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70
5 Modelagem de processos de redução
Atualmente, a modelagem de processos de redução deixou de ser inovação
ou assunto acadêmico para tornar-se uma importante ferramenta de checagem
operacional, análise de valor e competitividade, previsão de conseqüências
decorrentes de alterações nos parâmetros de processo, auxílio no desenho de
reatores entre outros objetivos diversos de checagem e previsão da performance
técnica, econômica e ambiental.
Um bom modelamento depende de vários parâmetros, entre os principais:
• Objetivo claro
• Técnica adotada
• Entendimento da geometria (1-D, 2-D, 3-D)
• Metodologia de discretização
• Premissas adotadas
• Entendimento do processo (Termodinâmica / Cinética / Fenômenos de
transporte de massa e energia envolvidos)
Com relação aos modelos termoquímicos especificamente, este pode ser
global e/ou estagiado (discreto ou diferencial). No balanço global não importa o
que ocorre no interior do processo, enquanto no balanço estagiado é feita uma
análise de todas as etapas que ocorrem em cada região (estágio) do processo.
Os pré-requisitos para a construção de um bom modelo termoquímico são:
• Conhecimento pleno do balanço de massa do processo
• Conhecimento dos estados físicos dos reagentes e produtos
• Conhecimento das temperaturas dos reagentes e produtos
• Reações globais envolvidas
• Escolha de uma temperatura de referência apropriada.
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Normalmente escolhe-se a temperatura de referência como sendo 298 K
devido à facilidade de obtenção de dados tabulados. Todavia, para uma análise
quantitativa individualizada de cada termo do balanço estagiado, a temperatura de
referência deve ser a mais próxima possível da temperatura real em que o
processo esteja ocorrendo. A seguir são discutidos alguns aspectos relacionados
ao estado da arte da modelagem de reatores de redução de minério de ferro.
5.1 Modelamento de altos fornos
Por ser um reator convencional, com tecnologia de domínio público e
existir um bom entendimento das reações e mecanismos envolvidos, vários casos
de modelamento de altos-fornos são apresentados na literatura. De uma maneira
geral os modelamentos baseiam-se no modelo operacional desenvolvido pelo
IRSID (Instituto Francês de pesquisas siderúrgicas), que divide o alto-forno em
três zonas principais (36): Zona de Preparação (ZP), Zona de Reserva Térmica
(ZRT) e Zona de Elaboração (ZE), conforme figura 23 abaixo.
Figura 23 - Esquema do perfil de temperaturas dos gases e sólidos em um alto-forno
TEMPERATURA, °C
DIS
TAN
CIA
DA
S VE
NTA
NEI
RA
S, m
SÓLI
DO
S
GAS
8
6
4
2
0
10
12
14
16
18
20
0 500 1000 1500 2000
Zona de Reserva Térmica
Zona de Preparação
Zona de Elaboração
TEMPERATURA, °C
DIS
TAN
CIA
DA
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S, m
SÓLI
DO
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8
6
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10
12
14
16
18
20
0 500 1000 1500 2000
Zona de Reserva Térmica
Zona de Preparação
Zona de Elaboração
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Os pesquisadores do IRSID estabeleceram a divisão nas zonas acima após
análise de trabalhos envolvendo sondagens extensivas de altos-fornos que
mostraram os perfis de temperatura das fases condensadas e gases no interior do
forno. Nota-se pela figura que as zonas de preparação e elaboração são de intensa
troca térmica, enquanto que na zona intermediária (zona de reserva térmica)
praticamente não existe troca térmica (37).
A existência da zona de reserva térmica (ZRT) é função da reação de
Boudouard (CO2 + C → 2CO), que é uma das principais reações químicas que
ocorrem no alto-forno e que apresenta duas características:
• altamente endotérmica, fazendo com que muito calor seja consumido
durante a reação.
• alta energia de ativação, determinando a existência de uma temperatura
bem definida de início de reação. Essa temperatura de início de reação é
chamada de temperatura de reatividade e varia de material para material.
Por exemplo, para o caso do coque siderúrgico, a temperatura de
reatividade varia normalmente entre 900 e 950°C.
Com relação ao perfil de temperaturas do alto-forno, os gases quentes
oriundos da zona de combustão fornecem calor para o aquecimento das fases
condensadas e para as reações endotérmicas na Zona de Elaboração. Com isso a
temperatura dos gases diminui a medida que ascendem na região inferior do forno,
definindo o perfil da Zona de Elaboração. Quando os gases atingem a região da
isoterma que coincide com a temperatura de reatividade do combustível, a reação
de Boudouard deixa de ocorrer e como quase não existem outras reações
endotérmicas nesta região e a carga já se encontra próxima à temperatura dos
gases, a temperatura dos sólidos e gases permanece praticamente inalterada por
toda a zona de reserva térmica. Somente quando encontra uma carga mais fria em
regiões superiores do forno é que os gases passam a ceder calor e com isso abaixar
a sua temperatura, o que explica o perfil de temperaturas da zona de preparação.
O tamanho da zona de reserva térmica pode varia principalmente em
função do fator α, que é a razão térmica sólido/gás, definido pela equação:
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gpg
SpS
CmCm
,
,
.
.=α
onde:
ms = vazão mássica dos sólidos (kg.h-1)
mg = vazão mássica dos gases (kg.h-1)
Cp,s = calor específico dos sólidos (J.mol-1.K-1)
Cp,g = calor específico dos gases (J.mol-1.K-1)
Quando o valor do fator α é muito baixo, equivalente a um alto consumo
de carbono (kg.tgusa-1) e alto volume específico de gases, o perfil apresenta uma
grande zona de reserva térmica e vice-versa.
A divisão do alto-forno em zonas é extremamente útil para a modelagem
do processo, pois as zonas possuem características tão distintas que podem ser
tratadas como reatores individuais.
• Zona de Preparação: onde o carbono não reage, podendo ser tratado como
material inerte.
• Zona de Reserva Térmica: região normalmente desconsiderada nos
modelos termoquímicos, pois além de não haver troca de massa ou energia,
apresenta temperatura característica, comumente empregada como
temperatura de referência dos modelos.
• Zona de Elaboração: região onde o carbono incorpora no gusa, reage com o
ar na saída das ventaneiras fornecendo energia para o processo e reage com
o CO2, restituindo o poder redutor dos gases que serão utilizados nas
regiões superiores.
Pela descrição acima, pode-se afirmar que a reatividade do redutor exerce
influência sobre a caracterização de cada uma das zonas. Com a definição das
zonas acima e suas temperaturas características, descrevem-se os fenômenos
químicos envolvidos em cada região. A figura 24 a seguir mostra um exemplo da
identificação dos vários processos químicos ocorrendo em diferentes regiões do
alto-forno.
74
Figura 24 – Processos químicos considerados em várias regiões de um alto-forno
Especificamente para o modelo IRSID, normalmente consideram-se as
seguintes reações químicas ocorrendo nas várias regiões do forno (Figura 25).
Figura 25 – Modelo operacional do alto-forno
TEMPERATURA, °C
DIS
TAN
CIA
DA
S VE
NTA
NEI
RA
S, m
ZONA QUÍMICA INATIVA
REDUÇÃO DIRETAE ZONA DE FUSÃO
DA ESCÓRIA E FERRO
3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2CaCO3 = CaO + CO2
CO2 + C = 2COMnO + C = Mn + CO
P2O5 + 5C = 2P + 5COSiO2 + 2C = Si + 2CO
S + CaO + C = CaS + CO
RES
EVAT
ÉRM
ICA
ZON
A D
E R
EDÇ
ÃO IN
DIR
ETA
GAS de topo; 100 - 250° C10 a 20 % CO2 + 20 a 30 % CO + REST N2
PR
EH
EA
TIN
G
ZON
E
RED
UÇ
ÃO IN
DIR
ECT
ZO
NA
DA
WU
STIT
A
FeO + CO = Fe + CO2
+FeO NÃO REDUZIDO
GASSOLIDOS
8
6
4
2
0
10
12
14
16
18
20
0 500 1000 1500 2000
TEMPERATURA, °C
DIS
TAN
CIA
DA
S VE
NTA
NEI
RA
S, m
ZONA QUÍMICA INATIVA
REDUÇÃO DIRETAE ZONA DE FUSÃO
DA ESCÓRIA E FERRO
3 Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2CaCO3 = CaO + CO2
CO2 + C = 2COMnO + C = Mn + CO
P2O5 + 5C = 2P + 5COSiO2 + 2C = Si + 2CO
S + CaO + C = CaS + CO
RES
EVAT
ÉRM
ICA
ZON
A D
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GAS de topo; 100 - 250° C10 a 20 % CO2 + 20 a 30 % CO + REST N2
PR
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FeO + CO = Fe + CO2
+FeO NÃO REDUZIDO
GASSOLIDOS
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0 500 1000 1500 2000
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Tendo-se então definido o balanço de massa do processo, os estados
físicos dos reagentes e produtos, temperaturas dos reagentes e produtos, reações
globais envolvidas e a temperatura de referência apropriada, pode se realizar o
balanço termoquímico do processo de alto-forno. Os resultados gerais do balanço
termoquímico do alto-forno hoje são bem conhecidos e indicam os seguintes
pontos principais:
• A Zona de Elaboração é deficiente termicamente, sendo dependente da
temperatura do ar de sopro para fechamento do balanço térmico;
• A Zona de Preparação apresenta excesso de energia térmica, sendo
dependente da temperatura dos gases de topo para fechamento do balanço
térmico. Ademais, a temperatura e composição dos gases de topo indicam a
eficiência do reator (baixas temperaturas de topo indicam alto
aproveitamento da energia térmica dos gases no interior do reator).
Existem vários modelos feitos para altos-fornos, inclusive modelos
cinéticos 3D que tratam não apenas do balanço de massa e energia, mas também
do efeito “tempo” sobre a operação do reator. Com isso, parâmetros de
produtividade, tempo de residência dos materiais, vetores velocidade dos gases no
interior do reator, entre outros fatores podem ser determinados.
As figuras a seguir mostram exemplos de resultados de modelos cinéticos
aplicados ao processo de alto-forno.
Figura 26 – Arranjo da malha para modelagem 3D do alto-forno (38)
76
Figura 27 – Distribuição de temperaturas para um alto-forno operando com e sem injeção de gás na cuba (°C) (38)
Figura 28 – Fluxo tridimensional de líquidos no cadinho de um alto-forno (39).
5.2 Modelamento de processos alternativos
Como a maioria dos processos emergentes de redução de minério de ferro
não se encontra em estágio comercial, são poucas as referências de modelamentos
destes processos na literatura. Os principais processos em fase de consolidação
TG220021002000180016001400120011001000700300
77
industrial são o processo HIsmelt de fusão-redutora, o processo ITmk3 baseado
em um forno de soleira rotativa e que utiliza aglomerados auto-redutores como
carga, o processo Finex que utiliza uma combinação de reatores de leito fluidizado
para redução do minério de ferro e um forno de fusão/gaseificação e o processo
Tecnored™, em fase final de implantação de sua unidade industrial. Para o
processo Finex não foram encontrados dados na literatura sobre sua modelagem.
5.2.1 Processo HIsmelt
HIsmelt é uma tecnologia de fusão-redutora (bath smelting) onde a
redução dos óxidos de ferro e a gaseificação do carvão ocorrem no banho
metálico. Os materiais são injetados por lanças submersas e não pelo topo do
reator. O processo utiliza ar pré-aquecido (1200°C) enriquecido com oxigênio e
utiliza como carga finos de minério (-6mm) e carvão. Por operar com escória
básica e rica em “FeO”, o processo é capaz de remover quase todo fósforo do
metal. A figura 29 mostra esquematicamente o reator.
Figura 29 – Reator HIsmelt de fusão-redutora
• Modelamento do processo
São dois os modelos matemáticos construídos para o processo HIsmelt
disponíveis na literatura pesquisada (40, 41). No primeiro, realizado pela
COAL & ORE COAL & ORE
HOT AIR BLAST1200 C
(OXYGEN ENRICHED)
SLAGMETAL
OFFGASWATER-COOLED PANELS IN TOPSPACE
REFRACTORY LINED HEARTH
78
universidade de Greenwich, os autores dividiram o processo em três regiões
(Figura 30).
Figura 30 – Divisão do reator HIsmelt para modelagem (40)
Pela figura acima, nota-se que as três zonas escolhidas pelos pesquisadores
foram Zona de banho (região onde o banho metálico e a escória líquida formam
uma fase contínua); Zona de transição (região onde o gás é a fase contínua,
todavia com significativa presença de líquidos) e Zona dos gases (região com a
presença de gases somente).
O modelo foi construído levando-se em conta aspectos de vazão dos
fluidos e processos de transferência térmica na região superior do reator (zona de
gás e de transição). Entre outros achados, os autores constataram que o uso de
jatos com alto poder de turbilhonamento resulta em fluxo reverso no centro do
jato, aumentando a sua área superficial promovendo as reações químicas entre as
espécies, otimizando o processo.
As figuras abaixo mostram alguns resultados gráficos desta modelagem.
79
Figura 31 – Malha tridimensional do reator HIsmelt (40)
Figura 32 – Perfil térmico (esquerda) e de velocidades (direita) após modelagem do processo HIsmelt. (40)
Em outro trabalho de modelamento, os pesquisadores discutem as técnicas
de fluido-dinâmica computacional ou CFD1 aplicadas desde meados de 1980 para
entender os mecanismos fluidodinâmicos envolvidos no processo (41).
Neste caso os autores dividiram o reator em duas regiões principais (banho
e topo) com uma zona intermediária comum às duas regiões (zona intermediária),
de maneira que diferentes modelos de fluxo fossem aplicados a cada zona. Os
autores reportam que a idéia de dividir o reator em duas zonas foi de fundamental
importância, pois diferentes técnicas de modelamentos puderam ser aplicadas para
1 CFD é a sigla em inglês para Computational Fluid Dynamics
80
cada metade do processo. A figura 33 a seguir mostra a geometria utilizada no
modelo da região do banho com as principais espécies envolvidas.
Figura 33 – Geometria e espécies consideradas na modelagem (41)
Os autores afirmam que os resultados do modelo foram aplicados durante
a fase de planta piloto e extensivamente usados no projeto do forno industrial que
envolveu um aumento de escala do diâmetro de 2,7 m (forno piloto) para 6 m
(forno industrial). Como exemplo, os autores mostram aspectos que sofreram
alterações em função dos resultados encontrados na modelagem (Figura 34).
Figura 34 – Correção passo-a-passo do projeto do reator HIsmelt utilizando resultados de modelagem matemática CFD. (41)
Ponto de partida:Projeto original (sem
modelagem)
Revisão 1:Elevar altura da
lança
Revisão 2:Reduzir diâmetro do vaso
Problema:Baixa índice de pós-combustão (42-45%)
Melhoria:Aumento do índice de
pós-combustão (52%)
Melhoria:Menor área de
refrigeração e maior facilidade no projeto
das lanças
81
5.2.2 Fornos de soleira rotativa
Nestes processos, aglomerados auto-redutores são utilizados num forno de
soleira rotativa, no qual a energia é fornecida pela queima de combustível e gases
de processo, realizada acima de um leito de pequena espessura (uma a três
camadas de pelotas). Nesta categoria estão agrupados os processos ITmk3,
Redsmelt, Maumee, Fastmet, Inmetco e IDI. A figura 35 abaixo mostra um
esquema de um forno de soleira rotativa.
Figura 35 – Vista superior (esquerda) e seção transversal (direita) de um RHF (42)
São poucos os modelamentos realizados para estes processos com
informações disponíveis na literatura pesquisada.
Fortini (43) construiu um modelo “caixa-preta” usado para prever a
produtividade e demandas energéticas de um forno de soleira rotativa. O autor
avaliou o efeito da temperatura de operação, propriedades do leito, tamanho das
pelotas e tipo de carbono utilizado como agente redutor sobre a produtividade do
forno e consumo de energia.
Segundo o autor, os resultados do modelo construído mostraram boa
correlação com os dados disponíveis na literatura, apesar das várias simplificações
adotadas. Como exemplo ele cita os tempos de residência previstos pelo modelo
de 5 a 7 minutos, comparados com 6 minutos encontrados na literatura para uma
camada de pelota no forno. Para duas camadas o autor encontrou tempos de
residência da ordem de 10 a 16 minutos, enquanto dados de literatura mostraram
tempos variando entre 12 a 18 minutos. A produtividade do reator também foi
modelada e o autor encontrou números da ordem de 70 a 80 kg.m-2.hr-1, contra 70
82
a 90 kg.m-2.hr-1 encontrados na literatura. O autor verificou pelo modelo
construído que a produtividade do reator sofre influência do número de camadas
de pelotas e da temperatura de operação. Esta última afirmação sem dúvida
confirma os achados de autores de que o processo de auto-redução é fortemente
dependente da temperatura.
Através do seu trabalho o autor afirma que o uso de carvão vegetal ao
invés de carvão mineral como agente redutor nas pelotas auto-redutoras pode
resultar em ganhos de produtividade de até 50%, considerando os efeitos
combinados de cinética química e transferência de calor. Por fim, o autor
determinou o consumo mínimo de carbono do processo como sendo 178
kgC.t_DRI-1 para operação com uma camada de pelotas auto-redutoras (carvão
mineral como redutor), produzindo pelotas com 70% de metalização. A figura 36
mostra a divisão feita pelo autor para construção do modelo de produtividade.
Figura 36 – Divisão do forno RHF usado no modelo de produtividade
Calor Gás
Gás Gás Gás Gas Gas
Combustível O2/AR
Gas de topo
Pelotas auto-redutoras
DRI
Leito Leito Leito
Zona de pré-aquecimento
Zona de pré-redução
Zona final da redução
83
Tanaka(44) a partir de um modelo termoquímico para o forno de soleira
rotativa do processo ITmk3 determinou como seria o balanço energético de um
forno de soleira rotativa operando em condições industriais (Figura 37).
Figura 37 – Balanço energético do processo ITmk3
Conforme se observa pela figura acima, a maior parte da energia térmica
necessária para o processo é fornecida pela combustão do carbono do aglomerado,
com o restante sendo fornecido pelo combustível externo e pelo calor sensível do
ar de combustão. As saídas de energia do processo referem-se às reações de
redução e fusão da carga (exigência termodinâmica), perdas térmicas e ao calor
sensível dos produtos e gases de saída do processo. A partir do modelo
termoquímico o autor sugere uma recuperação adicional do calor sensível dos
gases de topo para aumentar a eficiência do processo.
5.3 Modelamento do processo Tecnored™
O processo Tecnored™ iniciou o seu desenvolvimento a partir de meados
da década de 70 e desde então foram realizados várias estudos fundamentais e
fenomenológicos de processo, através de testes de bancada com diferentes tipos
de aglomerados, tipos de matérias-primas e condições operacionais. Além disso,
foram realizados ao longo do desenvolvimento diferentes tipos de modelagem do
processo com propósitos específicos conforme discutido a seguir:
84
5.3.1 Modelagem da cuba superior
Este foi o primeiro modelamento da tecnologia Tecnored™, e foi realizado
em meados da década de 90 quando o desenvolvimento da tecnologia em fornos
circulares parecia ter chegado a um limite (45). O modelo foi desenvolvido para a
zona de auto-redução do forno (cuba superior), simulando o comportamento da
descida de uma pelota auto-redutora (46, 47). A metodologia adotada foi a da
solução numérica discreta, devido à sua intrínseca flexibilidade que permitiu,
inclusive, a introdução continuada de vários progressos obtidos no
desenvolvimento da tecnologia.
Basicamente, o modelo discreto considerou a análise e quantificação do
comportamento dos aglomerados na carga como uma descrição fenomenológica
para as transferências de calor e reações químicas envolvidas. O modelo baseou-
se em um único aglomerado, que a cada tempo reside em alguma das fatias
horizontais em que a zona superior do forno foi dividida. A espessura adotada das
fatias foi da ordem da dimensão característica dos aglomerados.
O tempo de residência dos aglomerados nos elementos corte (fatias) foi
determinado pela velocidade de alimentação da carga. No modelo o aglomerado é
dividido em cascas concêntricas, cuja espessura é definida pela difusividade
térmica, sendo esta uma função dos vários materiais constituintes. Estas cascas
são usadas pelo modelo para dimensionar o progresso da conversão química
dentro do aglomerado. Adicionalmente o fluxo total de gás é distribuído
igualmente entre os aglomerados em cada corte horizontal em obediência às
condições operacionais da zona do forno.
Em ordem de etapas, a arquitetura do algoritmo do modelo, escrita em
Turbo-Pascal, obedeceu à seguinte rotina:
• aglomerado entra no elemento z do forno vindo de “z-1”;
• cálculo de todas as propriedades do gás na temperatura do elemento “z-1”
do forno ( densidade, massa molecular, calor específico, viscosidade, etc. );
• cálculo da distribuição das frações mássicas do gás entre os aglomerados no
elemento “z” do forno de acordo com o perfil de fluxo do gás;
85
• determinação dos parâmetros termais do sistema (coef. de filme convecção,
condutividade termal efetiva, etc.) à temperatura do elemento “z-1”;
• avaliação do calor trocado por convecção na casca externa do aglomerado;
• cálculo dos calores conduzidos entre as cascas internas do aglomerado;
• correção da composição do aglomerado por meio da cinética reacional,
avaliação do perfil de temperatura e do balanço de massa do aglomerado no
elemento “z”;
• determinação, por meio do balanço térmico nos sólidos da nova
temperatura do aglomerado ( Ts em “z” ), a ser usada nos cálculos para o
elemento “z+1”;
• avaliação do balanço de massa do gás para o elemento “z” do forno levando
em conta que a metodologia de cálculo deve obedecer ao fato que o fluxo
de gás é de contracorrente;
• cálculo do balanço térmico do gás, levando em consideração as
transferências de calor e perdas, para determinação da nova temperatura do
gás ( Tg em “z” ) a ser usada nos cálculos para o elemento “z+1”.
Algumas hipóteses operacionais foram feitas para a construção do modelo:
• os fluxos no leito reacional são considerados unidimensionais e de natureza
pistonada;
• os aglomerados são assumidos como sendo pelotas exibindo arranjo no
leito do tipo cúbico de face centrada;
• os gases possuem comportamento ideal e por último, por convenção, os
processos de convecção, condução e reação química são considerados na
modelagem sequencialmente.
O diagrama esquemático mostrado na Figura 38 abaixo resume o esquema
de cálculo e a figura 39 mostra um resultado do software, baseado em dados
operacionais simulados do forno. A área ampliada detalha o significado das
principais linhas do gráfico.
86
Figura 38 – Interpretação 3D do modelamento da cuba superior do forno Tecnored™
Figura 39 - Exemplo básico dos resultados do software.
temperatura do gás
temperatura do núcleo temperatura da superfícietemperatura das cascas internas
Aglomerados descendo a uma velocidade ua
O gás ascendente a uma velocidade ug é dividido
entre os aglomerados
Elemento z do forno
∆t é o tempo de residência
em z
z Durante ∆t o elemento de gás transfere calor aos aglomerados e perde uma fração do seu calor para o exterior
Durante ∆t os aglomerados recebem calor, q conv, transmitem-no e reagem
∆r = √ α∆t qconv
∑ q ∑ q
aglomerado cascas filme gasoso
87
De acordo com o exemplo mostrado acima, o grau de redução no final da
Zona de Redução (ZR) foi de 93,6% em 27,3 minutos, confirmando a rapidez das
reações que ocorrem no processo Tecnored™. Além disso, uma zona de reserva
térmica devida à reação endotérmica de Boudouard para um redutor de alta
reatividade apresenta-se claramente. Como previsto pelos testes de bancada, um
gradiente térmico dentro do aglomerado é também indicado pelo modelo,
atestando a importância do mecanismo de transferência de calor no processo
global. Finalmente, no canto inferior esquerdo do gráfico, o modelo prediz o
estado final do aglomerado reduzido, podendo indicar fusão primária de escória,
final da redução, ou como mostrado no exemplo, fusão da fase metálica.
Esse modelo foi de fundamental importância no desenvolvimento da
tecnologia e gerou os seguintes resultados principais:
• O modelo evidenciou as altíssimas velocidades reacionais atingidas na
redução dos aglomerados auto-redutores, que é a principal característica
desta tecnologia;
• A simulação do processo confirmou a existência de uma pequena zona de
reserva térmica no forno Tecnored™, com intensidade extremamente
dependente da reatividade do redutor usado;
• A modelagem indicou a importância dos mecanismos de troca de calor na
zona superior do forno devido à existência de gradientes térmicos entre a
superfície e o núcleo dos aglomerados, confirmando assim os experimentos
de bancada;
• A importância da pós-combustão interna do CO pelo sopro secundário foi
evidenciada pelos valores dos índices de metalização e pelos principais
fatores que afetam a formação da zona coesiva.
5.3.2 Análise de elementos finitos do forno industrial
O reator industrial da tecnologia Tecnored™ foi projetado a partir dos
dados de processo levantados em planta piloto. Para suportar o projeto mecânico e
estrutural do reator foi realizada uma modelagem que utilizou a técnica de
88
elementos finitos para determinar as solicitações térmicas e mecânicas atuantes na
carcaça do forno. Esta modelagem foi de fundamental importância para garantir
um projeto seguro e otimizado do reator industrial, considerando o aspecto de
modularidade, ou seja, que o reator pode ser aumentado em determinado momento
posterior, através do aumento do seu comprimento.
As figuras abaixo mostram alguns exemplos de resultados desta
modelagem.
Figura 40 – Análise de elementos finitos da carcaça do reator Tecnored™ (entrada do alimentador de combustível)
Figura 41 – Análise de elementos finitos da carcaça do reator Tecnored™ (vista lateral)
89
5.3.3 Modelamento 3D multifásico multicomponentes
Esta modelagem encontra-se em andamento e visa realizar uma
modelagem 3D multifases e multicomponentes do forno Tecnored™.
A proposta do modelo é formular os fenômenos que ocorrem no interior do
reator como um sistema de duas fases que interagem entre si transferindo
momentum, massa e energia. Como tal, o sistema pode ser formulado em termos
de equações de transporte, sendo resolvidas em um domínio discretizado através
da técnica de volumes finitos. De modo geral, os fenômenos de transferência de
calor, momentum e massa no interior da cuba superior do forno são representados
pela equação geral de transporte.
Nesta equação os chamados termos fontes representam as iterações com as
outras fases, seja através de transferência de momentum, energia e massa por
processos envolvendo reações químicas. O coeficiente de transferência ( Γ )
assume diferentes significados conforme a equação a ser resolvida. No termo
fonte ( S ) introduzem-se todos os termos não inclusos no lado esquerdo da
equação. A equação é uma típica equação resolvida pelo método de volumes
finitos. No termo fonte, portanto estão contemplados os acoplamentos entre as
fases tais como transferência de momentum, energia e massa.
O modelo prevê a evolução das variáveis de estado pressão, temperatura e
composição química das fases presentes. Adicionalmente, o modelo prevê
aspectos relevantes do escoamento do gás através da carga e tempo de residência
dos sólidos no interior do reator. Parâmetros operacionais tais como
produtividade, temperatura do gás de topo e composição química dos produtos
obtidos são calculados a partir do modelo. Os primeiros resultados confirmam
algumas características importantes do processo, tais como alta produtividade
presente na cuba superior (35 t.m-3.dia-1).
( ) ( ) ( )( )kiki
SgraddivVdivt kikiiii
kiii,, ,,
,φφ φφερ
φερ+Γ=+
∂
∂ r
90
As figuras a seguir mostram alguns resultados preliminares da modelagem.
Figura 42 - Evolução das temperaturas do gás (esquerda) e sólidos (direita) no interior do forno de auto-redução
Figura 43 - Evolução dos óxidos de ferro para as diversas etapas de auto-redução
91
Figura 44 - Evolução da formação de ferro metálico para as diversas etapas de auto-redução
Figura 45 - Condições internas de redução no forno de cuba com carga auto-redutora