Encontro de saberes 2021- Aula 2 injeção de biomassa em Alto forno e uso em coquerias

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Biomassa: Injeção em Altos-
fornos e consumo em coquerias
Alex Milton Albergaria Campos
Engenheiro Metalúrgico, MSc.
Doutorando REDEMAT UFOP-UEMG
alexcampos88@yahoo.com.br
(31) 98644-8777
Segunda- Feira: 29/11/2021 18:00 - 20:00
 Siderurgia
 Questões ambientais
 Biomassa
 Produção de coque
 Uso de Biomassa na Produção de coque
Quarta-Feira: 01/12/2021 18:00 - 20:00
 O Alto-forno
 Injeção de Materiais Pulverizados no Alto-forno
 Uso de Biomassa na IMP
 Projetos atuais utilizando biomassa
 Aspectos econômicos e ambientais
Pauta
O Alto-Forno
• 800: Baixo forno; 
• Século XI a XV/; Forjas Catalãs;
• Século XVII: Alto Forno com acionamento hidráulico;
• 1340: Alemanha- Esboço do Alto-Forno;
• 1708/1709: Primeiro gusa a coque; 
• 1784: enxofre = plundagem;
• 1780: Sopradores acionados com maquina a vapor;
• 1828: Primeiro pré-aquecimento do ar soprado;
• 1832: Uso gás do topo para pré-aquecer o ar;
• 1857: Cowper;
• 1950: Perfil de temperatura da carga;
• 1970: Dissecação dos altos-fornos;
• 1975: Boom dos altos-fornos.
O Alto-Forno
O Alto-Forno
• 1821: Real Fabrica de Ferro São Joao de Ipanema 
• 1827: Instalação de Forjas Catalãs -Jean Antoine F. 
de Monlevade;
• 1884: Início da construção da usina Esperança 
(itabirito)
• 1925: Belgo-Mineira: Primeira usina integrada da 
América do Sul;
• 1937: Belgo-Mineira: Maior usina do mundo 
integrada a carvão vegetal, pioneirismo no 
reflorestamento à base de eucalipto;
• 1941: CSN em Volta Redonda- Produção de Ferro-
Gusa utilizando coque
O Alto-Forno
O Alto-Forno
O Alto-Forno
Rizzo, 2009
O Alto-Forno
O Alto-Forno
O Alto-Forno
Rizzo, 2009
O Alto-Forno
Zona Granular – Região onde toda carga metálica e
redutora continua a ser solida em camadas alternadas;
Zona de amolecimento e fusão ou zona coesiva – Região
onde ocorre o amolecimento e fusão da carga metálica.
A permeabilidade nessa zona é garantida pelo redutor
pois a acaba havendo a coesão das partículas
semifundida do minério, dificultando a passagem dos
gases;
Zona de Gotejamento – Região onde o metal e a escoria,
ambos líquidos, escoam entre as camadas de redutor até
depositarem no cadinho. A região é subdividida em duas:
• Região de coque ativo – Acima do cadinho e em parte da rampa onde
o redutor ainda solido “rola” em direção as ventaneiras e é consumido
pela reações de combustão;
• Homem morto – É uma região acima do cadinho que contem redutor
solido que não se move para ser consumido nas reações de combustão.
Zona de Combustão (Raceway) – Região a frente das
ventaneiras onde ocorre a queima do carbono para
formar os principais redutores do processo;
Cadinho – Região onde são depositados o ferro-gusa e a
escoria.Rizzo, 2009
O Alto-Forno
Rizzo, 2009
Injeção de Materiais Pulverizados 
1910 - 1920
Experiência com transporte pneumático e 
injeção mas com resultados limitados 
devido a equipamento
1940
Injeção na Rússia, aplicada a fabricação 
de ferro-sílicio
1959-1967
Incorporação da Injeção em altos-fornos 
dos EUA e França
1980 A ACESITA inicia testes em instalação piloto
1982
A ICP é incorporada, definitivamente, à
prática operacional do alto-forno 2 da 
ACESITA
1986 ICP, no alto-forno 1 da ACESITA
1990
Início da ICP no alto-forno 1 da 
Mannesmann e ICP na Pains, com 
instalação definitiva nos três altos-fornos
1993
Início da ICP na USIMINAS e no alto-forno 3 
na Belgo Mineira
1995
Açominas (Ouro Branco); CST (Serra); CSN 
(Volta Redonda); Alto-forno 2 da 
Mannesmann
A partir de 
2002
Produtores independentes de Gusa
Injeção de Materiais Pulverizados 
Domínio da 
Aplicação 
Industrial
Inicio da 
utilização no 
Brasil
Utilização em 
mais de 600 
AF no mundo
1831
1877
1967 2000
1980
Injeção de Materiais Pulverizados 
Número de altos-fornos com ICP
EUA 15
Japão 30
China 142
Coréia 5
Taiwan 3
Índia 12
Rússia 18
Europa 52
Outros 10
Brasil 40
Assis, 2016
VANTAGENS
Economia de redutor => Economia de custo de 
produção;
Diminuição de consumo de combustível carregado;
Diminuição de consumo energético;
Elevação de produtividade;
Diminuição de impacto ambiental;
Maior estabilidade de qualidade do gusa.
Injeção de Materiais Pulverizados 
Injeção de Materiais Pulverizados 
Assis, 2016
Injeção de Materiais Pulverizados 
Moagem
Secagem
Transporte 
Pneumático
Assis, 2014
Injeção de Materiais Pulverizados 
Etapa 1 
Desgaseificação e 
ignição da matéria 
volátil
Etapa 2
Queima da matéria 
volátil
Etapa 3
Queima do char
Rizzo, 2009
Injeção de Materiais Pulverizados 
Barbiere, 2013
Injeção de Materiais Pulverizados 
Assis, 2014
Injeção de Materiais Pulverizados 
Assis, 2014
Injeção de Materiais Pulverizados 
(lança de injeção)
Assis, 2016
Injeção de Biomassa no Alto-Forno
Injeção de Biomassa no AF
“Ser um recurso renovável”
“Ser produzido em processo 
ambientalmente correto”
“Ser um material de custo 
menor que os convencionais”
“Cumprir os requisitos físicos, 
químicos e metalúrgicos 
necessários para injeção em 
alto-forno”
Sustentabilidade
Injeção de Biomassa no AF
1º - Emissões de SO2, NOX reduzem na maior parte das misturas. Muitas biomassas apresentam
pequena ou nula quantidade de enxofre. Com relação aos NOx, por exemplo, biomassa
contém quantidade de nitrogênio pequena comparada ao carvão mineral.
2º - O CO2 também diminui porque a biomassa é considerada neutra em CO2.
3º - A queima de resíduos de biomassa atenua a geração de gases do efeito estufa, evitando
o CH4, liberado de aterros de biomassa (exemplo esterco de boi).
4º - A quantidade de cinzas das biomassas geralmente é menor.
5° - As densidades das biomassas são menores, facilitando o transporte do silo até as
ventaneiras do alto-forno.
6º - O poder calorífico das biomassas é menor.
7° - Alto teor de umidade quando comparado aos dos carvões minerais.
8° - O carvão mineral apresenta energia de ativação consideravelmente maior do que a da
biomassa.
9° - Possibilidade de sequestro de carbono.
Injeção de Biomassa no AF
carvão vegetal (CV), carvão mineral (CM), bagaço de cana (BC), casca de arroz (CA), capim-elefante 
(CE), casca de café (CC), casca de eucalipto (CEu)
Assis, 2014
Injeção de Biomassa no AF
Assis, 2014
Injeção de Biomassa no AF
Campos, 2018
Injeção de Biomassa no AF
Assis, 2014
Assis, 2014
Injeção de Biomassa no AF
Injeção de Biomassa no AF
Raw Material
Replacement Rate 
(Equation 1)
Replacement 
Rate (Equation 2)
Replacement 
Rate Avarege
Coal 0.96 0.96 0.96
Moringa Husk 0.25 0.27 0.26
40%MoringaHusk+60%
Coal
0.68 0.68 0.68
Charcoal 0.63 0.67 0.65
Eucalyptus Husk 0.23 0.18 0.21
Sugarcane Bagasse 0.13 0.08 0.11
Elephant Grass 0.10 0.19 0.15
Rice Rusk 0.10 0.20 0.15
Corn Cob 0.17 0.21 0.19
Corn Straw 0.16 0.21 0.19
Corn Stem and Leaf 0.19 0.20 0.19
1
2
Coal % ash % V %C %H
IR
(Kg/t 
gusa)
RR
Monopol EB 6.60 15.30 83.30 4.20 52.00 0.94
Achenbach 7.80 23.10 81.20 4.70 78.20 0.84
Lohberg 6.60 32.30 79.00 5.00 122.20 0.88
Monopol GFI 11.30 31.20 72.70 4.80 79.00 0.82
Carborat 10.00 9.10 81.20 3.60 115.20 0.87
Furst Leopold 6.20 33.30 77.90 5.20 135.00 0.73
Hew-Acken 7.50 25.20 30.60 4.70 128.00 0.79
Projetos Atuais usando Biomassa
Projetos Atuais usando Biomassa
Projetos Atuais usando Biomassa
Projetos Atuais usando Biomassa
Projetos Atuais usando Biomassa
A ideia inicial é usar 
30 mil toneladas 
anuais, podendo 
chegar a 350 mil.
Biocarbon
Projetos Atuais usando Biomassa
Ecoke
Projetos Atuais usando Biomassa
Processing and 
agglomeration of raw 
materials
Briquettes
Tecnored
Furnace
Property Sugar Cane Bagasse Maize Residues Elephant Grass
Volatiles (%) 22,79 18,85 26,34
Ash (%) 16,03 5,74 24,56
Fixed Carbon 
(%)
58,84 72,57 47,18
Sulfur(%) 0,18 0,15 0,4
Gerdau 
Laboratory 
SHO 
Temperature: 550°C
Time: 30 minutes
It is possible to
briquetting or not Produce coke in pilot
scale
Partnership betweenGerdau and Federal 
University of Ouro Preto
- Materials Engineering 
Department
Projetos Atuais usando Biomassa
Aspectos Econômicos 
e Ambientais
Aspectos Econômicos e Ambietais
1,2 t de carvão 
produz 1 t de 
coque
Coke rate: 295kg/t de gusa
PCI: 200kg/t de gusa
554 kg de carvão mineral por 
tonelada de gusa
PCI
Produção:
8000 t de 
gusa/ dia
Aspectos Econômicos
Matéria-prima Tecnologia Localização Ano Base
Custo 
(€/t)
Cavaco de 
madeira
Torrefação e 
pelotização
Suécia 2012 183
Serragem e 
aparas
Torrefação e 
pelotização
Canadá 2012 113
Resíduos 
madeireiros
Torrefação Finlândia 2011 147
Madeira de 
pequeno 
diâmetro
Torrefação Finlândia 2011 188
Madeira 
descascada
Torrefação e 
pelotização
EUA 2011 150
Aliotte, 2020
https://www.tabelasdefrete.com.br/
Suopajarvi, 2017
Aspectos Econômicos
Média de Preço
USD6,35
+
USD 18,81(Frete)
=
USD25,16 
por tonelada
Média de Preço
Coqueificável: USD180,00
PCI: USD 140,00
por tonelada
Economia
1 - USD 10,20/ t de gusa 
USD 82240,00/ dia
2 - USD14,28/ t de gusa 
USD 114240, 00/ dia
Economia
1- 10,2 milhões/ano
2- 114,2 milhões por ano
1 milhão de 
toneladas por ano
Aspectos Ambientais
Carvão Mineral - 85% de Carbono na composição.
100% Carvão
11680 t de CO2 dia
Situação 1
10480 t de CO2 dia
100% Carvão
9760 t de CO2 dia
1 milhão de toneladas por ano
150 mil t 
de CO2
ano
240 mil t 
de CO2
ano
Concluindo
 No geral, as características analisadas das biomassas, neste
trabalho, mostraram a viabilidade de substituir parte do carvão
vegetal e carvão mineral, por elas.
 É importante que as algumas peculiaridades de suas propriedades
devam ser levadas em consideração para a sua injeção
concomitante com os redutores tradicionais.
 Do ponto de vista ambiental, o uso de biomassa proporcionaria
uma mudança radical no perfil da empresa no sentido do
comprometimento com o meio ambiente, o que pode ser
convertido em ganhos de várias formas, como a captação de
créditos de carbono.
Alex Milton Albergaria Campos
Engenheiro Metalúrgico, MSc.
Doutorando REDEMAT UFOP-UEMG
alexcampos88@yahoo.com.br
(31) 98644-8777
Obrigado!
Referências
Referências
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