Cálculo termodinâmico do rendimento de ferro metálico e das emissões de CO2 no processo de redução direta em forno shaft a gás

Transformando gás residual em metal útil

O aço sustenta a vida moderna, mas sua produção libera enormes quantidades de dióxido de carbono. Na China, onde se produz mais da metade do aço mundial, reduzir as emissões é essencial para as metas climáticas. Este estudo investiga como um subproduto pouco aproveitado das usinas de cokização, chamado gás de forno cokemaker, poderia ser convertido tanto em combustível quanto em agente químico para produzir ferro de forma mais eficiente em um tipo de reator conhecido como forno shaft, ao mesmo tempo em que reduz a poluição por carbono.

Por que as chaminés da siderurgia importam

A produção de aço normalmente depende do carvão em altos altos-fornos, que consolidam elevadas emissões de carbono. Ao mesmo tempo, as usinas de cokização que preparam o carvão para a fabricação de aço liberam grandes volumes de gás rico em hidrogênio e metano. Muito desse gás é queimado ou desperdiçado. Como ele tem impacto climático por unidade de energia semelhante ao do gás natural, usar melhor esse subproduto poderia ajudar a substituir combustíveis fósseis que precisam ser minerados ou importados. A questão que os autores abordam é até que ponto o gás de forno cokemaker pode suprir o funcionamento de fornos shaft a gás que transformam minério de ferro em ferro sólido, e o que isso significaria para as emissões de dióxido de carbono.

Construindo uma fábrica virtual de ferro

Em vez de operar caros pilotos, os pesquisadores criaram um modelo termodinâmico detalhado, uma espécie de fábrica virtual fundamentada nas leis da conservação de energia e matéria. Eles acompanharam o gás de forno cokemaker enquanto é primeiro aquecido e reformado em um forno separado para formar uma mistura rica em hidrogênio, e então enviado ao forno shaft onde remove oxigênio dos pellets de minério de ferro. O modelo rastreia quanto ferro metálico é produzido, quanto gás é consumido para reações químicas e para aquecimento, e quanto dióxido de carbono sai com a exaustão. Ao variar entradas-chave, como o teor de ferro do minério, a parcela de ferro totalmente convertida em metal e a temperatura na qual o ferro metálico se forma, eles puderam ver como cada escolha afeta rendimento e emissões.

Qualidade do minério supera ajustes finos

Um resultado claro é que o teor de ferro do minério é a principal alavanca. Quando o teor de ferro sobe de um minério relativamente pobre, com 45%, para um minério mais rico, com 70%, a massa de ferro metálico produzida por uma quantidade fixa de gás de forno cokemaker aumenta em mais de 60%. Ao mesmo tempo, o dióxido de carbono liberado por tonelada de metal cai acentuadamente, de aproximadamente 1,2 toneladas para cerca de 0,74 toneladas. Isso ocorre porque o minério mais rico carrega menos material não metálico que precisa ser aquecido mas nunca se transforma em ferro. Menos material inútil na mistura significa menos gás queimado puramente para fornecer calor, e mais do gás pode ser direcionado para reduzir óxidos de ferro a metal.

Ajustando as condições do forno

A equipe também examinou dois controles operacionais dentro do forno shaft: quão completamente o minério é transformado em metal e a temperatura na qual ocorre a última etapa da redução. Aumentar o grau de metalização tende a elevar tanto o rendimento de ferro quanto o dióxido de carbono por tonelada de produto sólido, mas reduz as emissões por tonelada de metal puro porque a mesma quantidade de gás produz mais ferro útil. Elevar ligeiramente a temperatura de formação do ferro metálico reduz o rendimento de metal e aumenta as emissões, já que uma operação mais quente exige gás extra para aquecimento. No geral, esses fatores importam, mas bem menos do que simplesmente começar com minério de maior teor.

Reciclando gases quentes para reduzir desperdício

O modelo mostra que o balanço térmico, não apenas as reações químicas, controla em grande parte quanto gás o sistema precisa. Quando a exaustão quente do topo do forno shaft é queimada no forno de aquecimento, apenas cerca de um quinto desse gás depurado é necessário para cobrir a demanda de aquecimento. Os quatro quintos restantes podem, em princípio, ser despojados de dióxido de carbono e reenviados ao sistema como gás redutor fresco. Em um exemplo prático usando um forno cokemaker que produz gás a partir de 1,2 milhão de toneladas de coque por ano, o gás disponível poderia suportar a produção de aproximadamente 4,9 milhões de toneladas de ferro metálico anualmente em um forno shaft, mantendo as emissões anuais de dióxido de carbono limitadas pela quantidade de gás produzida e, assim, reduzindo as emissões por tonelada de ferro.

O que isso significa para um aço mais limpo

Para leitores interessados em uma indústria amiga do clima, a conclusão é que o uso cuidadoso do gás subproduto existente e a melhor qualidade do minério podem reduzir de forma significativa a pegada de carbono da produção de ferro. O estudo não promete emissões zero, mas mapeia os limites termodinâmicos do que fornos shaft baseados em gás de forno cokemaker podem alcançar. Priorizando minérios de alto teor, reciclanto a maior parte do gás de exaustão quente e evitando superaquecimento desnecessário, os produtores de aço poderiam extrair mais metal do mesmo combustível enquanto emitem menos dióxido de carbono para a atmosfera.

Citação: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Palavras-chave: gás de forno cokemaker, forno shaft, ferro reduzido direto, descarbonização do aço, modelagem termodinâmica