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O queimador Low NOx desenvolvido pela ATS4i (Aerothermal Solutions) em parceria com a Samarco recebeu o Prêmio Aço Verde do Brasil, na categoria Sustentabilidade, do Reconhecimento Técnico ABM 2026. A premiação ocorreu durante a ABM Week, realizada em São Paulo entre 8 e 10 de setembro de 2026, e reconheceu o trabalho “Estratégias para Redução de NOx na Pelotização através de Nova Tecnologia de Queimadores”.
Foto de capa: ABM (Flickr ABM Brasil).
O que torna o projeto especial é o caminho até o resultado: o queimador foi projetado inteiramente em CFD, um único protótipo foi fabricado e, em uma semana de testes no forno de pelotização da Samarco em Ubu (ES), reduziu as emissões de NOx em 15% a 37%. O artigo e o prêmio vieram depois, como consequência natural de um produto de engenharia bem executado.
Resumo do projeto
- Prêmio: Prêmio Aço Verde do Brasil (tema Sustentabilidade), Reconhecimento Técnico ABM 2026.
- Tecnologia: queimador Low NOx que opera com gás natural, água e ar, para fornos de pelotização.
- Método: projeto em CFD++ acoplado a modelos de cinética química e um único protótipo físico.
- Resultado em campo: redução de NOx de 15% a 37% com a mesma potência, em 42 testes industriais no forno da Samarco em Ubu (ES).
- Artigo técnico: ABM Proceedings, DOI 10.5151/2594-5327-41876.
O que é o Prêmio Aço Verde do Brasil na ABM Week
O Prêmio Aço Verde do Brasil integra o Reconhecimento Técnico concedido pela ABM (Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração) a trabalhos técnicos, com patrocínio da Aço Verde do Brasil (AVB). O artigo premiado foi apresentado no 2º Seminário de Manutenção e Engenharia de Projetos em Metalurgia e Mineração, dentro da ABM Week 9ª edição (9 a 11 de setembro de 2025), e o reconhecimento foi entregue em 2026, durante a 10ª edição do evento.
Assinam o trabalho Raphael Dias de Medeiros, Sérgio F. Nunes e Maurício C. Fonseca (Samarco); Pedro Castro Souza Villela, Diogo M. Pio e Guilherme A. Lima da Silva (ATS4i); e Pedro H. F. Gonçalves (IPT).
O desafio: reduzir o NOx térmico nos fornos de pelotização
Os fornos de pelotização operam em ambiente oxidante e a altas temperaturas, condições que favorecem a formação de NOx térmico pelas reações de Zeldovich. A formação tem relação exponencial com a temperatura da chama e se intensifica em altas temperaturas. O artigo adota como referência conservadora cerca de 1.370 °C; no cálculo de equilíbrio da ATS4i no Cantera com o mecanismo completo gri30 (figura abaixo), o crescimento acelerado começa por volta de 1.380 K. A faixa varia conforme as condições de operação e o modelo químico de combustão. As emissões de NOx contribuem para a poluição atmosférica, com efeitos sobre a saúde respiratória, chuva ácida e formação de smog fotoquímico, e por isso a redução de NOx é hoje um requisito de competitividade e de sustentabilidade na indústria.
As três reações de Zeldovich: N₂ + O → NO + N; N + O₂ → NO + O; N + OH → NO + H.
Os métodos de controle de NOx dividem-se em prevenção da poluição (pré-combustão) e tecnologias corretivas (pós-combustão). O queimador Low NOx pertence ao primeiro grupo, pois reduz a temperatura da chama:
| Princípio | Tecnologia | Tipo |
|---|---|---|
| Redução da temperatura da chama | Recirculação de gases | Prevenção |
| Redução do excesso de ar | Prevenção | |
| Combustão catalítica | Prevenção | |
| Estagiamento de ar e de combustível no queimador | Prevenção | |
| Redução química dos NOx | Redução seletiva catalítica (RSC) | Corretiva |
| Redução seletiva não catalítica (RSNC) | Corretiva | |
| Oxidação do NOx com absorção posterior | Injeção de oxidante (ozônio) | Corretiva |
Tabela 1. Métodos de controle de NOx, conforme o artigo técnico.
Como o queimador Low NOx funciona
O queimador opera com gás natural, água e ar. A água, injetada por pequenos orifícios com angulações distintas em uma camisa dedicada, vaporiza na chama e reduz o pico de temperatura, principal fator da formação de NOx térmico. A camisa de ar do queimador original foi mantida, o que garante compatibilidade com o bloco do queimador. Para entregar a mesma potência ao forno, é preciso aumentar um pouco a vazão de gás natural, o que gera uma penalidade de consumo.
Projeto em CFD++: do modelo ao protótipo
O projeto combinou simulação CFD com modelos de cinética química. O SolidWorks gerou o modelo digital; o NASA-CEA e o Kintech Lab definiram a vazão preliminar de água e os modelos químicos de combustão e de formação de NOx; o Ennova Meshing discretizou o domínio; o CFD++ (Metacomp Technologies) resolveu o escoamento compressível acoplado às equações químicas; e o Tecplot 360 EX cuidou do pós-processamento. O mecanismo químico simplificado, de 15 reações, permitiu rodar a simulação com malha refinada e comparar rapidamente o queimador original com o Low NOx, sempre em resultados relativos. Essa é a diferença em relação à curva de formação de NOx mostrada acima: no cálculo de equilíbrio é possível usar o mecanismo completo gri30, com mais de 300 reações, mas no CFD o custo computacional exige um mecanismo cinético reduzido.
Os dois casos foram comparados na mesma condição de potência, 3,01 MW:
| Parâmetro | Valor | Unidade |
|---|---|---|
| Entrada de ar do downcomer | ||
| Vazão | 19.000 | Nm³/h |
| Temperatura | 1266,15 | K |
| Diferencial de pressão na saída de ar | -300 | Pa |
| Queimador original (3,01 MW) | ||
| Entrada de gás natural | 280 | Nm³/h |
| Temperatura do gás natural | 303,15 | K |
| Entrada de ar | 330 | Nm³/h |
| Temperatura do ar | 303,15 | K |
| Queimador Low NOx (3,01 MW) | ||
| Entrada de gás natural | 305 | Nm³/h |
| Temperatura do gás natural | 303,15 | K |
| Entrada de água líquida | 250 | L/h |
| Temperatura da água líquida | 303,15 | K |
Tabela 2. Condições de contorno da simulação CFD.
O modelo CFD estimou um abatimento de 29% de NOx para 250 l/h de água. Depois do artigo premiado, a ATS4i evoluiu o modelo: hoje usa no CFD um mecanismo reduzido de 51 reações para metano e gás natural, que prevê a concentração absoluta de NOx na chaminé (veja abaixo).
Testes industriais no forno da Samarco em Ubu (ES)
Com um único protótipo do queimador e um cavalete auxiliar para dosar gás natural e água, a campanha de testes foi realizada no fim de 2022 no forno da Samarco em Ubu (ES), em uma semana, com a Samarco e a ATS4i e o apoio do IPT. O uso intensivo de CFD na fase de projeto foi o que permitiu testar apenas um protótipo e reduzir os dias de teste. O IPT realizou a análise contínua dos gases na câmara de combustão com analisadores HORIBA PG 350 (O₂, CO, CO₂, SO₂, NO e NO₂).
Foram 42 testes, com vazões de gás natural de 120 a 297 Nm³/h e de água de 150 a 650 l/h. Os principais resultados:
- Redução de NOx de 15% a 37% com o queimador Low NOx entregando a mesma potência; o maior abatimento ocorreu nas vazões elevadas de gás natural.
- CFD e campo coerentes: para 250 l/h de água, o CFD++ previu 29% de abatimento e os testes mediram de 22% a 27%.
- Penalidade de gás natural de 4% a 6% em 250 l/h, abaixo dos 8,9% previstos teoricamente.
- Operação estável: sem apagamento de chama e sem metano nos gases de combustão até 450 l/h de água. A 550 l/h, com vazão de gás de 252 Nm³/h, apareceu metano (200 a 800 ppm), sinal de queima incompleta por resfriamento excessivo da chama.
- Temperatura das câmaras do forno estável durante a operação com água, acompanhando a variação natural do ajuste do forno.
Para maior abatimento, o artigo recomenda vazões de água entre 250 l/h e 450 l/h para vazões médias e altas de gás natural. Como apenas um dos queimadores da câmara era Low NOx e os demais seguiram convencionais, o abatimento com o conjunto completo tende a ser maior que o medido.
Equipe e parceiros
O projeto foi liderado por Raphael Dias de Medeiros (Samarco) e reuniu a ATS4i (projeto, CFD, planejamento e execução dos testes), o IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas (testes, amostragem e instrumentação), a Durag Siena do Brasil (fabricação do protótipo) e a Clesse do Brasil (fabricação do cavalete de medição). A Samarco tomou as decisões de projeto em conjunto com a ATS4i e priorizou o agendamento dos testes.
Da pesquisa à aplicação industrial
Segundo a Revista Mineração & Sustentabilidade, a tecnologia já opera em 16 queimadores instalados nas Usinas 3 e 4 da Samarco. A ATS4i seguiu evoluindo o tema: hoje trabalha com um mecanismo reduzido de 51 reações para metano e gás natural, desenvolvido no Cantera com modelos em Python, que prevê a concentração absoluta de NOx na chaminé, e com mecanismos cinéticos reduzidos para diversos combustíveis, líquidos e gasosos.
O projeto também foi destaque na Revista Minérios & Minerales.
Leia mais
- Artigo técnico completo: “Estratégias para Redução de NOx na Pelotização através de Nova Tecnologia de Queimadores” (ABM Proceedings, DOI 10.5151/2594-5327-41876)
- Queimador Low NOx: o desenvolvimento do projeto (post de 2023)
- Serviço: Análise de Fornos de Pelotização
- Serviço: Projeto de Queimadores, Análise de Combustão e suas Emissões
Perguntas frequentes
O que é NOx térmico?
É o óxido de nitrogênio formado pela oxidação do nitrogênio do ar em temperaturas elevadas de chama, pelas reações de Zeldovich. Cresce de forma exponencial com a temperatura, por isso reduzir o pico de temperatura da chama é uma das formas mais diretas de reduzi-lo.
Como o queimador Low NOx reduz as emissões de NOx?
Ele injeta água na chama, que vaporiza e reduz o pico de temperatura. Para manter a potência do forno, a vazão de gás natural aumenta ligeiramente, com penalidade de consumo de 4% a 6% nos testes com 250 l/h de água.
Como o CFD reduz o tempo de desenvolvimento de um queimador?
A simulação permite comparar geometrias e vazões de água virtualmente, antes de qualquer teste físico. Neste projeto, apenas um protótipo foi fabricado e testado em uma semana, e os resultados de campo ficaram coerentes com o previsto no CFD++.
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