Os impactos ambientais da injeção de hidrogênio nos altos-fornos

Com a crescente pressão das partes interessadas por práticas de menor pegada de carbono, todas as empresas estão em busca de tecnologias economicamente viáveis ​​que possam preencher a lacuna de emissão atual para um futuro mais verde. Essa transição é mais difícil para empresas com processos industriais tradicionais, que costumam lidar com alta competitividade em um mercado global, como a siderurgia. Este post mostra quantitativamente os impactos ambientais de uma tecnologia alternativa na rota clássica do Alto-Forno - Convertedor LD (AF-LD).

 

Por muitos anos, a indústria investiu em pesquisa e desenvolvimento de tecnologias que pudessem atender às metas ESG (ambientais, sociais e de governança corporativa) e, ao mesmo tempo, garantir a competitividade no mercado. Está bem documentado que uma usina siderúrgica integrada baseada na rota AF-LD tem níveis de emissão de cerca de 1,7 a 1,9 toneladas de CO₂ por tonelada de placa produzida. Por natureza, os processos de redução (o alto-forno em particular) são responsáveis ​​pela maioria das emissões, gerando CO₂ no próprio processo ou produzindo um gás energético que irá gerar CO₂ em outros processos onde será queimado. Considerando essa lógica, veja a seguir o detalhamento das emissões de CO₂ por processo.

 

É importante entender como o processo de alto-forno gera CO₂ para combater as causas das emissões. As reações de redução dos óxidos de ferro por CO e H₂O produzem ferro metálico, CO₂ e H₂, respectivamente, conforme descrito nas equações abaixo.

 

Fe₂O₃+3H₂→2Fe +3H₂O (g)

Fe₂O₃ +3CO→2Fe +3CO₂ (g)

 

Ambas as reações ocorrem simultaneamente no processo. Porém, ao carregar o AF com coque e carvão, a reação de redução baseada no CO ocorre em maior proporção, devido à composição dos combustíveis sólidos, gerando mais CO₂. A alternativa para reduzir a geração seria favorecer a redução do ferro pelo hidrogênio, que geraria água.

 

Isso pode ser feito injetando gás hidrogênio (H₂) no alto-forno. Testes empíricos mostraram que cada quilo de H₂ consumido substituiu cerca de 3,9 quilos de coque. Esse conceito de substituição é conhecido na indústria como equivalência de coque e todos os combustíveis de alto forno, como carvão, carvão vegetal e gás natural, têm seus próprios valores. As imagens abaixo mostram o impacto dessa tecnologia no consumo de combustível* e consequentemente na emissão de CO₂. A otimização sugere que 10 kg de H₂ por tonelada de gusa reduz a emissão de CO₂ em 0,123 t de CO₂ por tonelada de placa.

 

Além disso, o consumo de hidrogênio tem outros impactos operacionais, que não podem ser negligenciados. Os principais impactos estão na redução dos rendimentos de CO e H₂, na temperatura adiabática de chama (TAC) e na produtividade do alto-forno. O aumento na injeção de H₂ aumenta o rendimento de redução de CO (o que significa que o carbono é melhor aproveitado), bem como a produtividade do alto-forno. No entanto, reduz o rendimento de redução de H₂ (a proporção de reação envolvendo H₂ realmente compensa isso), a TAC e a permeabilidade (devido à redução do consumo de coque). Os dois últimos são fatores limitantes da injeção de H₂. Verifique os impactos numéricos:

Por fim, é importante revisar seu impacto econômico. Embora tenha muitos benefícios operacionais e ambientais, o gás H₂ pode ser muito caro para adquirir e seu consumo específico pode variar caso a caso. A figura abaixo mostra como o consumo específico de H₂ muda de acordo com seu preço em duas condições diferentes: com ou sem penalidades de emissão. É claro que a viabilidade do consumo de hidrogênio está intimamente relacionada às penalidades e aos preços pagos, mas o gráfico mostra que os trade-offs ocorrem em um comportamento gradativo que não é linear e, principalmente, não é trivial.

Com um preço de 22.700 eur/kg de H₂, nós observamos o aumento de 11,75 eur/t de placa no custo de produção ao injetar 10 kg/t de gusa.

A injeção de H₂ é um ótimo exemplo de todos os aspectos que precisam ser considerados antes de mudar de tecnologia. Além do efeito ambiental, toda alternativa de redução de emissões deve estimar o impacto econômico e operacional colateral em toda a cadeia produtiva.

 

* Nota: Todos os dados gerados usando o modelo de usina siderúrgica integrada da Cassotis de uma usina padrão baseada na rota AF-LD

 

Autor: Guilherme Martino - Consultor Sênior na Cassotis Consulting

                                      Coautor: Emmanuel Marchal - Managing Partner na Cassotis Consulting