Title

Influência da prática de purga dos injetores nas emissões de NOx em um forno elétrico a arco

Influence of Injector Purge Practice on NOx Emissions in an Electric Arc Furnace

Authorship

AZEVEDO, LUIZ MAURICIO BARRETO DE; ORDOÑEZ, SEBASTIAN FELIPE SANCHEZ; LOPEZ, DANIELA DEL PILAR GONZALEZ; SANHUEZA, VANIA JAVIERA RIOS

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SANHUEZA, VANIA JAVIERA RIOS

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DOI

10.5151/2594-5300-43212

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Abstract

Os fornos elétricos a arco (FEA) apresentam mecanismos complexos de formação de NOx associados à combustão turbulenta em alta temperatura, à injeção de oxigênio e à infiltração de ar atmosférico. Nas operações modernas de FEA, os injetores supersônicos comumente empregam sistemas de purga durante as etapas de carregamento e de vazamento, a fim de evitar o entupimento dos injetores. Entretanto, a influência do meio de purga na geração de NOx permanece insuficientemente compreendida. Este trabalho avalia o efeito das práticas de purga com gás natural e com ar comprimido sobre as emissões de NOx em um FEA industrial operando com rota 100% baseada em sucata. As emissões de NOx foram monitoradas continuamente por meio de um Sistema de Monitoramento Contínuo de Emissões (CEMS) instalado em duas chaminés independentes de casa de filtros associadas ao sistema de despoeiramento do forno. As etapas operacionais foram analisadas individualmente, incluindo as condições de carregamento de cestão, fusão, refino, vazamento e Turn Around. Os resultados mostraram que as maiores concentrações de NOx ocorreram durante o Carregamento de Cestão 1 e as etapas de Turn Around sob condições de purga com gás natural, particularmente quando o forno permanecia parcial ou completamente vazio por períodos prolongados. Nessas condições, o maior volume de freeboard e a interação intensificada entre os produtos da combustão de hidrocarbonetos e o nitrogênio atmosférico infiltrado promoveram condições favoráveis à formação de NOx no interior do forno. Em contraste, níveis significativamente menores de NOx foram observados durante os Carregamentos de Cestão 2, 3 e 4, nos quais a cobertura de sucata reduziu a exposição da chama, o tempo de residência dos gases e a intensidade de mistura nas regiões de alta temperatura. Uma análise de média ponderada baseada na duração média de cada etapa operacional e na respectiva concentração média de NOx indicou que a operação de purga com gás natural resultou em aumento de aproximadamente 58% nas emissões globais de NOx por corrida em comparação com as condições de purga com ar comprimido. O estudo demonstra que a geração de NOx durante a operação de purga dos injetores é fortemente influenciada não apenas pelo próprio meio de purga, mas também pela ocupação transiente do forno e pelas condições de exposição do freeboard, fornecendo informações importantes para estratégias de redução de emissões em operações modernas de aciaria elétrica.

Electric Arc Furnaces (EAF) present complex NOx formation mechanisms associated with high-temperature turbulent combustion, oxygen injection, and atmospheric air ingress. In modern EAF operations, supersonic injectors commonly employ purge systems during charging and tapping stages in order to prevent injector clogging. However, the influence of purge media on NOx generation remains insufficiently understood. This work evaluates the effect of natural gas and compressed air purge practices on NOx emissions in an industrial EAF operating with a 100% scrap-based route. NOx emissions were continuously monitored through a Continuous Emission Monitoring System (CEMS) installed at two independent baghouse stacks associated with the furnace dedusting system. Operational stages were individually analyzed, including Bucket Charging, Melting, Refining, Tapping, and Turn Around conditions.The results showed that the highest NOx concentrations occurred during Bucket Charging 1 and Turn Around stages under natural gas purge conditions, particularly when the furnace remained partially or completely empty for extended periods. Under these conditions, increased freeboard volume and enhanced interaction between hydrocarbon combustion products and infiltrated atmospheric nitrogen promoted favorable conditions for NOx formation inside the furnace. In contrast, significantly lower NOx levels were observed during Bucket Charging 2, 3, and 4, where scrap coverage reduced flame exposure, gas residence time, and mixing intensity in high-temperature regions.A weighted average analysis based on the average duration of each operational stage and the corresponding mean NOx concentration indicated that natural gas purge operation resulted in an approximately 58% increase in overall NOx emissions per heat compared with compressed air purge conditions.The study demonstrates that NOx generation during injector purge operation is strongly influenced not only by the purge medium itself, but also by transient furnace occupancy and freeboard exposure conditions, providing important insights for emission reduction strategies in modern EAF steelmaking operations.

Keywords

Eletric Arc Furnace, NOx Emissions, Supersonic Injectors, Purge Operation

Eletric Arc Furnace, NOx Emissions, Supersonic Injectors, Purge Operation