TCC Aline Final doczada

Prévia do material em texto

4
INSTITUTO FEDERAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MINAS GERAIS
Campus Ouro Branco
Bacharelado em Engenharia Metalúrgica
Trabalho de Conclusão de Curso
"REGENERADORES COWPER: UMA ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA"
Autor: Aline Amália Miranda Gonçalves
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Liziero
Co-orientador: Prof. Ms. Luiz Roque Ferreira
Dezembro/2018
INSTITUTO FEDERAL DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MINAS GERAIS
Campus Ouro Branco
Curso de Bacharelado em Engenharia Metalúrgica
Aline Amália Miranda Gonçalves
REGENERADORES COWPER: UMA ANÁLISE DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao 
Curso de Bacharelado em Engenharia Metalúrgica
Área de concentração: Metalurgia Extrativa
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Liziero
Co-orientador: Prof. Ms. Luiz Roque Ferreira
Ouro Branco
IFMG
2018
· 
Aos que acreditam no meu sucesso.
AGRADECIMENTOS:
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me proporcionado chegar até aqui. 
Agradeço ao Instituto Federal de Minas Gerais, pela formação profissional de qualidade.
Agradeço ao Professor Guilherme Liziero Ruggio, e ao Professor Luiz Roque Ferreira, pela orientação e conhecimentos passados.
Agradeço ao Baeta e ao Henrique Guilherme, por toda paciência em ensinar. 
Agradeço a equipe do Alto-Forno 1 da Gerdau, pelo direcionamento e conselhos durante a caminhada. 
Agradeço a toda minha família, aos meus pais, João e Eliete, que são meu exemplo de força e perseverança. E aos meus irmãos, João Otávio, Daniel e Natália, por confiarem em mim de forma incondicional. 
Agradeço ao Diego pelo amor, paciência e companheirismo.
Agradeço aos estagiários da Gerdau, em especial Eridiane e Leonardo, pela ajuda sempre que necessária.
Agradeço aos amigos do CQD, Alexandre Lomeu, Felipe Augusto, Pedro Notaro, Pedro Bethônico, Lucas Hamilton e Marcus Godói, que tornaram a caminhada mais leve e divertida.
Agradeço aos amigos das repúblicas Arapuca e 9inhas.
RESUMO
O presente trabalho tem por objetivo avaliar a eficiência energética do regenerador tipo Cowper, utilizado em alto-forno a coque. Com a crescente escassez de matérias-primas de qualidade, é necessário explorar alternativas para reduzir o uso de coque, que representa o combustível mais oneroso ao processo, mantendo assim o preço do aço competitivo. O aquecimento do ar injetado nas ventaneiras é muito vantajoso nesse aspecto, pois além de possibilitar a injeção de carvão pulverizado (PCI), também aumenta a temperatura de chama. Estima-se que o aumento de 10ºC na temperatura de chama reduz 1,10 kg no fuel rate. O principal equipamento para o aquecimento de ar é o regenerador de calor, sua eficiência reduz os custos da produção de gusa, e consequentemente do aço. Foi analisado o rendimento do regenerador a partir de balanço térmico e identificado que a eficiência do Cowper é de 60,37%, a perda por irradiação é igual a 24,27% e por fumaça de 14,36%.
Palavra chaves : Alto-Forno; eficiência energética; Cowper; balanço térmico; excesso;
ABSTRACT
The present work has by objective evaluate energetic fficiency of Cowper type regenerator, used in coke blast furnace. With the growing scarcity of quality raw materials, it is necessary exploring alternatives to reduce coke usage, which represents the most onerous fuel to the process, thus, keeping steel price competitive. The heating of air injected in tuyere is very advantageous in this aspect, because besides make possible pulverized coal injection (PCI), it also increases flame temperature. It is estimated that 10ºC increase of flame temperature reduces 1.10 kg in fuel rate. The main equipment to air heating is heat regenerator, its efficiency reduces cost of hot metal production, and consequently steel. It was analyzed the regenerator yield from thermal balance and identified that Cowper efficiency is 60.37%, loss by irradiation is equal to 24.27% and by smoke 14.36%.
Key words: Blast Furnace; energetic efficiency; Cowper; thermal balance; excess;.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Processo de produção de aço. (Instituto Aço Brasil, 2018)	11
Figura 1.2 - Esquema usina integrada a coque (Kameako, 2012)	12
Figura 1.3 - Esquema usina semi-integrada a coque (Kameako, 2012)	12
Figura 3.1 Reações alto-forno (USP, 2018)	14
Figura 3.2: Força impulsora de um Alto-Forno (Geerdes, 2015)	15
Figura 3.3 Principais partes do alto-forno (Araújo , 1997)	16
Figura 3.4 - Zonas alto-forno (Adaptado de Araújo, 1997)	17
Figura 3.5: Cadinho (Geerdes, 2007)	19
Figura 3.6: Arranjo geral de um alto-forno (Geerdes, 2015)	20
Figura 3.7: Esquema conjunto de sopro (Reis, 2015)	21
Figura 3.8: Esquema Área de corrida (Reis, 2015)	22
Figura 3.9: Evolução altos-fornos (USP, 2018)	24
Figura 3.10: Esquema Glendon Siderúrgico (Assunção, 2006)	25
Figura 3.11: Esquema Cowper	26
Figura 4.1 - Esquema Cowper (Lanza, 1984)	32
Figura 5.1 Rendimento Cowper #1	38
Figura 5.2 - Saídas Balanço Térmico	38
Figura 5.3 Gráfico Cowper #2	39
Figura 5.4 Gráfico Cowper #3	39
Figura 5.5 Volume de fumaça x rendimento	40
Figura 5.6 Relação da composição da fumaça e rendimento do regenerador	41
Figura 5.7 Relação O2 na fumaça e ar/gás	41
Figura 5.8 Rendimento anual	42
Figura 5.9 Excesso anual	42
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 Produção Siderúrgica Brasileira (instituto Aço Brasil, 2018)	10
Tabela 4.1: Composição típica GAF e GCO	33
Tabela 4.2: Equações de Entalpia	37
LISTA DE ABREVIATURAS
CFO – Calor Fornecido
CR- Calor Regenerado
GAF – Gás de Alto-Forno
GCO – Gás de Coqueria
HM – Hot Metal
PCI – Pulverized Coal Injection
PPI – Percentual de Perda por Radiação
PPPF – Perda por Fumaça
RENDT – Rendimento Térmico
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO	10
2 OBJETIVOS	13
2.1	Objetivo Geral	13
2.2	Objetivos Específicos	13
3 REVISÃO DA LITERATURA	14
3.1	Alto-Forno	14
3.2	Zonas do alto-forno	16
3.3	Periféricos do alto-forno	19
3.4	Regeneradores	22
3.4.1 Glendon Siderúrgico	24
3.4.2 Cowper	25
3.5	Termodinâmica	26
3.5.1 Primeira Lei da Termodinâmica	27
3.5.2 Eficiência	27
3.5.3 Combustão	27
3.5.4 Fator de Excesso	28
3.5.5 Irradiação	28
3.5.6 Balanço Térmico	28
3.5.6.1 Sistemática de cálculo de balanço térmico	28
4 MATERIAIS E MÉTODOS	30
4.1 Características Técnicas	30
4.1.1 Detalhes do regenerador	30
4.1.2 Propriedades do regenerador	30
4.2	Combustíveis para aquecimento dos regeneradores – GAF e GCO	32
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES	38
6 CONCLUSÃO	43
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS	44
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	46
2
INTRODUÇÃO
No Brasil, a indústria de produção de aço é composta por 29 usinas distribuídas em 10 estados brasileiros, representadas por 14 empresas privadas, operadas por onze grupos empresariais. A produção de aço bruto alcançou 29,2 milhões de toneladas no acumulado até outubro 2018, o que representa uma expansão de 2,6% frente ao mesmo período do ano anterior, já a produção de ferro-gusa em usinas integradas foi de 23,6 milhões de toneladas. (Instituto Aço Brasil, 2018)
Tabela 1.1 Produção Siderúrgica Brasileira (instituto Aço Brasil, 2018)
A siderurgia é o ramo da indústria metalúrgica responsável pela produção de aço. O aço é uma liga ferro e carbono. O ferro é encontrado na crosta terrestre fortemente associado à sílica e ao oxigênio. O carbono pode ser encontrado de diversas formas, na siderurgia é usado principalmente na forma de carvão mineral, e em alguns casos, carvão vegetal. O carvão tem dois papeis cruciais na produção de aço. Como combustível, garantindo que o minério alcance temperaturas necessárias para fusão. E como redutor, associando-se ao oxigênio e liberando o ferro. O processo de separação do oxigênio do ferro é denominado redução, e ocorre em um reator metalúrgico, o alto-forno. A carga do alto-forno, minério de ferro e carvão, necessita de um processamento, para adequar-se as exigências do reator. O minério fino e ultrafino passa por um processo de sinterização ou pelotização, e o carvão mineral passa por um processo de coqueificação. Durante o processo de redução, as impurezas darão origema escória, utilizada na fabricação de cimento. E o ferro se liquefaz, produzindo o ferro gusa - que será refinado nas aciarias e transformado em aço bruto. O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos. Por fim, o aço passa por um processo de laminação, onde serão gerados produtos siderúrgicos utilizados na indústria de transformação. 
A figura 1 ilustra o fluxo simplificado de produção de aço. 
Figura 1.1 Processo de produção de aço. (Instituto Aço Brasil, 2018)
No mundo, as usinas de produção de aço são classificadas segundo seu processo produtivo, podendo ser divididas em usinas integradas e semi-integradas. 
As usinas integradas são aquelas que operam em três fases básicas: redução, refino e laminação; ou seja, estão presentes todas as etapas da produção de aço.
Figura 1.2 - Esquema usina integrada a coque (Kameako, 2012)
Já as usinas semi-integradas operam em apenas duas fases: refino e laminação; Produzindo aço em aciarias elétricas, utilizando ferro gusa, ferro esponja e/ou sucata metálica adquiridas de terceiros. 
Figura 1.3 - Esquema usina semi-integrada a coque (Kameako, 2012)
Os combustíveis, coque e carvão mineral, são os principais agregadores de custo ao ferro gusa, desse modo, para aumentar a competitividade do aço deve-se reduzir a taxa de combustíveis. Uma das alternativas para reduzir o fuel rate é o aquecimento do ar que será soprado no alto-forno. Estima-se que a cada 10 ºC de acréscimo na temperatura de sopro são reduzidos 1,1kg na taxa de combustível de um alto-forno a coque. Para garantir que a temperatura de sopro alcance tais patamares é de suma importância a utilização de regeneradores de calor, e que estes estejam operando com eficiência.
OBJETIVOS
1. 
2. 
1. 
2. 
Objetivo Geral
· Avaliar a eficiência energética do regenerador tipo Cowper.
Objetivos Específicos
· Determinar as perdas por fumaça;
· Determinar as perdas por irradiação;
· Determinar o rendimento calorífico;
REVISÃO DA LITERATURA
 Alto-Forno
O alto-forno é um reator que opera em fluxo contracorrente. O gás sobe pelo forno, transferindo calor, enquanto a carga desce, transferindo oxigênio para o gás. A característica de contracorrente do processo faz do alto-forno um reator extremamente eficiente (Geerdes, 2015). Os altos-fornos de grande porte têm como principais matérias-primas o minério de ferro (granulado, sínter e pelota), os fundentes (calcários e sílica) e os combustíveis (coque e carvão mineral pulverizado). E como produtos têm o ferro gusa (metal fundido com até 5% de carbono) e a escória. A produção de ferro gusa no alto-forno ocorre através da fusão redutora do minério de ferro em presença de carvão vegetal ou coque e fundentes (Rizzo, 2009). 
Figura 3.1 Reações alto-forno (USP, 2018)
A produção de ferro gusa em altos-fornos se destaca dos demais processos de redução de óxidos de ferro pela sua estabilidade operacional e suas altas taxas de produção. Mas esta estabilidade é constantemente ameaçada pela variação da qualidade das matérias-primas e de outros parâmetros operacionais. (Gasparini, 2016)
As matérias primas são carregadas no topo do reator em camadas alternadas de combustível e carga metálica. O ar aquecido nos regeneradores (Glendon ou Cowper) entra no forno através das ventaneiras. Em frente às ventaneiras o oxigênio reage com o coque ou carvão vegetal, formando os gases redutores, que ascendem no forno reduzindo o óxido de ferro presente na carga metálica que desce pelo reator. 
Figura 3.2: Força impulsora de um Alto-Forno (Geerdes, 2015)
Segundo Araujo (1997), o alto-forno é dividido convencionalmente em cinco partes: goela, cuba, ventre, rampa e cadinho. A Goela é a região pela qual são carregadas as matérias primas para o interior do forno. A Cuba é a região na onde ocorre o aquecimento e o início da redução da carga metálica. O Ventre é a região que os gases se expandem e se distribuem através da zona de coesão. A Rampa fica um pouco acima das ventaneiras e que tem uma leve angulação, contudo com a presença da zona coesiva. O cadinho está localizado na parte inferior do alto-forno, onde o ferro gusa e a escória se acumulam, e são extraídos do reator. (Lima, 2016)
Figura 3.3 Principais partes do alto-forno (Araújo , 1997)
 Zonas do alto-forno
O alto-forno é dividido internamente em zonas, sendo elas: zona granular, zona de amolecimento e fusão, zona de gotejamento, zona do coque estagnante e cadinho. 
Figura 3.4 - Zonas alto-forno (Adaptado de Araújo, 1997)
Machado (2009), explica tais zonas:
Zona granular: é a região do forno onde a carga é composta de coque ou carvão vegetal, carga metálica (minério de ferro, sínter e pelota) e fundentes (dolomita, calcário, quartzo, bauxita, etc.). Nessa região coexistem duas fases: sólidos e gases. O combustível sólido, coque ou carvão, ocupa a maior parte do forno, auxiliando na permeabilidade dos gases nessa região.
Zona de amolecimento e fusão: Ou zona coesiva, se encontra abaixo da zona granular, é caracterizada pela temperatura de início de amolecimento e final de fusão dos componentes da carga metálica. Como os materiais estão numa fase de transição física, essa região determina ao sistema uma elevada resistência à passagem dos gases, sendo responsável por uma elevada perda de pressão no corpo do forno.
Zona de gotejamento: está localizada entre a zona de amolecimento e fusão e as ventaneiras. Ocorrendo nela diversos fenômenos, como a fusão dos materiais metálicos, a incorporação dos elementos não ferrosos ao gusa, a maior parte da dessulfuração do gusa, a fusão da dolomita na região inferior da rampa e a parcial transformação do coque ou carvão vegetal, no estado sólido, em monóxido de carbono. Nesta zona estão presentes as três fases: sólida, líquida e gasosa. Dentro desta está contida a Zona de Combustão, região localiza-se na frente das ventaneiras, onde ocorre a combustão do carvão pelo oxigênio proveniente do ar quente soprado. A forma e tamanho da zona de combustão são afetados pelas condições de sopro; diâmetro, angulação, comprimento, forma e número de ventaneiras; tamanho das partículas de coque ou carvão vegetal; natureza da descida de carga, posicionamento do homem morto; modificações das características do sopro;
Zona do Coque Estagnante: Também conhecido como homem morto, é formada por um empilhamento de carvão vegetal ou coque, que é uma reserva térmica do processo, cedendo ou absorvendo carbono da carga e compensando pequenos desequilíbrios térmicos do reator.
Cadinho: É a zona mais inferior do alto-forno, região onde há o armazenamento de gusa e escória dentro do forno, tem importante função na estabilidade operacional do reator. Nessa área há a presença da fase líquida, gusa e escória; sólida, homem morto; e gasosa. Geerdes (2015) destaca que, o nível do líquido no cadinho tem que ser mantido sob controle e preferivelmente num nível constante e baixo, pois o acumulo de gusa e escória nessa região afeta o formato da zona de combustão, desviando o fluxo gasoso para periferia, elevando a pressão de sopro e assim evitando a descida da carga. 
Figura 3.5: Cadinho (Geerdes, 2007)
1. 
2. 
2.1. 
2.2. 
Periféricos do alto-forno
As matérias-primas (minério, coque e gases) necessitam de preparação prévia para serem alimentadas no alto-forno, assim como seus produtos (gusa, escória e gases) precisam de etapas subsequentes para se adequar aos seus destinos finais. Para isso o alto-forno conta com seus periféricos. 
Figura 3.6: Arranjo geral de um alto-forno (Geerdes, 2015)
Sistema de carregamento: As matérias-primas carregadas no alto-forno devem estar adequadas as especificações físicas e químicas do reator, para garantir a permeabilidade dos gases e estabilidade operacional. O conhecimento preciso do comportamento das matérias primas durante todo seu trajeto até chegar ao interior do forno permitiria tomar decisões fundamentais para o aprimoramento do processo produtivo em alto-forno (Lima, 2016). Para isso é necessário uma etapa de preparação da carga que começa norecebimento do material, formação de pilha e ensilamento. Na casa de silos os materiais são peneirados e pesados antes de serem descarregados em camadas alternadas de coque e minérios no topo do alto-forno. 
Limpeza de gás: Os gases saem do alto-forno pelos coletores ascendentes, devido à grande quantidade de finos nestes gases, eles são passados por um coletor de pó e lavagem de gás antes de irem para o gasômetro, posteriormente alimentarão outros processos, como os regeneradores.
Regeneradores: O jato de ar quente é produzido nos regeneradores e é entregue no alto-forno pelo anel de vento, através das ventaneiras. O ar quente reage com os combustíveis, coque e carvão pulverizado, produzindo calor e os gases redutores, fundamentais ao processo.
Granulador de escória: A escória produzida no alto-forno tem sua principal aplicação à fabricação de cimento. Para tal, ela entra em contato, ainda líquida, com um jato de água fria, onde é granulada. Esse processo pode ser feito via DryPit ou silos. 
PCI: O principal combustível em alto-fornos de alta capacidade é coque, devido seu custo elevado alternativas foram criadas para diminuir sua utilização. Dentre elas, está a injeção de carvão pulverizado (PCI), que consiste, basicamente, da injeção de carvão mineral pulverizado por lanças nas ventaneiras.
Anel de vento: Responsável pela inserção do ar aquecido pelos regeneradores no alto-forno. Um conjunto de sopro é dividido, basicamente, em tubo reto, junta de expansão, algaraviz, caixa de ventaneira e ventaneira. 
Figura 3.7: Esquema conjunto de sopro (Reis, 2015)
Área de corrida: Área responsável pelo vazamento do gusa e da escória contidos no cadinho. Segundo Geerdes (2007), um alto-forno moderno possui pelo menos dois furos de corrida. Os fornos grandes, com cadinhos de quatorze metros de diâmetro, possuem até mesmo quatro furos de corrida. O gusa e escória vazados nos furos de corrida são facilmente separados, por diferença de densidade, e vão para canais específicos. O gusa segue por carro torpedo para aciaria, enquanto a escória, em sua maioria, é granulada.
Figura 3.8: Esquema Área de corrida (Reis, 2015)
Regeneradores
Os regeneradores são equipamentos responsáveis responsável pelo aquecimento de ar que será injetado no alto-forno, cada grau de temperatura de sopro aumentado há um acréscimo de 0,97°C na temperatura de chama (Assis, 2008)
Têm a função de aquecer o ar injetado através das ventaneiras para a combustão do coque. O regenerador recebe o ar na temperatura entre 150 a 200 °C, chamado ar frio, e eleva esta temperatura para a faixa de 1000 a 1250 °C, dependendo de sua capacidade, passando a ser chamado de ar quente. (Sistema de apoio as disciplinas USP, 2018)
Segundo Assunção (2006), o processo de redução do minério de ferro é consumidor intensivo de ar e quanto maior a temperatura de chama mais fácil é a injeção de combustíveis auxiliares, como finos de carvão, maior a produtividade e menores são os consumos específicos de ar de sopro e de combustível sólidos, como carvão vegetal ou coque. Os combustíveis sólidos representam a maior parte dos custos totais dos insumos para produção de ferro-gusa. 
Tabela 3 - Cálculo do conteúdo do alto-forno (Geerdes, 2015)
O aumento da temperatura de sopro pelo aquecimento de ar soprado foi uma das técnicas que mais transformaram as condições operacionais nos altos-fornos (Lanza, 1984). Pois possibilitou a fluidização da escória, aumento na velocidade de descida da carga, redução na taxa de coque, melhoria no controle térmico e a elevação da produção. E esse aquecimento só foi possível com os regeneradores de calor, os dois utilizados em altos-fornos industriais são o Glendon siderúrgico e o Cowper. 
Figura 3.9: Evolução altos-fornos (USP, 2018)
1. 
2. 
3. 
3.1. 
3.2. 
3.2.1. 
3.2.2. 
Glendon Siderúrgico 
Segundo Sousa (2017), o Glendon é um tipo de trocador de calor que consiste em câmaras refratárias, onde ocorre a passagem de gases provenientes do topo do alto forno, num sistema de cogeração. 
São constituídos de fileiras garrafas de ferro fundido, interligadas por tubulações de aço inox. O gás de alto-forno é queimado nas garrafas ou tubulações, aquecendo-as. Em seguida, o ar frio passa pelo menos caminho, sendo aquecido. É comum se utilizar três Glendons, e terem como material refratário tijolo argiloso simples. 
Figura 3.10: Esquema Glendon Siderúrgico (Assunção, 2006)
1. 
2. 
3. 
3.1. 
3.2. 
3.2.1. 
3.2.2. 
3.2.2.1. 
Cowper
O Cowper é um tipo de trocador de calor que tem como princípio de funcionamento as correntes inversas. O ar frio entra na parte mais fria do circuito e sai na parte mais quente, enquanto os gases para combustão fazem o percurso contrário. É dividido em duas câmaras (de regeneração e de combustão), um domo e uma cúpula.
Câmara de combustão: Composta de uma câmara aberta, permitindo a entrada de gás e ar durante a combustão, e a saída do ar durante a ventilação. Onde ocorre a queima do gás. Dotada de grande área, para evitar altas velocidades dos gases, e consequente arraste da chama do queimador. 
Câmara de regeneração: Constituída por empilhamento de tijolos refratários furados, formando canais que são aquecidos pela passagem de gases quentes provenientes da combustão. 
Domo e cúpula: É a parte superior do regenerador e tem formato de meia esfera. O domo faz a interligação da câmara de combustão com a câmara de regeneração, durante a combustão e ventilação. 
Figura 3.11: Esquema Cowper
Termodinâmica 
Segundo Çengel e Boles (2013), a termodinâmica pode ser definida como a ciência da energia. Sendo que tal energia pode ser considerada de diversas formas - calor, trabalho e energia total – e podemos relacionar-las durante um processo a partir das Leis Termodinâmicas.
 Primeira Lei da Termodinâmica
Conhecida também como princípio de conservação da energia diz que “energia não pode ser criada nem destruída durante um processo; ela pode apenas mudar de forma”
Resumindo tal lei podemos reescrevê-la a partir da equação 3.1.
Eent – Esai = ∆Esistema (3.1)
Onde: 
Eent: Energia total entrando no sistema
Esai: Energia total saindo do sistema
∆Esistema: Variação de energia do sistema
Eficiência
Eficiência é um termo muito utilizado na termodinâmica. Çengel e Boles (2013) dizem que ela indica qual o sucesso com o qual um processo de transferência ou energia de calor é realizado, ou seja, o desempenho de tal processo. E pode ser expresso pela relação entre o resultado desejado e o fornecimento necessário. 
 Combustão
Segundo Reis (2011), a combustão é uma reação química que ocorre entre um material combustível, como álcool etílico, gasolina, óleo diesel, madeira etc., e um comburente, normalmente o oxigênio, na presença de energia (calor).
Combustível + comburente + calor (X) Produto da combustão + calor (X+Y)
Çengel e Boles (2011), destacam que a maioria dos combustíveis conhecidos são primariamente constituídos de hidrogênio e carbono. São chamados combustíveis de hidrocarbonetos e indicados pela fórmula geral CnHm, e existem em todas as fases.
Para quantificar a quantidade de combustível e ar em um processo de combustão, é comumente utilizada a razão ar/combustível. Que é definida como a razão entre a massa de ar e a massa do combustível em um processo de combustão. 
 Fator de Excesso
Nos processos de combustão real 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 é chamada de excesso de ar.
 Irradiação
A irradiação é o processo de transferência de calor através de ondas eletromagnéticas, chamadas ondas de calor ou calor radiante. Enquanto a condução e a convecção ocorrem somente em meios materiais, a irradiação ocorre também no vácuo. De um modo geral podemos dizer que, em diferentes quantidades, todos os corpos emitem energiaradiante devido a sua temperatura. Estas radiações, ao serem absorvidas por outro corpo, provocam, nele, uma elevação de temperatura. (Moraes, 2017)
 Balanço Térmico
Para Lanza (1984), o balanço térmico é um conjunto de dados numéricos que expressam a participação relativa da energia térmica que entra em uma unidade industrial, sob diversas formas de calor e a que sai da mesma, através dos produtos e perdas. 
Sistemática de cálculo de balanço térmico
Entradas de calor:
· A = Calor sensível do ar de combustão;
· B = Calor sensível da umidade do ar e combustão;
· C = Calor sensível do gás para combustão;
· D = Calor sensível da umidade do gás para combustão;
· E = Calor gerado pela combustão dos gases;
Saídas de calor:
· T = Calor sensível da fumaça;
· V = Calor sensível do ar para o alto-forno;
· X = Calor sensível do oxigênio para o alto-forno;
· Y = Calor sensível da umidade do ar para o alto-forno;
· Z = Perdas por irradiação;
MATERIAIS E MÉTODOS
O trabalho foi realizado em uma usina integrada, formada por dois altos-fornos. O alto-forno estudado tem capacidade de produção de 7750tHM/dia, volume interno de 3051m³, 11,50m de cadinho, quatro furos de gusa e um anel de vento composto por 28 ventaneiras. Os regeneradores de calor de tal reator são do tipo Cowper, e no total são três, que trabalham em conjunto, sendo que enquanto dois estão em aquecimento (combustão), o outro está ventilando. No presente trabalho estudamos o regenerador número 1. 
Características Técnicas
Detalhes do regenerador
· Tipo do domo: catenária (cogumelo)
· Diâmetro interno da carcaça: 10.240mm
· Altura total aproximada do regenerador: 46.000mm
· Altura total do empilhamento: 36.000mm
· Superfície total de aquecimento por regenerador: 68.874m²
· Área de seção transversal da câmara de empilhamento (regeneração): 45,7m²
· Área de seção transversal da câmara de combustão (até o nível de saída de ar quente): 11,6m²
· Área livre do empilhamento: 41%
· Altura do empilhamento de sílica: 11.400mm
· Diâmetro do orifício do empilhamento: 40mm
· Área superficial específica de aquecimento: 42,12m²/m³
Propriedades do regenerador
Volume de ar: 5.700 Nm³/dia
Temperatura máxima de ar quente em linha reta: 1300ºC
Temperatura de ar frio: 150ºC - Entrada no regenerador
 170ºC – Calculada na saída do soprador.
Tempo de ciclo: Ventilação: 40 min
Combustão: 90 min
Troca: 10 min
Rendimento do regenerador – projeto: 77%
Refratários: 
· Silico-Aluminoso - 42% Al2O3
· Aluminoso - 55% Al2O3
· Sílica - 95,4%
· Sílico-Aluminoso – 45 a 50% Al2O3
· Aluminoso – 66% Al2O3
· Concreto
· Concreto Sílico-Aluminoso 
· Tijolo vermelho
Figura 4.1 - Esquema Cowper (Lanza, 1984)
Combustíveis para aquecimento dos regeneradores – GAF e GCO
Os gases utilizados para o aquecimento dos regeneradores são o gás de alto-forno (GAF) e gás de coqueria (GCO), formando o gás misto. Na falta do GCO, deve-se trabalhar apenas com GAF, isso acarretará em uma temperatura de chama baixa, e consequentemente diminuição da temperatura do domo e perda da reserva térmica dos regeneradores. Se tal falta for por um curto intervalo de tempo deve-se diminuir o tempo de ventilação dos regeneradores, evitando a perda térmica. Em caso prolongado de abastecimento de gás de coqueria, deve-se reduzir a temperatura de ar soprado, sem afetar o estado térmico do alto-forno. No presente trabalho foi usada a composição típica do gás de coqueria para a base de cálculos, isso devido à baixa regularidade em que é feita a análise desse gás. O gás de alto-forno é analisado diretamente pelo sistema de supervisão, tendo assim mais dados, por isso, assim como os outros parâmetros, foi usado a média diária das análises. As composições típicas do GAF e GCO estão descritas abaixo.
Tabela 4.1: Composição típica GAF e GCO
A mensuração do rendimento do regenerador foi feito a partir do Balanço Térmico, validado, feito por Lanza (1984). Utilizando o período de 01/01/2016 a 30/10/2018, os valores utilizados nos cálculos foram medidos pelos instrumentos existentes no Cowper, e registrados automaticamente no sistema de supervisão. 
Algumas considerações foram feitas para aplicação de tal balanço:
· A temperatura ambiente é de 25ºC;
· As perdas por irradiação foram feitas por diferença; 
A memória de cálculos foi feita a partir dos dados abaixo:
Cálculo do calor sensível do ar para combustão:
A = VAR x ∆HARTarc x TC / 60 (3.2)
Onde: 
VAR: Volume de ar para combustão (Nm3/h);
∆HARTarc: 0,21x∆H O2 Tarc + 0,79 ∆H N2 Tarc (kcal/Nm3);
TC: Tempo de combustão (min);
Tarc: Temperatura do ar de combustão (ºC);
Cálculo do calor sensível da umidade do ar para combustão:
B = VAR x GA x ∆H H2OTarc x TC/60 (3.3)
Onde: 
VAR = Volume de ar para combustão (Nm3/h);
GA = Umidade do ar para combustão (g/Nm3);
∆H H2OTarc = Entalpia do H2O na temperatura do ar de combustão (kcal/g);
TC = Tempo de combustão (min);
Cálculo do calor sensível do gás:
C = VMG x ∆ Gás MistoTGM x TC / 60 (3.4)
Onde: 
VMG: Volume de gás misto (Nm3/h);
∆ Gás MistoTGM: Entalpia do gás misto à temperatura do gás de combustão (kcal/Nm3);
TGM: Temperatura do gás misto (ºC)
TC: Tempo de combustão (min)
Cálculo do calor sensível da umidade do gás para combustão:
D = VGM x GG x ∆H H2OTGM x TC / 60 (3.5)
Onde: 
VGM: Volume do gás misto (ºC);
GG: Umidade do gás misto (g/Nm3);
∆H H2OTGM: Entalpia da água na temperatura do gás misto (kcal/g);
TC: Tempo de combustão
Cálculo do calor gerado por combustão:
E = (VGAF x PCIGAF x VGCO x PCIGCO) x TC / 60 (3.6)
Onde:
VGAF: Volume de gás de alto-forno (Nm3/h); 
PCIGAF: Poder calorífico inferior do gás de alto-forno (kcal/Nm3);
VGCO: Volume do gás de coqueria (Nm3/h);
PCIGCO: Poder calorífico inferior do gás de coqueria (kcal/Nm3);
TC: Tempo de combustão (min);
Cálculo do calor sensível da fumaça:
T = Vf x ∆H fumaçatf x TC / 60 (3.7)
Onde: 
Vf: Volume de fumaça (Nm3/h);
∆H fumaçatf : entalpia da fumaça na temperatura de saída da fumaça (kcal/Nm3);
TC: Tempo de combustão (min);
Cálculo do calor sensível ao ar para o alto-forno:
V = Vsopro (∆HArTS - ∆ArTAF) x TV (3.8)
Onde: 
Vsopro: Volume de sopro (Nm3/min);
∆HArTS: Entalpia do ar na temperatura de sopro (kcal/Nm3);
∆ArTAF: Entalpia do ar na temperatura do ar frio (kcal/Nm3);
TV: Tempo de ventilação (min);
Cálculo do calor sensível do oxigênio para o alto-forno:
X = VO2 (∆H O2TS - ∆H O2TAF) x TV / 60 (3.9)
Onde: 
VO2: Volume de oxigênio soprado no alto-forno (Nm3/h);
∆H O2TS: Entalpia do O2 na temperatura de sopro (kcal/Nm3);
∆H O2TAF: Entalpia do O2 na temperatura do ar frio (Kcal/Nm3);
TV: Tempo de ventilação (min);
Cálculo do calor sensível da umidade do ar para o alto-forno:
Y = VSOPRO x GAA x (∆H H2OTS - ∆H H2OTAF) x TV (3.10)
Onde: 
VSOPRO: Volume de sopro (Nm3/min);
GAA: umidade do ar soprado (g/Nm3);
∆H H2OTS: Entalpia de H2O na temperatura de sopro (kcal/g);
∆H H2OTAF: Entalpia do H2O na temperatura do ar frio (kcal/g);
TV: Tempo de ventilação (min);
Cálculo das perdas por irradiação:
Z = (A + B + C + D + E) – (T + V + X +Y) (3.11) 
Cálculo do calor fornecido (kcal):
CFO = A + B + C + D + E (3.12)
Cálculo do calor regenerado (kcal):
CR = V + X + Y (3.13)
Cálculo do rendimento térmico:
RENDT = (CR/CFO) x 100 (3.14)
Cálculo do porcentual de perda pela fumaça:
PPPF = (T/CFO) x 100 (3.15)
Cálculo do porcentual de perdapor irradiação:
PPI = (z/CFO) x 100 (3.16)
Cálculo da temperatura de chama:
Temperatura de chama é a temperatura alcançada pelos produtos da combustão (fumaça) na queima dos gases. A temperatura de chama é determinada do seguinte modo:
Tch = (CFO x 60) / (Cf x Vf x TC) (3.17)
Onde: 
Cf: Calor específico da fumaça (kcal/Nm3/ºC); 
Vf: Volume de fumaça (Nm3/h);
TC: Tempo de combustão (min);
Tabela 4.2: Equações de Entalpia
	∆HCO2
	(10,57*TK+1,05*10-3*TK2+2,06*105*TK-1-3936)/22,4
	kcal/m3
	∆HCO
	(6,79*TK+0,49*10-3*TK2*0,11*105*TK-1-2105)/22,4
	kcal/m3
	∆HH2
	(6,52*TK+0,39*10-3*TK2-0,12*10-5*TK-1-1938)/22,4
	kcal/m3
	∆HN2
	(6,83*TK+0,45*10-3*TK2+0,12*105*TK-1-2117)/22,4
	kcal/m3
	∆HCH4
	(5,65*TK+5,72*10-3*TK2+0,46*105*TK-1-2347)/22,4
	kcal/m3
	∆HH2O
	(7,3*TK+1,23*10-3*TK2-2286)/22,4
	kcal/m3
	∆HO2
	(7,16*TK+0,50*10-3*TK2+0,40*105*TK-1-2313)/22,4
	kcal/m3
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados da aplicação do Balanço Térmico mostram que o rendimento do Cowper número um tem média de 60,37%, com desvio padrão de 6,02. A análise do gráfico abaixo demonstra a irregularidade do processo, que intercala rendimentos máximos e mínimos em um curto intervalo de tempo.
Figura 5.1 Rendimento Cowper #1
De todo calor fornecido nesse Cowper, apenas 60,37% é regenerado. Tendo uma perda média por irradiação de 25,37%, com desvio de 6,49, e por fumaça de 14,26%, com desvio de 1,44. No total, há uma perda média de 39,64% do calor fornecido pelo Cowper. O esquema abaixo ilustra as saídas do calor do gerado. 
Figura 5.2 - Saídas Balanço Térmico
O modelo foi aplicado aos outros dois regeneradores, com a finalidade de comparar as eficiências, uma vez que eles são projetados para trabalharem de forma idêntica. O Cowper número dois apresenta eficiência de 59,24%, com desvio padrão de 5,24. Suas perdas são de 13,83% pela fumaça e 26,92% por irradiação. 
Figura 5.3 Gráfico Cowper #2
O número três apresentou eficiência de 58,29%, com desvio padrão de 6,31. Sua perda por fumaça foi de 13,68% e por irradiação 28,03%, como ilustrado no Figura 5.4.
Figura 5.4 Gráfico Cowper #3
O Cowper número um apresenta o melhor resultado, com um maior rendimento e menores perdas, principalmente as perdas por irradiação, que têm maiores limitações para serem reduzidas. 
No presente trabalho analisamos as perdas pela fumaça. Para identificar possíveis causas das perdas de rendimento energético, foram feitas correlações do rendimento com os elementos da fumaça, e com alguns parâmetros importantes ao processo. As correlações estão graficamente apresentadas abaixo. 
Figura 5.5 Volume de fumaça x rendimento
O volume de fumaça, em média, é de 150640 Nm3/h, e sua relação com o rendimento é inversamente proporcional, como demonstrado na Figura 5.5. Assim como a composição da fumaça, onde o volume de CO2, N2 e H2O são também inversamente proporcionais ao rendimento do regenerador. Ao contrário do O2, que tem um comportamento diretamente proporcional. Como demonstrado na Figura 5.6.
Figura 5.6 Relação da composição da fumaça e rendimento do regenerador
A figura 5.7 mostra a relação do ar/gás com o volume de O2 na fumaça, é possível verificar que há grande relação entre eles, e que quanto maior a relação ar/gás, maior será o volume de O2 na fumaça. Isso pode ser explicado pelo padrão operacional estabelecido na empresa, onde se aumenta o excesso de ar quando o percentual de O2 na fumaça chega a valores menores que 2,5%.
Figura 5.7 Relação O2 na fumaça e ar/gás
Analisando anualmente o rendimento do Cowper, podemos perceber que em 2017 a eficiência energética do Cowper, foi menor (59%) que nos anos de 2016 e 2018, que tiveram rendimento de 60% e 61%, respectivamente. 
Figura 5.8 Rendimento anual
Em contra partida 2017 foi o ano com maior excesso de ar (46%), enquanto nos outros anos, 2016 e 2017, obtiveram médias de excesso de 42% e 44%, respectivamente. 
Figura 5.9 Excesso anual
CONCLUSÃO
Neste trabalho foi feita a análise da eficiência energética do regenerador de calor tipo Cowper aplicada a alto-forno a coque. A análise foi feita por meio de balanço térmico, e avaliou o rendimento do regenerador e suas perdas, por irradiação e pela fumaça. 
Através do balanço foi calculada a eficiência energética do regenerador, que é igual a 60,37%. A perda de energia por irradiação foi de 25,37%, e pela fumaça foi de 14,27%. 
Por projeto, o rendimento máximo de tal Cowper número um é de 77%, os resultados mostraram que o regenerador atualmente está aproximadamente 17% abaixo do seu rendimento projetado.
Ao ser comparado com os regeneradores dois e três, que tiveram rendimento de 59,24% e 58,29% respectivamente, ele se mostra o mais eficiente do processo, e o com menores perdas por irradiação.
As perdas por irradiação são de difícil controle e resolução, sendo indicado um trabalho futuro para avaliar alternativas para minimizar-las. As perdas pela fumaça foram analisadas de acordo com o volume e a composição da mesma. Foi constatado que a relação entre o volume de CO2, H2O e N2 são inversamente proporcional ao rendimento do regenerador, enquanto o volume de O2 é diretamente proporcional. Foi observada também grande relação direta do volume de O2 na fumaça e o ar/gás, sendo essa relação explicada pelos padrões operacionais vigentes. 
Em 2017 o Cowper apresentou seu pior rendimento, nesse ano é possível identificar também uma maior relação ar/gás, e consequentemente um maior excesso de ar, podendo indicar relação entre eles. 
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
· Desenvolver Modelamento Matemático para determinar a eficiência máxima do regenerador nas condições atuais;
· Estudar de alternativas para reduzir as perdas de calor por irradiação;
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSIS, C.F.C. "Caracterização de carvão vegetal para a sua injeção em altos-fornos a carvão vegetal de pequeno porte". Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT. Ouro Preto, 2008.
ASSUNÇÃO, C. S. “GLENDON SIDERÚRGICO: Análise Termodinâmica e Modelagem Matemática Simplificada”. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2006.
ASSUNÇÃO, C. S. “Redução do consumo de oxigênio em um alto-forno a partir do aumento da eficiência energética dos trocadores de calor”. Belo Horizonte, 2009.
BASTOS, H.G.L, “Modelo multidimensional de avaliação do desgaste de cadinho de alto-forno” Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2007.
BORGNAKKE, C. “Fundamentos da termodinâmica.” Blucher, University of Michigan, 8ed, 2013, 543p.
ÇENGEL, Y.A.; BOLES, M.A. “Termodiâmica.” AMGH Editora Ltda, Porto Alegre, 7ed, 70p, 2011, 768p.
FONSECA, M. R. M. “Química: meio ambiente, cidadania, tecnologia.” Editora FTD S.A., São Paulo, 1ed, 2011, 115p.
GASPARINI, V. M. Desenvolvimento de um modelo de controle de processos para altos-fornos a coque aplicado a altos-fornos industriais. Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2016.
GEERDES, M; et al. Modern Blast Furnace Ironmaking – an introduction. IOS Press, Amsterdam, 3ed, 2015.
INSTITUTO AÇO BRASIL, “Estatística preliminar – Novembro/2018”, 2018, http://www.acobrasil.org.br/site2015/estatisticas.asp. Acesso em: 18 out. 2018.
KAMEOKA, Fernando. “Logística Reversa de Sucatas de Materiais Metálicos” http://solucoesambientaissrs.com.br/noticias/noticia-processos-de-fundicao.pdf. Acesso em: 05/12/2018
LANZA, C.S. “Balanço térmico de regeneradores de calor Cowper.” Ouro Branco, 1984. 
LIMA, B. R. M. Simulação Do Carregamento Do Alto Forno Dotado De Um Sistema Bell Less Topo Usando O Método De Elementos Discretos (DEM). Monografiaapresentada ao Curso de Engenharia de Materiais da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro.Rio de Janeiro, 2016. 
MACHADO F. S. Aproveitamento Energético de Finos de Carvão em alto forno, Visando Redução de Emissões e Obtenção de Créditos de Carbono. Tese Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais e Florestais; Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2009. 
MORAES M.B.S.A., “Transmissão de calor: Irradiação”. http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef008/mef008_02/Beatriz/irradiacao.htm. Acesso em: 05/12/2018.
RABELO, J. “Um bom processo do início ao fim.” 2013, http://brasil.aperam.com/revista-espaco/n-75-agoset-2013/um-bom-processo-do-comeco-ao-fim/. Acesso em: 13 nov. 2018.
REIS, M. A. et al. SISTEMA DE MONITORAÇÃO DAS VENTANEIRAS DO ALTO FORNO 3. Contribuição técnica ao 45º Seminário de Redução de Minério de Ferro e Matérias-primas, Rio de Janeiro, 2015.
RIZZO, E. M., Processo de fabricação de ferro gusa em alto-forno / Ernandes Marcos da Silveira Rizzo. São Paulo, Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2009.
SISTEMA DE APOIO AS DISCIPLINAS USP. “Alto-Forno parte 1”, 2018, https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/3350987/mod_resource/content/1/altoforno%202-2017.pdf. Acesso em: 13 nov. 2018
SOUSA, E.F. “Eficiência energética e redução da emissão de poluentes na indústria siderúrgica.” Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia
de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora. Juiz de Fora, 2017.