Fabricación de hierro por alto horno y emisiones de dióxido de carbono

Fabricación de hierro por alto horno y emisiones de dióxido de carbono

Es ampliamente reconocido que el dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera es el principal componente que influye en el calentamiento global a través del efecto invernadero. Desde 1896 la concentración de CO2 en la atmósfera ha aumentado un 25 %. La industria siderúrgica es conocida como una industria intensiva en energía y como un importante emisor de CO2. Por lo tanto, el cambio climático es identificado por la industria siderúrgica como un gran desafío ambiental. Mucho antes de los hallazgos del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático en 2007, los principales productores de hierro y acero reconocieron que se necesitan soluciones a largo plazo para abordar las emisiones de CO2 de la industria del hierro y el acero. Por lo tanto, la industria siderúrgica ha sido muy proactiva en la mejora del consumo de energía y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).

En el entorno actual del cambio climático, dentro de la industria siderúrgica, existe un impulso constante para reducir los costos de energía, reducir las emisiones y garantizar la máxima reutilización de energía residual. En los procesos tradicionales para la producción de hierro y acero, la emisión de CO2 es inevitable, especialmente para el proceso de alto horno (BF), que requiere carbono (C) como combustible y agente reductor para convertir el óxido de hierro al estado metálico, y por lo tanto es el proceso principal para la generación de CO2 en una planta integrada siderúrgica. La política climática es, de hecho, un impulsor importante para un mayor desarrollo de la tecnología de fabricación de hierro por parte de BF.

De manera crítica, entre los desafíos que enfrenta la operación BF se encuentra la descarbonización. La industria siderúrgica ha dado pasos significativos para aumentar la eficiencia térmica de la operación BF, pero en última instancia, existe un límite estricto en la descarbonización, asociado con la necesidad de C como reductor químico. Desde la década de 1950, se han llevado a cabo importantes esfuerzos de I+D (investigación y desarrollo) para hacer más eficiente la tecnología de fabricación de hierro BF. Estos esfuerzos de I+D incluyen (i) coque mejorado y calidad del sinterizado, (ii) enriquecimiento de oxígeno (O2), (iii) inyección de otros reductores como carbón pulverizado y gas natural, (iv) distribución de la carga, y (v) tecnologías de medición, etc. en. En la década de 1950, la tasa de reductor era de alrededor de 1000 kilogramos por tonelada de metal caliente (kg/tHM), y desde entonces se ha reducido en un factor de 2 debido a los esfuerzos de I+D y la implementación de los resultados de los esfuerzos de I+D.

El consumo de agente reductor en el BF convencional es actualmente de alrededor de 500 kg/tHM, acercándose solo un 5 % por encima de los valores termodinámicos más bajos posibles en el funcionamiento BF clásico. El proceso BF es ahora un proceso altamente desarrollado que opera cerca de los límites termodinámicos de eficiencia. No hay mejoras importantes obvias que se espere que reduzcan fundamentalmente su demanda de C o mejoren significativamente su eficiencia térmica, pero, dado que el BF es el generador de emisiones predominante, los esfuerzos para mitigar el impacto ambiental de la industria, por necesidad, deben ser realizados. centrado en el proceso de fabricación de hierro BF.

Se requieren tecnologías innovadoras de fabricación de hierro para una mayor reducción significativa del consumo de C o las emisiones de CO2. Se han propuesto varias tecnologías para una mayor reducción del uso de C fósil y la reducción de la emisión de CO2 en el propio proceso BF. Estos incluyen (i) el reciclaje de CO del gas superior BF, (ii) el uso de biomasa, (iii) la sustitución de CO por H2 como agente reductor, (iv) el uso de hierro reducido directo (DRI) pobre en C, calor hierro en briquetas (HBI) o hierro de baja reducción (LRI), (v) Uso de materiales compuestos C, (vi) uso de energía eléctrica pobre en C, y (vii) captura y almacenamiento de CO2 (CCS), etc. Sin embargo, el El enfoque necesario es proponer mejoras incrementales que ofrezcan pasos para reducir las emisiones o producir más a partir del potencial que existe dentro del proceso actual.

Es inevitable que, al considerar dichas tecnologías, se deban considerar una serie de temas transversales en torno a la economía y las emisiones generales de CO2. Por ejemplo, el uso de CO2 y gases de proceso como materias primas químicas puede requerir la compra adicional de combustibles para los hornos de recalentamiento, lo que puede afectar los costos de las obras integradas, la calidad del acero y las emisiones totales de CO2. Cualquier solución que deba tomarse en consideración debe tener el potencial de lograr una optimización multicomponente de estos aspectos individuales.

Por lo tanto, los desafíos clave que enfrenta la operación futura de BF son (i) reducir significativamente los gastos operativos y de capital para generar un rendimiento sostenible de los gastos de capital a lo largo del ciclo económico, y (ii) reducir las emisiones efectivas de CO2 a un punto incluso por debajo del determinado por la termodinámica química de el proceso convencional basado en coque. Para enfrentar estos desafíos, es fundamental identificar una serie de oportunidades tecnológicas. Estos se describen a continuación.

Tecnologías líderes en reciclaje de gas y captura de carbono

La reducción de la entrada C está limitada por el equilibrio de reducción del gas en el BF. La disminución de la entrada C se puede lograr al reducir la relación de reducción directa (una reacción endotérmica) al fortalecer la reducción de gas dentro del BF a través de la descarbonización y la recirculación del gas superior mediante inyección en el horno. El diagrama de flujo típico de un alto horno con reciclaje de gas superior (TGR) se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1 Diagrama de flujo típico de un alto horno con reciclaje de gas superior

Cualquier solución para la descarbonización de la ruta BF requiere algún elemento de captura de C. Para lograr una reducción sustancial de CO2 (superior al 50 %), es necesaria la aplicación de la tecnología CCS, aunque existe un consenso general en la industria de que las reducciones superiores al 80 % no son posibles. Una variación alentadora de la captura de C es el reciclaje de gas superior en el proceso de fabricación de hierro mediante el proceso BF. Es la tecnología más prometedora que puede reducir significativamente la emisión de CO2 y consiste en el reciclaje de CO y H2 del gas que sale del BF por la parte superior.

La tecnología TGR se basa principalmente en la reducción del uso de C fósil (coque) mediante la reutilización de los agentes reductores (CO y H2) después de la eliminación del CO2 del gas superior. Esto conduce a menores requerimientos de energía. Las principales tecnologías del TGR-BF son (i) la depuración de CO2 del gas superior y la inyección del equilibrio que reduce los componentes del gas superior CO y H2 en el eje BF y las toberas del hogar, (ii) menor entrada de C fósil debido a la menor cantidad de coque tasas, (iii) uso de O2 puro en lugar de chorro de aire caliente en la tobera del hogar, es decir, eliminación de nitrógeno (N2) del proceso, y (iv) recuperación de CO2 puro del gas superior para almacenamiento subterráneo.

La mayoría de los esquemas de captura de C generalmente están asociados con el almacenamiento, pero también se puede considerar la utilización. Esta conexión entre la captura y la utilización de C destaca un área importante de investigación que actualmente es de interés en torno a la integración de procesos. En comparación con aspectos como la recolección, el transporte y el almacenamiento, el área de integración de procesos mediante la actualización de un BF existente con un sistema de captura de C ha recibido poca consideración.

Es de esperar que para la mayoría de los sitios donde operan las BF, la captura de C se comisione junto con las BF que han operado durante muchas décadas. Existe la posibilidad de un nivel significativo de interferencia en el proceso asociado con aspectos como la calidad del gas, la presión, los protocolos operativos y la optimización relativa de la planta de utilización de BF y C. Es necesario lograr la modernización y la operación posterior sin comprometer la eficiencia operativa o la calidad del producto de los activos existentes.

En esta área de integración de procesos, se implementarán técnicas avanzadas de modelado y simulación de procesos para optimizar la combinación de un sistema integrado de captura de BF y C. En este sentido, se requiere una combinación de modelado de fluidos térmicos, con cinética de proceso y modelado económico a través del proceso, alineado con la comprensión de los parámetros clave del proceso de fabricación de hierro. Dado tal enfoque, se puede realizar la aplicación de la captura de C a las operaciones BF existentes.

Reducción de hidrógeno

El desafío ambiental importante para el proceso BF es el uso de C como reductor químico. Esto tiene un límite termodinámico duro, por debajo del cual no es posible una mayor reducción de C sin un cambio significativo en el proceso. Uno de esos cambios en el proceso es un cambio parcial de C a hidrógeno (H2) como reductor. Ejemplos de agentes reductores con alto contenido de H2 son los residuos plásticos (CnHm) o el gas natural (con componente principal CH4). El H2 ya se usa en procesos de reducción directa para la producción de DRI, por lo que existe una comprensión básica de los mecanismos y la termodinámica química, pero existe la oportunidad de seguir investigando e innovando procesos en torno a la medida en que el equilibrio entre la reducción de H2 y C la reducción se puede desplazar dentro del horno.

El uso de residuos plásticos (WP) para promover la reducción de H2 en BF se realiza mediante la inyección de WP en el BF. El WP se inyecta como un sólido a través de las toberas de forma similar al carbón pulverizado (PC). Normalmente se realiza como una coinyección de WP y carbón en el BF. La energía de combustión de WP es generalmente al menos tan alta como la de PC normalmente inyectada, y su mayor proporción de H2 a C significa que se produce menos CO2 dentro del BF a partir de los procesos de combustión y reducción del mineral de hierro. Además, hay un menor consumo de energía ya que el H2 es un agente reductor más favorable que el C. La inyección de WP aumenta la concentración de H2 del gas bosh. Dado que la velocidad de reacción química de la reducción de H2 es más alta que la de CO, la extensión de la reacción de Boudouard se reduce a medida que aumenta el gas de bosh H2. El CO2 y el H2O están presentes en la parte superior del BF debido a la reducción de los óxidos de hierro.

Para promover la reducción de H2 en el alto horno, se está investigando otro método a través del Proyecto COURSE50 en Japón, cuyo trabajo comenzó en 2008. Este proyecto es un intento de reducir las emisiones de CO2 mediante el desarrollo de la técnica de inyección de gas reductor en el BF. eje, en combinación con amplificación de H2 por reformado de gas de horno de coque. La tecnología de reducción de H2 propuesta por este proyecto consiste en el aumento de H2 mediante (i) reformado de gas de horno de coque, (ii) tecnología de reducción de mineral de H2 y (iii) tecnología de fabricación de coque para la reducción de H2 en alto horno. En este proyecto, el gas reductor se inyecta en el pozo BF. A partir del balance de cantidad de movimiento de dos gases, se ha encontrado que el área de penetración del gas de inyección del eje es proporcional a la velocidad del gas de inyección y que el H2 promueve la reducción del mineral de hierro. Sin embargo, dado que la reducción de H2 es una reacción endotérmica, es necesario prestar especial atención al mantenimiento de la temperatura en la parte superior del horno.

Materiales alternativos que contienen carbono

Los materiales de soporte C alternativos son los aglomerados compuestos C (CCA) o los compuestos de hierro C (CIC). Estos son aglomerados de material carbonoso y una mezcla de óxido de hierro y son un tipo de coque formado que contiene hierro metálico. El material carbonoso puede ser finos de coque, carbón vegetal, finos de planta ricos en C, biomasa, residuos plásticos, etc., mientras que el óxido de hierro puede ser mineral de hierro de baja ley, finos de planta ricos en hierro, etc. Compuesto C debido al efecto catalítico de las partículas de hierro, los materiales tienen una reactividad notablemente alta con el gas CO2 en comparación con el coque metalúrgico. Normalmente, los materiales compuestos C reaccionan con el gas CO2 a una temperatura de unos 150 grados C más baja que la del coque metalúrgico.

Los materiales compuestos C promueven la reacción de reducción del mineral debido a (i) la mayor reactividad de estos materiales y (ii) el hecho de que la reacción de pérdida de solución de estos materiales comienza a una temperatura más baja. La utilización de dichos aglomerados no solo ayuda a mitigar las emisiones de CO2, sino que también ayuda a ahorrar coque y energía. La estrecha distancia entre el hierro y el C en dichos aglomerados mejora significativamente la cinética de la reacción. Los otros beneficios que se pueden visualizar con la utilización de dichos aglomerados son (i) la posibilidad de utilizar finos de planta ricos en hierro y/o C, (ii) menor temperatura de gasificación debido al efecto de acoplamiento entre la reacción de gasificación y el óxido de hierro (wustita ) reducción, y (iii) menor dependencia de CO2 y procesos de preparación de minerales intensivos en energía.

El método de producción de materiales compuestos C consiste en triturar, mezclar y formar briquetas de materiales económicos que contienen hierro y carbón que no se coque o que se coque levemente, seguido de calentamiento y carbonización en un horno de cuba. La resistencia de estos materiales es una propiedad importante para la alimentación BF, y se puede lograr la resistencia al mismo nivel que el coque metalúrgico, incluso a partir de materias primas de baja calidad, mediante el efecto de densificación de la formación de briquetas y el control de temperatura de precisión comparativamente alta en el horno de cuba. .

Los materiales que contienen C también se pueden introducir en el proceso BF de varias maneras. En el proceso de sinterización, la biomasa o WP puede sustituir parcialmente a la brisa de coque. Los finos de la planta se pueden utilizar como fuente tanto de C como de hierro. En la fabricación de coque, se han realizado intentos para agregar biomasa, así como WP a la mezcla de carbón coquizable. Los materiales alternativos que contienen carbono se pueden cargar en el BF desde la parte superior junto con los materiales de carga en forma de grumos o los finos ricos en C de la planta o la biomasa se pueden inyectar en el BF a través de las toberas.

Reciclaje de gases de combustión en estufas de gas BF

Se está desarrollando una nueva tecnología conocida como "reciclado de gases de combustión" (FGR, por sus siglas en inglés) para las estufas de aire caliente. Esta tecnología implica la conversión de las estufas, de combustión de aire-combustible a oxicombustible, aumentando el porcentaje de CO2 de los gases de combustión. La temperatura de llama generada va a ser moderada por la recirculación de gases residuales a los quemadores de la estufa. En la figura 2 se muestra una comparación esquemática de las operaciones de estufas de aire y combustible convencionales y las operaciones mejoradas de oxicombustible que emplean el reciclaje de gases de combustión.

Fig. 2 Comparación esquemática de las operaciones de estufas de aire-combustible convencionales y operaciones mejoradas de oxicombustible que emplean el reciclaje de gases de combustión

El funcionamiento de FGR de las estufas puede basarse en un flujo de masa constante o de volumen constante de los productos de combustión. El flujo másico constante asegura que la transferencia de calor por convección no cambie en relación con las operaciones convencionales de aire-combustible, y el reciclaje de los gases de combustión calientes reduce el requisito de energía de combustión de las estufas. La opción de flujo de volumen constante surge debido a la mayor densidad de los productos de combustión, cuando se recicla el gas de combustión. En este modo, la recuperación de calor se puede combinar con mayores tasas de gasificación del quemador y esto se convierte en temperaturas de chorro caliente más altas y un potencial para un menor consumo de coque en el BF.

Teniendo en cuenta el potencial de captura de C, el contenido de CO2 de los gases de combustión se duplica esencialmente en comparación con las prácticas convencionales de calentamiento de las estufas. En términos de masa, los gases de combustión contienen 0,8 toneladas de CO2/tonelada de metal caliente (HM), lo que representa más de un tercio de los niveles de emisión específicos actuales. La generación del O2 requerido para facilitar esto reduce marginalmente los beneficios de captura de C en virtud de la energía consumida para operar la planta de separación de aire. Esto reduce el potencial de reducción de emisiones netas en alrededor de un 6 %.

El reciclaje de gases de combustión en las estufas elimina el uso de aire y gas de horno de coque en el proceso de combustión. Por lo tanto, la generación de óxidos de azufre y óxidos nitrosos se reduce sustancialmente. Los objetivos específicos de esta nueva tecnología en desarrollo incluyen (i) la confirmación de un contenido de CO2 del 40 % al 50 % en los gases de combustión modificados, (ii) la verificación de la recuperación del calor residual y la mejora de la eficiencia térmica de las estufas, y (iii) confirmación de que las nuevas condiciones de funcionamiento mantienen o aumentan la temperatura del chorro caliente entregado al BF y, por lo tanto, evita impactos negativos en la operación del BF.