Concern for the environment and a need for more efficient energy generation have sparked a growing interest throughout the world in renewable fuels. In order to reduce emissions that negatively contribute to global warming, especially CO2, enormous efforts are being invested in technologies to reduce our impact on the environment. Biomass is an option that is considered CO2 friendly due to the consumption of CO2 upon growth. Co-firing biomass with coal offers economic advantages because of reduced capital costs as well as other positive impacts, such as NOx and SOx emission reductions. However, due to the large average particle size of biomass, issues arise such as poor flame stability and poor carbon burnout. Larger particles can also result in longer flames and different heat transfer characteristics. Oxygen enrichment is being investigated as a possible solution to mitigate these issues and enable co-firing in existing facilities. An Air Liquide designed burner was used in this work to explore the impact of oxygen enrichment on biomass flame characteristics, emissions, and burnout. Multiple biomass fuels were used (medium hardwood, fine hardwood, and straw) in conjunction with multiple burner configurations and operating conditions. Exhaust ash samples and exhaust NO were collected for various operating conditions and burner configurations. All operating parameters including O2 addition, swirl, and O2 location could be used to reduce LOI but whenever LOI was reduced, NO increased producing an NO-LOI trade-off. Starting with high LOI, various parameters such as O2 addition and increased swirl could be used to reduce LOI with only small increases of NO. As O2 or swirl increased further, small decreases in LOI were obtained only with large increases in NO. This behavior was captured through NO-LOI trade-off curves where a given configuration or operating condition was deemed better when the curve was shifted toward the origin. Global enrichment or O2 addition to the secondary stream and O2 addition to the primary stream produced better trade-off results than center O¬2 injection. Straw produced NO-LOI trade-off curves just as the wood particles but the curve was shifted further from the origin, likely due to the higher nitrogen content of the straw. Flame characterization results showed that small amounts of O2 in the center improved flame attachment and stability while increasing flame temperature and pyrolysis rates.

Aliar alta produtividade ao menor custo de processo é o principal desafio econômico de uma Aciaria Elétrica. Para isso, mudanças no processo almejando práticas que resultam em uma maior eficiência do FEA, com um menor custo envolvido, ocorrem constantemente. Este trabalho avalia um processo de FEA, com capacidade de 62 toneladas de aço, operando com carregamento de sucata metálica e ferro-gusa. Dois grupos de corridas de aço, pertencentes à dois cenários distintos, foram estudadas. Os cenários foram denominados Cenário I e Cenário II, sendo que, no segundo cenário ocorreram mudanças nas práticas de injeções de carbono e oxigênio, nas práticas de adição de cales no carregamento e mudanças na quantidade de Sucata Shredder no FEA. O objetivo deste trabalho foi analisar como essas mudanças influenciaram no processo. A composição química de aço e escória de dois padrões de carga (C e E) foi comparada entre os cenários. Verificou-se que a massa de escória diminuiu para os dois padrões de carga. Porém, a basicidade do padrão C foi reduzida de 2,5 para 2,1, enquanto para o padrão E manteve-se em 2,2 para os dois cenários. O MgO de saturação foi avaliado através de diagramas de saturação isotérmicos (ISD), e a maior parte das corridas do Cenário II ficaram acima da linha de saturação da escória. Houve uma redução de 30% do oxigênio injetado para os dois padrões e seus teores de fósforo no aço aumentaram significativamente. No entanto, apenas o padrão C teve uma variação nos teores de carbono no aço. A energia elétrica consumida mostrou-se dependente dos teores de FeO e MgO da escória. O padrão E apresentou um aumento significativo de 10 kWh/t. O rendimento metálico dos padrões C e E aumentou 3,59% e 2,22%, respectivamente. No Cenário II, o aumento da sucata Shredder no carregamento foi duas vezes maior. O Cenário II apresentou uma redução dos teores de cobre no aço para os dois padrões. As quantidades médias de injeção de carbono não tiveram variação significativa, por outro lado, através dos gráficos de distribuição, notou-se uma maior estabilidade nos valores de injeção. Para o padrão E observou-se uma quantidade mínima de ferro na escória para a razão global C/O de 0,75. Uma análise da razão das injeções de carbono e oxigênio durante o refino foi feita. Observou-se uma maior estabilidade das injeções ao longo do tempo de refino para o Cenário II em ambos os padrões. / Combine high productivity and lower costs is the main economical challenge of a steelmaking melt shop. Therefore, changes in the process aiming practices that result in higher efficiency of the EAF, with lower costs, occur frequently. This work evaluates an EAF process, with capacity of 62t of steel, operating with metal scrap and pig iron load. Two groups of steel heats that represents two distinct scenarios were studied. The scenarios were called Scenario I and Scenario II. In the Scenario II carbon and oxygen injection practices, limes loading practice and Shredder scrap loading amount were modified. The aim of the present work is analyze how these changes affected process parameters. The steel and slag chemical composition of two loading patterns (C and E) was compared on the scenarios. It was found that the slag mass reduces for both loading patterns. However, the basicity of the pattern C was reduced from 2.5 to 2.1 while the pattern E was maintained on 2.2 for both scenarios. The MgO saturation content of the slag is evaluated through Isothermal Solubility Diagrams. Most of the heats of the Scenario II MgO content are higher than the minimal saturation content. There was a reduction of 30% of the injected oxygen for both loading patterns and their P content increased significantly. Meanwhile, only the pattern C shows a variation on carbon content in the steel. The electric power consumption showed proportional relation to FeO and MgO content of the slag and the pattern E showed a significant increase of 10 kWh/t. The metallic yield of the patterns C and E increased 3.59 and 2.22, respectively. The scenario II showed a reduction of the Cu content in both patterns. The carbon injection amount means did not vary significantly, but, through distribution graphs, was noted a higher stability in the injection amount. For the E pattern, a minimum amount of iron in the slag was observed for the overall C/O ratio of 0,75. An analysis of the ratio of the carbon and oxygen injection during the refining period was done. It was observed a higher stability of the injections along the refining period for the Scenario II on both patterns.

Increasing concern for energy sustainability has created motivation for the combustion of renewable, CO2 neutral fuels. Biomass co-firing with coal provides a means of utilizing the scaled efficiencies of coal with the lower supply availability of biomass. One of the challenges of co-firing is the burnout of biomass particles which are typically larger than coal but must be oxidized in the same residence time. Larger biomass particles also can increase the length of the radiative region and alter heat flux profiles. As a result, oxygen injection is being investigated as a means of improving biomass combustion performance.An Air Liquide designed burner was used to investigate the impact of oxygen enrichment on biomass combustion using two size distributions of ground wood pellets (fine grind 220 µm and medium grind 500 µm mass mean diameter). Flame images were obtained with a calibrated RGB digital camera allowing a calculation of visible radiative heat flux. Ash samples and exhaust NO were collected for a matrix of operating conditions with varying injection strategies. The results showed that oxygen can be both beneficial and detrimental to the flame length depending on the momentum of the oxygen jet. Oxygen injection was found to improve carbon burnout, particularly in the larger wood particles. Low flow rates of oxygen enrichment (2 to 6 kg/hr) also produced a modest increase in NO formation up to 30%. The results showed medium grind ~500 µm mass mean diameter particle combustion could improve LOI from 30% to 15% with an oxygen flow rate of 8 kg/hr. Flame images showed low flow rates of O2 (2 kg/hr) in the center of the burner with the fine particles produced a dual flame, one flame surrounding the center oxygen jet and a second flame between the volatiles and secondary air. The flame surrounding the center oxygen jet produced a very high intensity and temperature (2100 K). This center flame can be used to help stabilize the flame, increase devolatilization rates, and potentially improve the trade-off between NO and burnout.

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Aliar alta produtividade ao menor custo de processo é o principal desafio econômico de uma Aciaria Elétrica. Para isso, mudanças no processo almejando práticas que resultam em uma maior eficiência do FEA, com um menor custo envolvido, ocorrem constantemente. Este trabalho avalia um processo de FEA, com capacidade de 62 toneladas de aço, operando com carregamento de sucata metálica e ferro-gusa. Dois grupos de corridas de aço, pertencentes à dois cenários distintos, foram estudadas. Os cenários foram denominados Cenário I e Cenário II, sendo que, no segundo cenário ocorreram mudanças nas práticas de injeções de carbono e oxigênio, nas práticas de adição de cales no carregamento e mudanças na quantidade de Sucata Shredder no FEA. O objetivo deste trabalho foi analisar como essas mudanças influenciaram no processo. A composição química de aço e escória de dois padrões de carga (C e E) foi comparada entre os cenários. Verificou-se que a massa de escória diminuiu para os dois padrões de carga. Porém, a basicidade do padrão C foi reduzida de 2,5 para 2,1, enquanto para o padrão E manteve-se em 2,2 para os dois cenários. O MgO de saturação foi avaliado através de diagramas de saturação isotérmicos (ISD), e a maior parte das corridas do Cenário II ficaram acima da linha de saturação da escória. Houve uma redução de 30% do oxigênio injetado para os dois padrões e seus teores de fósforo no aço aumentaram significativamente. No entanto, apenas o padrão C teve uma variação nos teores de carbono no aço. A energia elétrica consumida mostrou-se dependente dos teores de FeO e MgO da escória. O padrão E apresentou um aumento significativo de 10 kWh/t. O rendimento metálico dos padrões C e E aumentou 3,59% e 2,22%, respectivamente. No Cenário II, o aumento da sucata Shredder no carregamento foi duas vezes maior. O Cenário II apresentou uma redução dos teores de cobre no aço para os dois padrões. As quantidades médias de injeção de carbono não tiveram variação significativa, por outro lado, através dos gráficos de distribuição, notou-se uma maior estabilidade nos valores de injeção. Para o padrão E observou-se uma quantidade mínima de ferro na escória para a razão global C/O de 0,75. Uma análise da razão das injeções de carbono e oxigênio durante o refino foi feita. Observou-se uma maior estabilidade das injeções ao longo do tempo de refino para o Cenário II em ambos os padrões. / Combine high productivity and lower costs is the main economical challenge of a steelmaking melt shop. Therefore, changes in the process aiming practices that result in higher efficiency of the EAF, with lower costs, occur frequently. This work evaluates an EAF process, with capacity of 62t of steel, operating with metal scrap and pig iron load. Two groups of steel heats that represents two distinct scenarios were studied. The scenarios were called Scenario I and Scenario II. In the Scenario II carbon and oxygen injection practices, limes loading practice and Shredder scrap loading amount were modified. The aim of the present work is analyze how these changes affected process parameters. The steel and slag chemical composition of two loading patterns (C and E) was compared on the scenarios. It was found that the slag mass reduces for both loading patterns. However, the basicity of the pattern C was reduced from 2.5 to 2.1 while the pattern E was maintained on 2.2 for both scenarios. The MgO saturation content of the slag is evaluated through Isothermal Solubility Diagrams. Most of the heats of the Scenario II MgO content are higher than the minimal saturation content. There was a reduction of 30% of the injected oxygen for both loading patterns and their P content increased significantly. Meanwhile, only the pattern C shows a variation on carbon content in the steel. The electric power consumption showed proportional relation to FeO and MgO content of the slag and the pattern E showed a significant increase of 10 kWh/t. The metallic yield of the patterns C and E increased 3.59 and 2.22, respectively. The scenario II showed a reduction of the Cu content in both patterns. The carbon injection amount means did not vary significantly, but, through distribution graphs, was noted a higher stability in the injection amount. For the E pattern, a minimum amount of iron in the slag was observed for the overall C/O ratio of 0,75. An analysis of the ratio of the carbon and oxygen injection during the refining period was done. It was observed a higher stability of the injections along the refining period for the Scenario II on both patterns.

Aliar alta produtividade ao menor custo de processo é o principal desafio econômico de uma Aciaria Elétrica. Para isso, mudanças no processo almejando práticas que resultam em uma maior eficiência do FEA, com um menor custo envolvido, ocorrem constantemente. Este trabalho avalia um processo de FEA, com capacidade de 62 toneladas de aço, operando com carregamento de sucata metálica e ferro-gusa. Dois grupos de corridas de aço, pertencentes à dois cenários distintos, foram estudadas. Os cenários foram denominados Cenário I e Cenário II, sendo que, no segundo cenário ocorreram mudanças nas práticas de injeções de carbono e oxigênio, nas práticas de adição de cales no carregamento e mudanças na quantidade de Sucata Shredder no FEA. O objetivo deste trabalho foi analisar como essas mudanças influenciaram no processo. A composição química de aço e escória de dois padrões de carga (C e E) foi comparada entre os cenários. Verificou-se que a massa de escória diminuiu para os dois padrões de carga. Porém, a basicidade do padrão C foi reduzida de 2,5 para 2,1, enquanto para o padrão E manteve-se em 2,2 para os dois cenários. O MgO de saturação foi avaliado através de diagramas de saturação isotérmicos (ISD), e a maior parte das corridas do Cenário II ficaram acima da linha de saturação da escória. Houve uma redução de 30% do oxigênio injetado para os dois padrões e seus teores de fósforo no aço aumentaram significativamente. No entanto, apenas o padrão C teve uma variação nos teores de carbono no aço. A energia elétrica consumida mostrou-se dependente dos teores de FeO e MgO da escória. O padrão E apresentou um aumento significativo de 10 kWh/t. O rendimento metálico dos padrões C e E aumentou 3,59% e 2,22%, respectivamente. No Cenário II, o aumento da sucata Shredder no carregamento foi duas vezes maior. O Cenário II apresentou uma redução dos teores de cobre no aço para os dois padrões. As quantidades médias de injeção de carbono não tiveram variação significativa, por outro lado, através dos gráficos de distribuição, notou-se uma maior estabilidade nos valores de injeção. Para o padrão E observou-se uma quantidade mínima de ferro na escória para a razão global C/O de 0,75. Uma análise da razão das injeções de carbono e oxigênio durante o refino foi feita. Observou-se uma maior estabilidade das injeções ao longo do tempo de refino para o Cenário II em ambos os padrões. / Combine high productivity and lower costs is the main economical challenge of a steelmaking melt shop. Therefore, changes in the process aiming practices that result in higher efficiency of the EAF, with lower costs, occur frequently. This work evaluates an EAF process, with capacity of 62t of steel, operating with metal scrap and pig iron load. Two groups of steel heats that represents two distinct scenarios were studied. The scenarios were called Scenario I and Scenario II. In the Scenario II carbon and oxygen injection practices, limes loading practice and Shredder scrap loading amount were modified. The aim of the present work is analyze how these changes affected process parameters. The steel and slag chemical composition of two loading patterns (C and E) was compared on the scenarios. It was found that the slag mass reduces for both loading patterns. However, the basicity of the pattern C was reduced from 2.5 to 2.1 while the pattern E was maintained on 2.2 for both scenarios. The MgO saturation content of the slag is evaluated through Isothermal Solubility Diagrams. Most of the heats of the Scenario II MgO content are higher than the minimal saturation content. There was a reduction of 30% of the injected oxygen for both loading patterns and their P content increased significantly. Meanwhile, only the pattern C shows a variation on carbon content in the steel. The electric power consumption showed proportional relation to FeO and MgO content of the slag and the pattern E showed a significant increase of 10 kWh/t. The metallic yield of the patterns C and E increased 3.59 and 2.22, respectively. The scenario II showed a reduction of the Cu content in both patterns. The carbon injection amount means did not vary significantly, but, through distribution graphs, was noted a higher stability in the injection amount. For the E pattern, a minimum amount of iron in the slag was observed for the overall C/O ratio of 0,75. An analysis of the ratio of the carbon and oxygen injection during the refining period was done. It was observed a higher stability of the injections along the refining period for the Scenario II on both patterns.