, através das informações primárias

coletadas no forno, encontram-se nas Tabelas 1 a 12 do Anexo 1.

Para a simulação das reações de combustão, foi utilizado o Gaseq®. É um

software destinado ao cálculo de equilíbrio químico de reações de combustão, que pode

ser obtido gratuitamente. O software possui uma plataforma simples e objetiva, com

situações de equilíbrio químico pré-definidas e uma carta de elementos e substâncias

que podem ser selecionados como reagentes e produtos. O programa permite o cálculo

de combustão incompleta através da entrada das concentrações das espécies

químicas, além de informar todas as propriedades termoquímicas dos reagentes e

produtos envolvidos na reação.

50

A Figura 24 mostra a plataforma do software Gaseq®.

Figura 24 - Simulação de uma reação de combustão no software GASEQ®

É importante enfatizar que a manipulação das variáveis de processo neste

trabalho, visando à obtenção de uma menor vazão mássica de combustível, obedeceu

alguns critérios operacionais importantes, tais como a manutenção da taxa de energia

calorífica (�̇�) uma vez que os parâmetros termoquímicos necessários no processo de

endurecimento das pelotas de minério de ferro devem permanecer inalterados para que

se mantenha a qualidade de produção.

51

Ainda em relação à taxa de energia calorífica, modelos em CFD (Computational

Fluid Dinamics) como o apresentado no estudo realizado por Athayde et al. (2012),

demonstram que é possível racionalizar a transferência de calor entre o fluxo convectivo

de gases de combustão e o leito de pelotas cruas, buscando maximizar a transferência

de energia.

Devido às características construtivas do sistema de fornecimento de combustível

do forno, considerou-se o estudo do único combustível em operação, que é o gás

natural. Logo, mostrou-se inviável considerar o PCI de outros combustíveis, também

possíveis na alimentação do forno, o que levaria também a variações no calor específico

e na temperatura dos gases de combustão.

Seguem as considerações referentes à abordagem das principais variáveis em

estudo, considerando a metodologia adotada.

PROPRIEDADES DO COMBUSTÍVEL

Através da composição do gás natural fornecido pela concessionária fornecedora

do combustível, foi possível calcular a massa específica (ρ), a viscosidade dinâmica do

fluído combustível (μ) e o coeficiente de compressibilidade (Z), resultantes das espécies

que compõem o combustível pelo software Gaseq®.

PRESSÃO DE ENTRADA DO COMBUSTÍVEL

Conhecendo a pressão de entrada (P1) nos queimadores e a pressão da câmara

de combustão (P2), onde o combustível é injetado, chega-se à diferença de pressão

(ΔP), que contempla as perdas de carga reais no queimador, em função da rugosidade

52

do material de construção, turbulência, entre outros. A influência da temperatura na

massa específica foi obtida pela Equação 6.

𝑃𝑉 = 𝑍𝑅𝑔𝑇 (6)

VELOCIDADE DO COMBUSTÍVEL

Através da área de transporte de combustível nos queimadores (A) e a leitura da

vazão (�̇�) fornecida pelo sensor instalado na linha de distribuição de gás do forno, a

velocidade inicial (v1) foi definida. De posse destes dados, calculou-se a velocidade de

saída (v2) do combustível no queimador, sendo igual a 332,12 m/s, através da Equação

7.

𝑑𝑚

𝑑𝑡) = 0 =

𝜕

𝜕𝑡∫𝜌 𝑑𝑣 + ∫(𝜌�⃗� 𝑑𝐴 ) (7)

Este cálculo tem por objetivo a obtenção de uma velocidade de referência, a fim

de determinar o tipo de escoamento e a sua influência sobre a combustão. A hipótese

do contínuo e de conservação de massa foram consideradas, bem como um fluxo

forçado em um duto de seção constante, sem acúmulo ou geração de massa no sistema

de injeção de combustível.

Considerou-se também o fluído newtoniano não-ideal em escoamento

compressível (número de Mols ≤ 0,3), corrigido pelo coeficiente de compressibilidade

(Z) através do Gaseq® para ajuste das equações de estado.

53

TAXA DE CONVERSÃO DA REAÇÃO

A composição do gás natural na Tabela 3 compreende a média dos cinco

primeiros meses do ano de 2015 do gás recebido da concessionária pela VALE S/A.

Tabela 3 - Média de cinco meses da composição de gás natural, através de coleta diária

da composição fornecida pela concessionária

Composição do Gás Natural

Mês Metano (%) Etano (%) Propano

(%)

Butano

(%)

N2 + CO2

(%)

N2 (%)

1 88,11 6,56 2,29 0,66 2,37 0,59

2 88,28 6,44 2,28 0,65 2,35 0,58

3 88,06 6,47 2,30 0,76 2,41 0,57

4 88,44 6,20 2,22 0,72 2,41 0,56

5 88,68 6,10 2,19 0,76 2,27 0,59

Média 88,32 6,35 2,26 0,71 2,36 0,58

Neste trabalho, fez-se um estudo comparativo, através da modelagem de uma

equação estequiométrica com taxa de conversão de valor η=0,90, valor ideal de uma

reação de combustão para o caso em estudo, conforme pode ser observado nas

Tabelas 1 a 12 do Anexo 1.

54

TEMPERATURA DOS GASES DE COMBUSTÃO

As reações foram simuladas no Gaseq®, e a temperatura dos gases de

combustão foi calculada no software para a obtenção da energia térmica liberada. O

balanço estequiométrico segue na Equação 8.

η=0,90:

[𝐶1.1064𝐻4.1656 + 0.0178 𝐶𝑂2 + 0.0058 𝑁2] + 2.0925 ∗ (𝑂2 + 3.76 𝑁2) → 1.0136 𝐶𝑂2 +

0.1106 𝐶𝑂 + 0.0058 𝑁2 + 2.0828 𝐻2𝑂 + 3.76 ∗ 2.0925 ∗ 𝑁2 (8)

Foi possível calcular através do software Gaseq® todas as propriedades, dos

reagentes e dos produtos, necessárias para o desenvolvimento da pesquisa.

EFICIÊNCIA DA COMBUSTÃO

Com a temperatura dos gases de combustão para η=0,90, e as temperaturas

medidas nos queimadores do forno, foi possível determinar a taxa de energia fornecida

pela combustão (�̇�) nos dois casos (teórico para η=0,90 e real), através do

desenvolvimento da Equação 4, chega-se a Equação 9, que relaciona a energia liberada

pelo combustível com a energia para a elevação da temperatura dos gases de

combustão.

�̇� = 𝑚𝑐̇ 𝑃𝐶𝐼𝑔𝑛 − 𝑚�̇�cp𝑔(𝑇𝑔 − 𝑇𝑎𝑟) (9)

Na qual a vazão mássica de combustível (�̇�𝑐 = 1,741 Kg/s) para ambos os casos

foi considerada pelo produto entre a vazão volumétrica de combustível (�̇�𝑐 = 2,318

Nm³/s) medida no forno em condições normalizadas de operação e a massa específica

do combustível (ρc) em condições normalizadas. O poder calorífico inferior (PCI =

55

36.048 KJ/m³) do combustível gás natural corresponde a uma média de 150 dias dos

laudos fornecidos pela concessionária, considerado o mesmo nos dois casos.

A vazão mássica de gás de combustão (�̇�𝑔) corresponde à relação da razão entre

volume de reagentes e volume de produtos (Vr/Vp) obtida através do software Gaseq®,

a massa específica dos reagentes (ρr) e a taxa de consumo de combustível (�̇�𝑐). O

calor específico dos gases de combustão (Cpg) foi obtido para a composição das

espécies em ambos os casos. As variações no calor específico dos gases de combustão

tem influência direta no consumo de combustível, uma vez que toda a energia gerada

na reação de combustão depende do calor específico da composição dos gases de

combustão para ser transferida ao leito de pelotas cruas numa taxa com maior ou menor

efetividade, dependendo do seu valor, Turns (2013) apresenta um modelo polinomial

para a obtenção do calor específico em misturas, sendo que é possível simular no

software Gaseq® com excelente aproximação este cálculo. A metodologia de cálculo

está descrita no link: http://www.gaseq.co.uk/calc.doc. A temperatura de saída dos

gases (Tg) foi obtida através do Gaseq® para η=0,90 e coletada experimentalmente para

a situação real. A temperatura do ar de combustão (Tar = 859 °C) foi medida através de

termopares instalados no forno e é considerada a mesma para os dois casos.

56

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DO COMBUSTÍVEL

O número de Mach (Ma) relaciona a velocidade de um corpo ou escoamento com

a velocidade do som no meio em que se encontra. Através da composição das espécies

do gás natural, sua temperatura e pressão no queimador, obteve-se a velocidade do

som no escoamento, calculada através do Gaseq®. O resultado calculado para o

escoamento do gás natural foi da ordem de Ma = 0,77. Para valores entre 0,2 < Ma <

0,8, o fluído desloca em velocidade subsônica, mostrando que dentro do queimador não

existe elevação de pressão e temperatura oriundas de ondas de choque (que ocorrem

quando Ma > 1), o que poderia provocar ignição espontânea no combustível. O sistema

de fornecimento de combustível do forno possui válvulas pneumáticas que controlam a

vazão de combustível nos queimadores de acordo com as necessidades do processo.

No cálculo anterior, estas válvulas foram consideradas totalmente abertas, situação em

que o combustível atinge maior vazão volumétrica.

Verifica-se que o aumento da velocidade do gás natural no queimador analisado

favorece uma distribuição mais homogênea de temperatura na chama.

Utilizando o software Gaseq®, obteve-se os valores da viscosidade dinâmica do

fluído combustível (μ), e, juntamente com o valor da velocidade de saída (v2), calculou-

se o número de Reynolds (Re) do escoamento.

𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝐷

𝜇 (10)

O número de Reynolds (Re) do fluxo de combustível para a saída no bocal do

queimador analisado é da ordem de 106, evidenciado pela Equação 9, o que caracteriza

um escoamento turbulento (Re > 4000).

57

A velocidade do combustível no queimador deve ser diminuída. A relação L/D do

queimador é 26,675. Para L/D abaixo de 50, o diâmetro não afeta a velocidade, mas

testes de protótipos devem ser feitos, alterando a relação L/D, buscando reduzir a

velocidade através de testes de diferentes materiais, com rugosidades variadas. A

instalação de uma válvula na linha de alimentação de gás é uma alternativa eficiente

para a redução da velocidade.

A Figura 25 ilustra o resultado numérico relacionando a eficiência da combustão

com a velocidade e o consumo do combustível, constatando que o aumento da

velocidade do combustível tende a aumentar a eficiência e reduzir o consumo de

combustível.

Figura 25 – Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Velocidade do Combust ível e do Consumo de Combustível

O aumento da velocidade do combustível resulta no aumento da potência térmica,

conforme demonstrado na Figura 26.

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Co

nsu

mo

de

com

bu

stív

el (Kg/s)

Vel

oci

dad

e d

o C

om

bu

stív

el (m/s)

Eficiência da Combustão (%)

Velocidade do Combustível

Velocidade do Combustível Consumo de Combustível

58

Figura 26 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Velocidade do Combust ível e d a Potência Térmica

5.2 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DO COMBUSTÍVEL

Neste estudo revelou-se a deflexão ocorrida na chama em função do cruzamento

dos escoamentos.

A deflexão observada na chama, causada pelo ar de cogeração proveniente do

resfriamento do forno, provoca variações na pressão que aumentam o consumo de

combustível. É necessário diminuir a velocidade do fluxo de ar proveniente da zona de

resfriamento, através do damper existente na linha, até que se atinja a estabilidade da

chama.

A redução da velocidade do ar proveniente da câmara de resfriamento certamente

irá resultar em um menor consumo de combustível, pela redução da deflexão na chama

provocada pela alteração da pressão oriunda dos escoamentos cruzados, resultando

em uma melhor propagação da chama e consequentemente melhor troca térmica.

49,00

50,00

51,00

52,00

53,00

54,00

55,00

56,00

57,00

58,00

59,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Po

tên

cia

Térm

ica (M

J)

Vel

oci

dad

e d

o C

om

bu

stív

el (m/s)

Eficiência da Combustão (%)

Velocidade do Combustível

Velocidade do Combustível Potência Térmica

59

O gráfico da Figura 27 relaciona a eficiência da combustão com a pressão e o

consumo do combustível, demonstrando que o aumento da pressão do combustível nos

queimadores tende a aumentar a eficiência e reduzir o consumo de combustível.

Figura 27 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Pressão do Combustível e do Consumo de Combustível

O aumento da pressão do combustível provoca o aumento da potência térmica,

conforme demonstrado na Figura 28.

Figura 28 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Pressão do Combustível e da Potência Térmica

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Co

nsu

mo

de

com

bu

stív

el (Kg/s)

Pre

ssão

do

Co

mb

ust

ível

(KPa)

Eficiência da Combustão (%)

Pressão do Combustível

Pressão do Combustível Consumo de Combustível

48,00

50,00

52,00

54,00

56,00

58,00

60,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Po

tên

cia

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ica (M

J)

Pre

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Co

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ust

ível

(KPa)

Eficiência da Combustão (%)

Pressão do Combustível

Pressão do Combustível Potência Térmica

60

5.3 INFLUÊNCIA DA RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL

As “caixas de vento” configuram a região de saída da câmara de combustão, nas

quais os gases de combustão são direcionados para recirculação no forno. A Figura 29

relaciona a quantidade de volume de ar pela região de cada caixa de vento na zona da

queima no forno, disponível para a reação de combustão com o volume de combustível

na mesma região. Através dos cálculos de vazão de combustível nos queimadores e da

vazão de ar proveniente dos downcomers no forno em estudo, foi possível traçar o perfil

da razão entre o volume de ar disponível na câmara e o volume de combustível em cada

caixa de vento na região da queima.

Figura 29 - Relação entre o volume de ar disponível, e o volume de combustível nas caixas

de vento da câmara de combustão do forno

O resultado demonstrou que existe excesso de volume de ar em relação ao

volume de combustível na câmara de combustão, a uma razão diferente. Uma análise

das espécies químicas dos gases de combustão deve ser realizada, para se definir qual

a taxa real de oxigênio está sendo consumida pelo combustível e, portanto, definir a

relação real ar/combustível. Dadam (2005), em seu trabalho, variando a relação

ar/combustível na combustão de gás natural, atingiu uma economia de 18,9% de

combustível, apenas ajustando o excesso de ar nos reagentes.

61

Os resultados do presente estudo evidenciaram que o ajuste deste parâmetro

tende a reduzir consideravelmente o consumo de combustível no forno de pelotização.

A análise numérica na saída da zona de queima, nas seções do forno

denominadas “caixas de vento”, mostra que existe excesso de ar na câmara de

combustão. Porém não se sabe a composição dos gases de combustão para definir a

relação A/C real. A instalação de um analisador de gases na chaminé do forno é

fundamental para ajustar a relação A/C.

Dependendo do resultado da concentração dos produtos, manobras nas válvulas

do sistema de fornecimento de combustível podem ser efetuadas para reduzir o

consumo de combustível.

O gráfico da Figura 30 relaciona a eficiência da combustão com a relação

ar/combustível e o consumo do combustível, demonstrando que o aumento da relação

ar/combustível na câmara de combustão tende a aumentar a eficiência e reduzir o

consumo de combustível.

Figura 29 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Relação Ar/Combustível e do Consumo de Combustível

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Co

nsu

mo

de

com

bu

stív

el (Kg/s)

Rel

ação

Ar/

Co

mb

ust

ível

(%)

Eficiência da Combustão (%)

Relação Ar/Combustível

Relação Ar/Combustível Consumo de Combustível

62

Na Figura 31 observa-se que o aumento da relação ar/combustível aumenta a

potência térmica.

Figura 30 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Relação Ar/Combustível e da Potência Térmica

5.4 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DO AR DE COMBUSTÃO

Uma propriedade importante na análise da temperatura da chama é a temperatura

do ar para combustão (Tar), em seu trabalho, Dadam (2005) mostra que quanto maior a

temperatura do ar que reage com o gás natural, maior será a temperatura da chama, e,

consequentemente, maior a energia cedida pela reação.

A temperatura do ar na câmara de combustão do forno em estudo é da ordem de

Tar = 859°C, o que possibilita uma redução no consumo de combustível. Porém, uma

análise da concentração dos reagentes deve ser efetuada, monitorando a temperatura

na câmara de combustão, pois altas temperaturas do ar de combustão tendem a reduzir

sua massa específica, o que, para um sistema fechado como a câmara de queima, pode

afetar a relação ar/combustível.

49,00

50,00

51,00

52,00

53,00

54,00

55,00

56,00

57,00

58,00

59,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Po

tên

cia

Térm

ica (M

J)

Rel

ação

Ar/

Co

mb

ust

ível

(%)

Eficiência da Combustão (%)

Relação Ar/Combustível

Relação Ar/Combustível Potência Térmica

63

Um analisador de gases também possibilitará a análise da concentração dos

reagentes da queima, monitorando sua temperatura na câmara de combustão. Altas

temperaturas do ar de combustão tendem a reduzir sua massa específica, o que, para

um sistema fechado como a câmara de queima, pode afetar a relação ar/combustível.

A Figura 32 ilustra o comportamento da eficiência da combustão com a

temperatura do ar de combustão e o consumo do combustível, demonstrando que

quanto maior a temperatura do ar na câmara de combustão, maior a eficiência e menor

o consumo de combustível.

Figura 31 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Temperatura do Ar de Combustão e do Consumo de Combust ível

Os resultados demonstrados na Figura 33 reforçam que o reaproveitamento do ar

de combustão proveniente do resfriamento, que adentra a câmara de combustão em

temperatura elevada, tende a aumentar a potência térmica.

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

680,00

700,00

720,00

740,00

760,00

780,00

800,00

820,00

840,00

860,00

880,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Co

nsu

mo

de

com

bu

stív

el (Kg/s)

Tem

per

atu

ra d

o A

r d

e C

om

bu

stão

(°C)

Eficiência da Combustão (%)

Temperatura do Ar de Combustão

Temperatura do Ar de Combustão Consumo de Combustível

64

Figura 32 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Temperatura do Ar de Combustão e d a Potência Térmica

5.5 EFICIÊNCIA DA COMBUSTÃO

Pelos cálculos realizados, a potência térmica da combustão nas condições atuais

é �̇�𝑟𝑒𝑎𝑙 = 52,018 MJ e �̇�(η=0,90) = 57,822 MJ, ou seja, um aporte térmico 11,15% maior

através do ajuste da reação de combustão.

Considerando que se mantenha a mesma taxa de geração de energia, similar à

atual, necessária para o endurecimento das pelotas, e ajustando a vazão mássica de

combustível (�̇�𝑐) para o modelo em que �̇�(η=0,90), chegou-se a um valor de �̇�𝑐 = 1,579

Kg/s para as mesmas condições de operação do forno. Uma redução de 9,25% no

consumo de combustível. A Tabela 4 ilustra os comportamentos.

49,00

50,00

51,00

52,00

53,00

54,00

55,00

56,00

57,00

58,00

59,00

680,00

700,00

720,00

740,00

760,00

780,00

800,00

820,00

840,00

860,00

880,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Po

tên

cia

Térm

ica (M

J)

Tem

per

atu

ra d

o A

r d

e C

om

bu

stão

(°C)

Eficiência da Combustão (%)

Temperatura do Ar de Combustão

Temperatura do Ar de Combustão Potência Térmica

65

Tabela 4 - Comparativo entre a situação atual e η = 0,90 para o aporte térmico e o

consumo de combustível

Mantendo o consumo

(�̇�𝑐)

Mantendo a potência

(�̇�)

�̇�real (MJ) �̇�η=0,90 (MJ) �̇�𝑐(real) (Kg/s) �̇�𝑐(η=0,90) (Kg/s)

52,018 57,822 1,741 1,579

Ganho de 11,15% na potência térmica

Redução de 9,25% no consumo de

combustível

É indicada a instalação de um analisador de gás de combustão no sistema de

tiragem do forno (existem modelos na indústria que analisam a concentração das

espécies COx, NOx e SOx). Através da análise da composição das espécies dos

produtos da combustão, é possível ajustar o fornecimento de combustível para uma

melhor taxa de conversão (η), o que pode resultar em 9,25% de redução de consumo.

Através do desenvolvimento da Equação 4, chaga-se a Equação 11 e,

consequentemente, à eficiência térmica real da combustão no forno de pelotização.

𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 =�̇�𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑚𝑐̇ 𝑃𝐶𝐼𝑔𝑛 (11)

A eficiência calculada foi de 64,65% da combustão para a situação real, podendo,

através dos ajustes supracitados, atingir 70,95% de eficiência na combustão.

A Figura 34 ilustra o comportamento da eficiência da combustão em relação à

potência térmica e o consumo do combustível, de acordo com os resultados numéricos.

Com o aumento da eficiência da combustão, é possível se atingir um menor consumo

de combustível e um maior aporte térmico.

66

Figura 33 - Comportamento da Ef iciência da Combustão em função da

Potência Térmica e do Consumo de Combust ível

Através dos métodos aplicados, foi possível elaborar um fluxograma para análise

da eficiência da combustão em fornos de pelotização de minério de ferro, conforme

ilustra a Figura 35, com o objetivo de elevar a potência térmica, aumentando o

rendimento.

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

49,00

50,00

51,00

52,00

53,00

54,00

55,00

56,00

57,00

58,00

59,00

64,65 66,23 67,80 69,38 70,95

Co

nsu

mo

de

com

bu

stív

el (Kg/s)

Po

tên

cia

Térm

ica (M

J)

Eficiência da Combustão (%)

Potência Térmica x Consumo de Combustível

Potência Térmica Consumo de Combustível

67

Figura 34 - Fluxograma de Análise de eficiência da combustão em fornos de pelotização

de minério de ferro

68

6 CONCLUSÃO

O consumo de combustível de uma máquina térmica, do porte de um forno de

pelotização, está atrelado a inúmeros fatores de ordem estrutural, térmica, química e

fluidodinâmica. A análise do desempenho da combustão é apenas o primeiro passo de

futuros estudos que devem englobar a maior quantidade de variáveis possíveis para a

determinação da eficiência global do sistema, principalmente da área da queima, região

de maiores perdas térmicas.

A metodologia sugerida para análise da eficiência energética da câmara de

combustão do forno se mostrou funcional e adequada ao modelo em estudo, em

conformidade com as condições de intervenção com o forno em operação.

É possível se atingir uma melhor taxa de conversão estequiométrica, através dos

ajustes sugeridos pela análise dos resultados obtidos.

É fundamental para o ajuste da combustão, a instalação de um analisador de gás

de combustão no sistema de tiragem do forno.

Concluiu-se que o ajuste dos parâmetros determinados para melhorar a eficiência

da combustão, podem fazer o sistema atingir uma taxa de conversão estequiométrica

de η=0,90, o que proporciona uma redução de 9,25% no consumo de combustível,

resultando em uma economia de até US$ 2,6 milhões por ano para a empresa.

69

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

É importante observar que a eficiência global de um forno de pelotização de

minério de ferro envolve inúmeros fatores, dentre os quais se destacam:

a efetividade dos mecanismos de transmissão de calor e

a análise termofluidodinâmica dos ventiladores de cogeração,

não considerados neste trabalho, e, por conseguinte, temas recomendados para

estudos futuros.

70

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80

9 ANEXO 1 – Tabelas de Gases

Tabela 5- Propriedades de Diversos Gases (a 15ºC e 1atm)

81

Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE

Tabela 6 - Comparação da Temperatura de Ignição de Vários Gases em Ar e em Oxigênio

82

Tabela 7 - Temperatura de Ignição do Metano para Várias Concentrações da Mistura Ar

Gás e Riqueza de Oxigênio do Ar

Tabela 8 - Temperatura de Ignição com Relação à Proporção de Etano no Gás Natural 1; 2;

*

83

Tabela 9 - Temperatura de Ignição com Relação à Proporção do Gás Combustível na

Mistura Ar Gás 1; 2; *

Tabela 10 - Limite de Deslocamento da Chama para Diversos Gases

84

Tabela 11- Produtos da Combustão Perfeita de Diversos Gases (Sem Excesso de Ar)

Fonte: Gas Engineers Handbook / SINDE

85

Tabela 12 - Emissões de Diferentes Equipamentos Industriais e Comerciais Queimando

Gás Natural

86

Tabela 13 - Poder Calorífico de Diversos Gases (Combustão Perfeita)

87

Tabela 14 - Intensidade Específica da Chama e Velocidade de Propagação da Chama

88

Tabela 15 - Características da Radiação Emitida por Queimadores Infravermelhos a Gás

89

10 ANEXO 2 – Gráficos de comportamento de gases em

combustão

Figura 35- Efeito da Pressão sobre o Limite Superior de inflamabilidade da Mistura Ar Gás

90

Figura 36 - Velocidade de Propagação da Chama para Diversos Gases em Relação à

Proporção de Ar Primário da Combustão [m/s]

91

Figura 37- Temperatura Adiabática da Chama em Função da Composição do Combustível

e Excesso de Ar

92

11 ANEXO 3 – Planta baixa da câmara de combustão do forno

Figura 39 - Planta baixa da câmara de combustão do forno de pelotização, com dutos de

cogeração em destaque