Aproveitamento De Gases De Alto-forno

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XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 Aproveitamento de características físicas dos gases de alto forno para geração de energia elétrica em uma siderúrgica: O Caso da Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST) Paulo Eduardo Rodrigues (UVV) [email protected] Diniz Lobão (UVV) [email protected] José Ramon Martinez Pontes (UVV) [email protected] Patrícia Alcântara Cardoso (UVV) [email protected] Resumo A conservação de energia no mundo atual torna-se uma necessidade primordial em indústrias de pequeno e, principalmente, de grande porte. O potencial energético resultante de processos industriais pode ser aproveitado utilizando-se de conhecimentos de engenharia e de tecnologias específicas. Em siderúrgicas, a possibilidade de aproveitamento deste potencial energético é imenso devido a grande quantidade de unidades produtivas em uma mesma planta. No caso CST, o processo de aproveitamento da energia potencial existente no gás BFG gerado no Alto Forno-1 consistiu na instalação de uma unidade composta de turbina e gerador de energia elétrica chamado Turbina de Recuperação de Topo (TRT). Esta alteração de processo vem beneficiando a empresa desde 1996 na conservação de energia e eliminação do impacto ambiental proveniente do ruído que até então era gerado. No trabalho são descritos os métodos para identificação das potencialidades de aproveitamento de energia numa siderúrgica, os processos de tomada de decisão gerencial e os resultados da implantação. O modelo apresentado neste trabalho pode ser implantado em siderúrgicas onde as condições são similares. Palavras-Chaves: Gás de Alto Forno, Turbina e Geração de Energia. 1. INTRODUÇÃO De acordo com Meira (1980), as usinas siderúrgicas de grande porte possuem consumidores de energia elétrica cujas cargas lhes são peculiares, de características essencialmente variáveis. A operação de grandes motores, tal como da Laminação, introduzem oscilações instantâneas de potências ativas e reativas no sistema elétrico interligado. Portanto na implantação destas, é fundamental a análise criteriosa do comportamento de suas cargas, levando-se em consideração a capacidade do sistema da concessionária da região. Em geral, o planejamento conduzirá à necessidade de reforma do sistema elétrico, através de novas linhas de transmissão, interligação com outras estações geradoras e, mesmo, implantação de unidade de geração de energia elétrica na própria usina siderúrgica. No caso específico de Siderúrgicas, tidas como potencial de desenvolvimento regional, são-lhes oferecidas oportunidades para a geração de parte da demanda de energia elétrica destinada ao consumo próprio, uma vez que dispõem de excesso de gases, combustíveis estes, baratos, por serem subprodutos da própria usina. Na CST, o potencial energético existente é muito grande e vários deles já são bem aproveitados. Neste trabalho abordamos o aproveitamento da energia potencial existente no BFG gerado no Alto Forno I. Este aproveitamento consiste na transformação da energia potencial remanescente no gás quando da sua transferência e expansão da pressão e velocidade do volume do gás que é enviado para o Sistema de Distribuição de Combustíveis no setor de Utilidades, onde o mesmo é armazenado no gasômetro e simultaneamente ENEGEP 2003 ABEPRO 1 XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 distribuído em toda a empresa. Atualmente os modelos mais utilizados na geração de energia elétrica são três: Hidroelétricas, Energia Nuclear e Centrais Termoelétricas. As hidroelétricas apresentam baixo custo operacional, porém grande investimento inicial; a energia nuclear embora de grande potência, transmite grande desconfiança dos ambientalistas; as centrais termelétricas apresentam alto custo com combustíveis e emissão de resíduos para atmosfera (TAMANDARÉ, 2001). Na Companhia Siderúrgica de Tubarão as centrais termoelétricas utilizam-se de gases oriundos dos processos de fabricação do aço, que ao invés de serem lançados para atmosfera provocando poluição ambiental são queimados em caldeiras, transformado-os em geração de energia elétrica. Uma parte significativa desta geração destaca-se por não advir da queima do gás e sim do aproveitamento de características físicas do gás de Alto Forno para a geração de energia elétrica. Para mostrar as vantagens desta geração apresentaremos um estudo de caso baseado em pesquisa. 2. METODOLOGIA Para a classificação da pesquisa, tomaremos como base a taxionomia apresentada por Vergara (2000) que define os tipos de pesquisa segundo dois critérios: quanto aos fins e aos meios de investigação. Quanto aos fins, o trabalho é do tipo DESCRITIVO, pois visa descrever técnicas para aproveitamento de gases do alto forno. Quanto aos meios de investigação, o trabalho é BIBLIOGRÁFICO E DOCUMENTAL. Bibliográfico, pois envolve um estudo sistematizado desenvolvido em material publicado em livros, revistas e materiais acessíveis ao público em geral. O trabalho também é documental, porque se valerá de documentos internos a CST que digam respeito ao objeto de estudo. Por fim, o trabalho é uma pesquisa qualitativa, pois envolve um estudo de caso único, a planta produtiva da Companhia Siderúrgica de Tubarão, escolhida pelo critério de acessibilidade. 3. O CASO CST 3.1 A EMPRESA A CST, localizada na cidade de Serra – E.S., é a maior fornecedora de placas de aço do mundo. Detém 18% do mercado internacional desse produto e, em 1996, foi a terceira maior exportadora do Brasil. Projeto pioneiro no mundo voltado exclusivamente para a produção de placas de aço, a CST contribui fortemente para a criação desse mercado, mantendo-se desde o início em sua liderança. Da produção total da usina, cerca de 98% têm sido destinados à exportação, atendendo clientes distribuídos por todas as regiões do mundo. Com a implantação do seu segundo Alto-Forno, em julho de 1998, a CST ampliou sua capacidade de produção de 3,5 para 4,4 milhões de toneladas por ano, preparando-se para uma posterior diversificação de suas atividades. Além deste investimento, a CST modernizou sua linha de produção, que agora conta com dois Lingotamentos Contínuos de Placas, que substitui o Laminador Convencional. Estes investimentos e os demais realizados consumiram, entre 1993 e 1998, o total de US$ 1,27 bilhões. Em novembro de 2002, com a entrada em operação do Laminador de Tiras a Quente (LTQ), a empresa, além de manter sua posição de destaque no mercado internacional de placas, se tornou também importante fornecedora de laminados a quente para o mercado doméstico (CST, 2003). ENEGEP 2003 ABEPRO 2 XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 3.2 A GERAÇÃO DOS GASES SIDERÚRGICOS NA CST A poluição industrial é na verdade uma forma de desperdício e ineficiência dos processos produtivos. Resíduos industriais representam, na maioria dos casos, perdas de matérias primas e insumos. A soma dos diferentes conceitos de poluição nos leva a crer que o problema ambiental gerado por um determinado processo deve ser evitado não na saída da indústria, mas investigando o próprio processo industrial, detectando ineficiências e falhas (ABM – 1997). No processo de fabricação do aço são gerados diversos gases em diferentes unidades da siderúrgica, Coqueria, Aciaria, CDQ e Alto Forno. Na Coqueria, processo de transformação de carvão mineral em Coque (combustível para Altos Fornos) é produzido o gás COG (Gás de Coqueria). Este gás apresenta um volume de 440 Nm³ por tonelada de coque produzido e um poder calorífico de 4.200 a 4.800 Kcal/Nm³. O COG produzido em uma Coqueria é utilizado na própria unidade para queima do carvão mineral nos fornos da bateria, onde também pode ser utilizado misturado ao gás BFG (Gás de Alto Forno); o COG excedente é utilizado em geração de energia e outros consumidores. Na Aciaria, processo de transformação de gusa em aço é gerado o gás BOFG (Gás de Aciaria). Atualmente este gás não é utilizado, porém existe a previsão de utilização para futura geração. Atualmente este gás está sendo queimado em torres apropriadas. No CDQ (Apagamento de Coque à Seco), o gás gerado é inteiramente consumido na própria unidade, em circuito fechado que consta de cinco câmaras e cinco caldeiras de geração de vapor. No Alto Forno, processo de produção de gusa que consiste da redução do Sinter, do Coque e da injeção de carvão (PCI) é gerado o gás BFG (Gás de Alto Forno). Este gás apresenta um volume de 1540 Nm³ por tonelada de gusa produzido e um poder calorífico de 750 a 900 Kcal/Nm³. O BFG produzido no Alto Forno é utilizado no próprio Alto Forno para pré-aquecer o ar nos regeneradores, e o excedente é utilizado para geração de energia (GASES SIDERÚRGICOS, 2002). 3.3 DESCRIÇÃO DO PROJETO DE GERAÇÃO DE ENERGIA A TRT (Turbina de Topo de Alto Forno) é um equipamento projetado para gerar energia elétrica através do gás BFG do topo do Alto Forno 01, se aproveitando de características termodinâmicas como: temperatura, pressão e volume (VAN WYLEN, SONNTAG & BORGNAKKE, 1998). A construção da TRT durou nove meses, de 15/02/1996 a 25/11/1996. Sua estabilidade operacional foi conseguida no mês de dezembro de 1996. Estabeleceu-se dezembro como o mês de transição. O investimento foi na ordem de US$ 13.500.000,00. A energia elétrica produzida na TRT é adicionada à geração interna já existente na empresa, duas termoelétricas - ciclo a vapor e, utilizada única e exclusivamente em seu processo siderúrgico, no cenário da época. A partir do segundo semestre de 1998, com a entrada da terceira termoelétrica, a TRT foi considerada pela CST como um item estratégico de eficiência energética, pois esta instalação ajudou a conquistar a auto-suficiência em energia elétrica, possibilitando a venda de energia a ESCELSA (Espírito Santo Centrais Elétricas). O balanço simplificado apresentou geração de 195 MW; consumo de 165 MW e venda de 30 MW. O gráfico 1, abaixo, apresenta os ganhos energéticos relativos ao projeto TRT no período de 1998 a 2002 (CST – IPUD, 2003). ENEGEP 2003 ABEPRO 3 XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 Geração de e ne rgia 13,00 12,00 Mwh 11,00 1998 1999 2000 10,00 2001 2002 9,00 8,00 7,00 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Mê s Jul Ago Set Out Nov Dez Gráfico 1 – Geração de Energia Elétrica - TRT A expansão controlada do gás produzido internamente no Alto-Forno 1 é feita produzindo energia elétrica, cuja quantidade é função de características do gás na entrada da turbina, como vazão média anual 610.000 Nm3/h; pressão de controle de 2,45 kg/cm²; temperatura na faixa de 45 a 50o C. As características do gás na saída da turbina apresentam pressão de controle de 0,06 kg/cm2; temperatura na faixa de 10 a 20o C. O rendimento da turbina é em função das variações de vazão de BFG que podem ocorrer diariamente na operação do AltoForno 1. Anteriormente esta energia era desperdiçada na necessária redução da pressão do gás BFG para armazenamento e distribuição, além de gerar ruído e aquecimento na válvula responsável pela função de controlar a pressão no topo do Alto Forno 01, denominada Septum Valve. Este processo de recuperação de energia é o primeiro a ser utilizado nas Américas e interrompeu o desperdício continuado de 15 anos no Alto Forno 01 da CST. A princípio, a TRT gerou cerca de 17 MW médios, podendo atingir valores próximos ao seu nominal, que é de 20,2 MW. Abaixo, a figura 1, mostra o fluxo da geração do gás BFG e da utilização da TRT. O texto está em inglês por ter sido o fluxograma retirado de documentos da empresa (CST – IPUD, 2003). Figura 1 - Fluxograma do processo da TRT. ENEGEP 2003 ABEPRO 4 XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 3.4 CONSIDERAÇÕES TÉCNICAS O projeto TRT utilizou-se da diferença de pressão do BFG existente entre o topo do AltoForno e a linha de distribuição da usina. A disponibilidade e a quantidade de BFG são funções exclusivas do ritmo operacional do próprio Alto-Forno 1; Em virtude do projeto TRT estar locado ao lado do Alto-Forno 1 e a área para sua instalação ser extremamente pequena, não se fez necessário efetuar novos levantamentos topográficos e geológicos; Para a refrigeração do gerador e sistemas a óleo, é utilizado um circuito fechado, que foi ampliado a partir do próprio sistema de refrigeração do Alto-Forno 1, sistema este que já existia. Dados técnicos da TRT: Tipo - Turbina de expansão; Fabricante - Kawasaki Heavy Industries; Modelo - KSA-140HÁ; Número de estágios - 2; Potência nominal nos terminais do gerador - 20,2 MW; Rotação nominal - 3.600 rpm (KAWASAKI, 1996). 3.5 TRATAMENTO DADO PELA EMPRESA A ASSUNTOS RELATIVOS À ÁREA ENERGÉTICA O gerenciamento de energia na CST é feito pela Divisão de Utilidades, setor responsável pela produção de energia elétrica, produção de criogênicos e distribuição de todas utilidades necessárias ao processo produtivo como: Oxigênio, Nitrogênio, Ar Comprimido, Argônio, Energia Elétrica, Águas (clarificada, potável, desmineralizada e do mar), Vapor e Combustíveis (gás de Coqueria, gás de Alto Forno, alcatrão e gás natural). Desde o seu start up a CST possui o Centro de Energia, local físico onde está centralizado todo o controle de distribuição de energia elétrica, águas e combustível. Diariamente, os relatórios de consumos, onde são comparados os consumos médios e máximos do dia anterior, são analisados pelo Gerente de Seção e Especialistas. O relatório com as observações e contra medidas são encaminhados para toda a gerência da Usina. Toda análise do desempenho energético da empresa é feita pela Divisão de Utilidades, sendo quem controla toda distribuição, que informa diretamente à direção da empresa todas as análises e desvios. A malha de medição, particularmente da energia elétrica, possibilita o acompanhamento e identificação dos principais consumidores da usina, que representam cerca de 93 % do consumo total. No gerenciamento da energia, a meta é a maior venda possível, particularmente no horário de ponta do sistema. Para isto são analisadas as tendências de consumo de energia e disponibilidade de gases e alcatrão, o que exige uma interação dos técnicos de controle de Energia e Combustíveis. A área de Utilidades desenvolveu junto a cada consumidor interno o AQO (Acordo de Qualidade Operacional), que garante o compromisso das áreas em colaboração com a operacionalização dos recursos energéticos da empresa. Como exemplo, todas as partidas de motores acima de 1 MW só podem ser feitas a partir da autorização do técnico do Centro de Energia, e nos momentos em que há desbalanceamento de disponibilidade de combustíveis para geração de energia, o técnico pode buscar junto às áreas operacionais reduções que permitam manter o nível de geração (BITTENCOURT e SILVA, 1999). ENEGEP 2003 ABEPRO 5 XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 4. ANÁLISE Para análise deste estudo, acompanharam-se os seguintes indicadores: Redução do Consumo Específico de Energia Comprada (86,1%); Tempo de Retorno do Investimento (3,3 anos); Relação entre investimento realizado e a Redução de Consumo (US$794.117,00/MW); Redução nos custos de operação (a implantação da TRT não refletiu significantemente nos custos de operação); Relação Custo/Benefício (0,78 Investimento Total / VPL); Redução da Demanda Contratada (de 20 MW para 0,5 MW no Horário de Ponta e de 30 MW para 15 MW, Horário Fora de Ponta); Benefícios ambientais (redução do nível de ruído. Em algumas localidades o nível de ruído caiu significativamente como, por exemplo, na plataforma perto da Válvula de Controle de Pressão (Septum Valve), onde o nível de ruído caiu de 98 para 78,2 dB; Benefícios não energéticos (melhor controle operacional da pressão de topo do Alto Forno 1) e o Balanço Energético Total (os Balanços Energéticos Parciais de 1996 e 1997 são apresentados nas tabelas 1 e 2). 5. CONCLUSÃO A partir de dezembro de 1996, quando a TRT entrou em funcionamento, o consumo de energia elétrica comprada da ESCELSA(Espírito Santo Centrais Elétricas AS) caiu drasticamente, possibilitando a CST produzir aproximadamente 98% de sua necessidade em energia elétrica. As Tabelas 1 e 2 resumem a evolução do consumo da energia elétrica comprada pela CST cinco meses antes e seis meses depois da implantação da TRT. Além de simplesmente demonstrar o consumo de energia comprada, as tabelas trazem informações sobre energia elétrica comprada por período horário (ponta e fora de ponta), demandas máximas registradas por período horário (ponta e fora de ponta), produção industrial e consumo específico da energia comprada em função da produção de aço. Cons. de Elet.-Ponta (kWh) Cons. de Elet.-FPonta (kWh) Cons. de Elet.-Suplementar (kWh) Cons. de Elet.-TOTAL (kWh) Demanda máx. medida-Ponta (kW) Demanda máx. medida-FPonta (kW) Produção Industrial (ton.) Consumo Específico (kWh/ton.) jul/96 ago/96 set/96 out/96 nov/96 dez/96 1.142.400 951.352 985.978 1.073.214 817.661 250.871 10.282.364 8.063.336 9.153.401 9.247.489 7.188.625 3.104.298 59.243 139 208 44.529 26.738 11.484.007 9.014.827 10.139.587 10.365.232 8.033.024 3.355.169 24.465 23.205 25.620 26.145 22.890 22.680 53.550 30.555 27.615 47.040 47.460 25.935 264.818 307.127 267.795 281.730 275.194 295.916 43,37 29,35 37,86 36,79 29,19 11,34 Tabela 1 – Evolução do consumo da energia elétrica comprada pela CST (jul/96 a dez/96). Cons. de Elet. - Ponta (kWh) jan/97 2.075 fev/97 2.832 mar/97 10.507 abr/97 19.243 mai/97 12.641 jun/97 20.409 Cons. de Elet. - FPonta (kWh) Cons. de Elet. - Suplementar (kWh) Cons. de Elet. - Total (kWh) Demanda máx. medida-Ponta (kW) Demanda máx. medida-FPonta (kW) Produção Industrial (ton.) Consumo Específico (kwh/ton.) 462.787 1.363 466.225 3.465 13.860 282.893 1,65 549.221 1.078.563 1.447.019 1.056.484 1.581.584 5.943 163.290 73.641 38.310 69.501 557.996 1.252.360 1.539.903 1.107.435 1.671.494 1.470 6.195 8.925 7.035 19.635 19.110 59.850 31.710 19.110 23.835 267.194 286.718 285.138 286.037 299.898 2,09 4,37 5,40 3,87 5,57 Tabela 2 – Evolução do consumo da energia elétrica comprada pela CST (jan/97 a jun/97). ENEGEP 2003 ABEPRO 6 XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 Analisando-se os dados das Tabelas, verifica-se que o consumo de energia elétrica comprada médio da CST caiu de 9.807,34 Mwh para 1.099,24 Mwh, isto é, após a implantação da TRT o consumo de energia elétrica comprada diminuiu em 88,8%. Com o objetivo de enriquecer a análise do impacto da TRT na diminuição da necessidade de compra de energia elétrica por parte da CST, estão disponibilizadas nos Gráficos 2 e 3. Neles, pode-se visualizar o quanto decresceu a compra de energia, após dezembro de 1996, e como ficou o consumo específico da energia comprada. É importante observar que a produção de aço nos períodos abrangidos neste relatório permaneceu estável, a níveis industriais. C O M P R A D E EN ER G IA EL ÉT R IC A P EL A C S T 1 2 .0 0 0 .0 0 0 1 0 .0 0 0 .0 0 0 kWh 8 .0 0 0 .0 0 0 Co n s u mo d e Ele tr ic id a d e - S u p le me n ta r ( kW h ) PR 6 .0 0 0 .0 0 0 Co n s u mo d e Ele tr ic id a d e - FPo n ta ( kW h ) Co n s u mo d e Ele tr ic id a d e - Po n ta ( kW h ) 4 .0 0 0 .0 0 0 jun/97 mai/97 abr/97 mar/97 fev/97 jan/97 dez/96 nov/96 out/96 set/96 ago/96 - jul/96 2 .0 0 0 .0 0 0 Gráfico 2 - Compra de energia elétrica comprada pela CST E S P E C ÍF IC O D A E N E R G IA E L É T R IC A C O M P R A D A 4 5 ,0 0 4 0 ,0 0 3 5 ,0 0 kWh/ton. 3 0 ,0 0 2 5 ,0 0 2 0 ,0 0 P R 1 5 ,0 0 1 0 ,0 0 jun/97 abr/97 mar/97 fev/97 jan/97 dez/96 nov/96 out/96 set/96 ago/96 jul/96 0 ,0 0 mai/97 5 ,0 0 Gráfico 3 - Consumo específico da energia elétrica comprada pela CST. ENEGEP 2003 ABEPRO 7 XXIII Encontro Nac. de Eng. de Produção - Ouro Preto, MG, Brasil, 21 a 24 de out de 2003 6. REFERÊNCIAS: LERÍPIO, A., JULIATO, D.L., SCHERER, R, POSSAMAI, O. e SELIG, P.M., A Emissão Zero – A Busca da Geração de Novas Oportunidades de Negócios a partir de Resíduos Industriais - Seminário de Reciclagem de Resíduos – 19 a 21/05/97 – Vitória E.S., ABM, 1997. BITTENCOURT, J.L.M. e SILVA, H.V. Turbina de Recuperação de Topo (1999), Prêmio Nacional na Modalidade de Conservação de Energia 1999~2000, promovido pela Confederação Nacional das Indústrias – CNI. Como são as formas de energia. Disponível em: http://www.geocities.com/electricaltecnoly/papers/gereelsa.html. Acesso em 18 abril 2003. CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão: Relatório Operacional do Setor de Distribuição de Utilidades – IPUD. Serra: CST. 2003. CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão: Gases Siderúrgicos – Material didático do Setor de Engenharia de Segurança do Trabalho – FHA - Serra: CST. 2002. KAWASAKI, Manual de Operação e Manutenção da TRT (ANO, 1999). MEIRA, G. A., Geração de Energia Elétrica em usina siderúrgica a partir do excesso disponível de gases de alto forno e coqueria. Congresso anual da ABM. 35, São Paulo, 1980. SITE Companhia Siderúrgica de Tubarão – CST. Disponível em: http://www.cst.com.br. Acesso em 16 abril 2003. TAMANDARÉ, M.C.S., Geração de Energia Elétrica na CST em relação ao desenvolvimento sustentável – 1992 a 2000. Trabalho fim de curso UVV 2001. VAN WYLEN, SONNTAG & BORGNAKKE (1998) – Fundamentos da Termodinâmica, Ed. Edgard Blucher Ltda: São Paulo. VERGARA, S. C. (2000) - Projetos e relatórios de pesquisa em administração. Ed. Atlas: São Paulo. ENEGEP 2003 ABEPRO 8