Entenda como ferramentas digitais podem avaliar e mitigar o impacto dos eventos de alta concentração de hidrogênio no BFG, melhorando a eficiência energética e reduzindo os custos operacionais na operação de turbinas a gás.
Por Giovanna Guzella, Kássio Nogueira Cançado, Lis Nunes Soares
Plantas siderúrgicas integradas enfrentam desafios significativos na gestão do consumo de energia e emissões. Para gerar eletricidade, uma estratégia eficaz envolve o uso de gases residuais, como o gás de alto-forno (BFG). No entanto, a variabilidade da composição do BFG, particularmente os picos de hidrogênio, representa um risco para a integridade das turbinas a gás e a eficiência da geração de energia.
Este artigo explora como a capacidade de antecipar e reagir prontamente a eventos de elevado teor de hidrogênio, por meio do aproveitamento de dados em tempo real e análises preditivas com a utilização de ferramentas digitais, como o Viridis Performance, pode contribuir para a eficiência energética e redução de custos, evitando paradas na produção de eletricidade e minimizando os custos de manutenção. Destacando a importância da digitalização na produção moderna de aço e mostrando como ferramentas avançadas podem otimizar o uso de energia e reduzir o impacto ambiental.
O papel dos gases residuais na produção de aço
A produção de aço é intensiva em energia, dependendo fortemente de combustíveis fósseis. O setor representa cerca de 8% da demanda global de energia e 7% das emissões de CO2 do setor de energia. Na busca pela produção mais sustentável, o aço verde é um conceito que vem ganhando força nos últimos anos e pode ser definido como o aço produzido por processo de produção sustentável, ou seja, utilizando fontes alternativas de energia, captura e reutilização de CO2, reciclagem de materiais e implementação de práticas e tecnologias que minimizam as emissões de gases de efeito estufa (GEE).
Os gases gerados durante os processos upstream em usinas siderúrgicas integradas têm poder calorífico que pode ser reutilizado como calor e/ou eletricidade. Muitas usinas reaproveitam estes gases em ciclos de geração de energia elétrica a gás ou vapor. Essa prática torna o processo de produção do aço menos prejudicial ao meio ambiente, pois os gases que seriam descartados são reutilizados e contribuem para atender parcialmente às necessidades energéticas, o que minimiza a demanda por fontes externas de energia, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa e diminuindo os custos do processo. Esta e outras práticas fizeram com que, nos últimos 20 anos, a quantidade de recursos energéticos necessários para a produção de aço fosse reduzida significativamente.
Desafios da utilização do gás de alto-forno em turbinas a gás
No alto-forno, o processo de redução de minério de ferro origina ferro gusa, escória, poeira e gás de alto-forno (BFG). O BFG, por sua vez, pode ser reutilizado em processos downstream e usado como combustível em turbina a gás para gerar eletricidade. O BFG contém 21-25% de CO, 18-22% de CO2 e 2-5% de H2, com valor calorífico de 700-800 kcal/Nm3. Sua composição varia com base nos parâmetros operacionais do alto-forno, incluindo os tipos e volumes de matérias-primas e as condições de processo.
Sabendo que uma das dificuldades em operar com gás de alto-forno é a variabilidade da composição, a formação de picos de hidrogênio é uma preocupação, pois esse evento de alta concentração pode danificar a estrutura mecânica da turbina a gás. Isso pode ser explicado pelo fato de que a alta concentração de hidrogênio aumenta a temperatura da chama do gás na câmara de combustão. Em eventos de picos de hidrogênio, onde a temperatura da chama está acima do limite indicado, para proteger o equipamento, a turbina possui um sistema de reação que reduz o nível de geração. Em casos extremos, onde essa redução não é suficiente, a turbina para repentinamente, o que também é chamado de "trip". Quando esse evento emergencial é acionado, além da interrupção total da geração de energia por um determinado período, o intervalo de tempo até a próxima manutenção preventiva é reduzido, o que aumenta os custos de manutenção.
Metodologia: avaliando picos de hidrogênio
Os dados de um alto-forno da planta em estudo foram analisados. Com um modelo de previsão em tempo real para a composição do gás de topo, seria possível indicar antecipadamente o evento de alto teor de hidrogênio. Consequentemente, a equipe operacional poderia se preparar para reagir e haveria ganhos financeiros de duas perspectivas diferentes: os picos de hidrogênio levam a enormes custos com a manutenção das turbinas, e isso seria evitado. Além disso, a turbina não sofreria trip e continuaria operando, mesmo que em um nível reduzido de geração.
Este estudo emprega uma abordagem de balanço de massa para avaliar os fatores que contribuem para os picos de hidrogênio no BFG. Analisando dados reais de processos de uma siderúrgica, cenários foram simulados para identificar oportunidades de melhoria e otimizar a geração de eletricidade. Duas hipóteses principais serão consideradas: o teor de hidrogênio pode ser predominantemente originado pela umidade presente no vapor injetado nos regeneradores, que posteriormente sopra ar úmido para dentro do reator, e, a segunda hipótese é que a injeção de carvão pulverizado é responsável pela maior influência no teor de hidrogênio do gás.
Resultados obtidos
A análise de dados revelou que concentrações de hidrogênio acima dos limites operacionais por 6,1% do tempo levaram a frequentes paradas de turbinas e redução na geração de energia. Em média, cada evento de pico de hidrogênio causou uma perda de 151 MWh na geração de energia elétrica, com intervalos de manutenção reduzidos em 23 dias devido a paradas não planejadas. Quatro eventos severos resultaram em uma perda média de 17 GWh de energia por evento. Os resultados enfatizam a importância do desenvolvimento de métodos preditivos para minimizar esses efeitos nocivos.
Com base nos dados analisados sobre a composição dos materiais e o ar de sopro, foi possível concluir que a injeção de carvão pulverizado contribui aproximadamente três vezes mais do que ar de sopro para a geração de picos de hidrogênio. Por isso, foram desenvolvidos oito cenários nos quais a taxa de injeção de carvão pulverizado pelas ventaneiras do alto-forno foi variada entre 190-260 kg/t de ferro gusa a fim de entender o impacto na composição final do gás de topo.
Os resultados indicam que a injeção de carvão pulverizado influencia significativamente o teor de hidrogênio no BFG. Os balanços de massa para os cenários variando as taxas de injeção de carvão pulverizado demonstraram que taxas de injeção mais altas aumentam as concentrações de hidrogênio, confirmando a hipótese. A precisão na modelagem foi validada contra dados da literatura, mostrando consistência nas composições e volumes de gás previstos.
Implementação de modelos preditivos
O balanço de massa estático apresenta algumas limitações, uma vez que não considera a variação da composição da matéria-prima, umidade do ar quente e outros parâmetros. Um modelo de previsão em tempo real para a composição do BFG possibilita a gestão proativa de eventos de alta concentração de hidrogênio. Integrar esse modelo com ferramentas digitais como o Viridis Performance permite o monitoramento contínuo e ajustes imediatos para prevenir paradas de turbinas. Essa abordagem não só melhora a eficiência energética, mas também reduz os custos de manutenção e melhora a confiabilidade geral do processo.
Outra vantagem na utilização da ferramenta digital Viridis é que, com dados em tempo real, o modelo pode ser atualizado toda vez que um parâmetro é alterado e maior número de parâmetros podem ser considerados para tornar a modelagem mais robusta. Como resultado de curto prazo, a equipe operacional pode prever o evento de alto hidrogênio e reagir adequadamente para evitar paradas na geração de energia, a partir do sistema de alerta, que informa aos operadores o problema iminente.
Além disso, como efeito de longo prazo, a utilização de um modelo de previsão da composição do gás permitiria a avaliação de mudanças nos parâmetros operacionais, como o uso de diferentes fornecedores de matérias-primas como carvão, ferro, hematita, sínter e pellets, que também podem impactar na formação de picos de hidrogênio.
Conclusão
Utilizar ferramentas digitais para prever e gerenciar picos de hidrogênio no BFG pode melhorar significativamente a eficiência energética e a estabilidade operacional em plantas siderúrgicas. Antecipando eventos de alta concentração de hidrogênio, os operadores podem tomar medidas oportunas para manter a geração de energia e evitar custos elevados de manutenção. Implementar esses modelos preditivos representa um passo crítico em direção a uma produção de aço mais sustentável e economicamente eficiente.
A implementação de ferramentas digitais preditivas, como o Viridis Performance, pode aumentar a eficiência, reduzir custos e tornar sua planta siderúrgica mais sustentável. Quer transformar os desafios do gás de alto-forno em oportunidades de otimização energética? Então, entre em contato conosco e descubra como aplicar essas soluções inovadoras na sua operação.