Sistema de Injeção de Carvão Pulverizado (PCI): Aumentando a Eficiência na Fabricação de Aço

Definição e Conceito Básico

O Sistema de Injeção de Carvão Pulverizado (PCI) é um processo metalúrgico avançado utilizado nas operações de alto-forno para introduzir carvão finamente moído no ar quente do alto-forno. Ele serve como um substituto ou suplemento para o coque, proporcionando um meio econômico e eficiente de reduzir a dependência dos produtos da cokagem. O principal objetivo do sistema PCI é fornecer um fluxo controlado e de alta qualidade de carvão pulverizado diretamente no alto-forno para melhorar a produtividade, reduzir os custos operacionais e diminuir as emissões ambientais.

Dentro da cadeia de produção de aço, o sistema PCI está posicionado durante a fase de preparação de matérias-primas, especificamente integrado ao processo do alto-forno. Ele interage de perto com o sistema de ar quente, alimentando carvão pulverizado na zona de carga do forno, onde participa de reações de redução química. O papel do sistema é crucial na otimização do ambiente térmico e químico do alto-forno, influenciando a eficiência da redução do ferro e a formação de escória.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio fundamental de engenharia por trás do sistema PCI envolve o transporte pneumático de carvão finamente pulverizado para a zona do tuyere do alto-forno. Este processo depende de sopradores de alta pressão e tubulações para transportar o carvão dos moinhos de moagem até os pontos de injeção. O sistema garante um fluxo consistente e controlado de partículas de carvão, que queimam rapidamente ao entrar em contato com o ar quente, contribuindo para o processo de redução.

Os principais componentes tecnológicos incluem o moinho de moagem de carvão, que pulveriza carvão bruto em partículas finas, geralmente menores que 75 micrômetros de diâmetro. O carvão pulverizado é então transportado por meio de tubulações equipadas com sopradores ou compressores que geram a pressão de transporte necessária. As lanças ou bicos de injeção são instalados perto do tuyere do forno para introduzir o carvão no fluxo de ar. Sistemas auxiliares, como alimentadores, válvulas e unidades de coleta de poeira, são integrados para regular o fluxo e manter a limpeza do sistema.

Os principais mecanismos operacionais envolvem a alimentação contínua de carvão pulverizado na tubulação de transporte, onde é impulsionado por ar comprimido ou gases inertes. As partículas de carvão são transportadas no gás portador, garantindo distribuição uniforme e entrega no forno. Uma vez injetado, o carvão se inflama e queima rapidamente, fornecendo calor e gases redutores essenciais para a produção de ferro.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem a taxa de injeção, a distribuição do tamanho das partículas, a pressão do gás portador e a temperatura. As taxas de injeção típicas variam de 100 a 250 kg por tonelada de metal quente, dependendo do tamanho do forno e da estratégia operacional. O tamanho das partículas é mantido abaixo de 75 micrômetros para garantir uma combustão rápida e minimizar perdas de carbono não queimado.

A relação entre esses parâmetros e as características de saída é direta: taxas de injeção mais altas podem melhorar a produtividade do forno, mas podem exigir ajustes nos parâmetros de ar para garantir a combustão completa. O tamanho das partículas influencia a eficiência da combustão; partículas mais finas queimam de forma mais completa e rápida, reduzindo perdas de carbono e emissões. A pressão do gás portador e a temperatura afetam a estabilidade do fluxo e a qualidade da atomização.

Sistemas de controle empregam sensores em tempo real e automação para monitorar parâmetros como pressão, taxa de fluxo e tamanho das partículas. Algoritmos avançados de controle de processo otimizam as taxas de injeção e mantêm a operação estável, garantindo desempenho consistente do forno e conformidade com as emissões.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de PCI consistem em uma série de moinhos de moagem (moinhos de bolas, moinhos de rolos verticais ou moinhos a jato) capazes de produzir carvão pulverizado com finura especificada. Os moinhos estão conectados a tubulações de transporte que se estendem até as lanças de injeção posicionadas perto do tuyere do forno.

A configuração física varia com o tamanho do forno e o layout da planta. Sistemas modernos apresentam designs modulares que permitem escalabilidade e facilidade de manutenção. As lanças de injeção são projetadas com múltiplos bicos para garantir a distribuição uniforme do carvão dentro do fluxo de ar.

Sistemas auxiliares incluem unidades de coleta de poeira, como precipitadores eletrostáticos ou filtros de bolsa, que capturam partículas finas de carvão e evitam emissões de poeira. Sistemas de limpeza de gases também são integrados para lidar com gases de combustão e prevenir poluição ambiental.

Com o tempo, as evoluções de design se concentraram em melhorar a eficiência energética, reduzir o desgaste e aumentar a precisão do controle. Inovações incluem o desenvolvimento de lanças de injeção de alta pressão, tecnologias de moagem aprimoradas e automação avançada para estabilidade do processo.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

Durante a operação do PCI, o carvão pulverizado passa por uma combustão rápida ao entrar em contato com o ar quente, iniciando uma série de reações exotérmicas. As principais reações químicas incluem:

• Combustão do carbono:
  C (s) + O₂ → CO₂ + calor

• Oxidação parcial levando à formação de CO:
  C (s) + ½ O₂ → CO

• Redução de óxidos de ferro por monóxido de carbono e carbono:
  Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
  Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO

Termodinamicamente, essas reações são favorecidas em altas temperaturas (> 1200°C), com a cinética influenciada pelo tamanho das partículas e pela disponibilidade de oxigênio. A combustão do carvão pulverizado produz calor, CO e CO₂, que facilitam a redução dos óxidos de ferro na carga.

Os subprodutos da reação incluem CO₂, CO, cinzas e compostos de enxofre, que são gerenciados por meio de sistemas de limpeza de gases. O teor de cinzas do carvão contribui para a formação de escória, afetando a operação do forno e a química da escória.

Transformações Metalúrgicas

A injeção de carvão pulverizado influencia as transformações metalúrgicas dentro do alto-forno. A combustão rápida das partículas de carvão gera altas temperaturas localizadas, promovendo a redução dos óxidos de ferro para ferro metálico.

Microestruturalmente, o processo resulta na formação de uma fase metálica porosa e semelhante a uma esponja, com escória e cinzas residuais incorporadas. A presença do carvão injetado modifica o perfil térmico da carga, afetando o comportamento de amolecimento, fusão e gotejamento dos materiais da carga.

As transformações de fase incluem a redução da hematita (Fe₂O₃) para magnetita (Fe₃O₄), depois para wüstite (FeO) e, finalmente, para ferro metálico (Fe). Essas transformações são influenciadas pela temperatura, composição do gás e tempo de residência.

As mudanças metalúrgicas impactam a microestrutura do produto final, influenciando propriedades como dureza, ductilidade e limpeza. O controle adequado do processo de injeção garante resultados metalúrgicos otimizados.

Interações de Materiais

As interações entre o carvão injetado, os materiais da carga, a escória e os revestimentos refratários são complexas. A combustão do carvão produz óxidos formadores de escória, como sílica, alumina e cal, que se combinam com impurezas para formar a fase de escória.

Interações descontroladas podem levar ao desgaste refratário, aderência da escória ou formação de fases indesejáveis, como compostos ricos em zinco ou enxofre. Os mecanismos envolvem reações químicas, tensões térmicas e erosão física.

Para controlar essas interações, os operadores otimizam a qualidade do carvão, as taxas de injeção e os perfis de temperatura do forno. Materiais refratários são selecionados para alta resistência à corrosão, e a química da escória é gerenciada por meio de adições de fundentes e ajustes de processo.

Mecanismos de transferência de materiais incluem difusão, fusão e reações químicas, que são monitoradas por meio de análises de escória e inspeções refratárias para prevenir problemas operacionais.

Fluxo do Processo e Integração