Optimización del Gas de Alto Horno: Generación, Utilización y Eficiencia Energética

El proceso de alto horno (AH) es la tecnología principal para producir arrabío (HM) necesario para la acería y para producir arrabío de fundición. El arrabío es el producto principal del AH. Durante su producción, se genera simultáneamente gas de alto horno (GAH). El GAH es el subproducto que surge continuamente de la ascensión gaseosa del aire de soplado a través de la carga en el AH durante su operación.

Generación y composición del gas de alto horno

Aunque la combustión parcial de carbono en el AH busca reducir el mineral (eliminar O₂), el volumen de gas generado convierte al AH también en productor de gas. El GAH es una importante fuente de energía química consumida fuera del proceso del AH y tiene gran impacto en el balance de gases de una planta siderúrgica integrada. Primero, el excedente de GAH se consume en distintos hornos de la planta y en calderas de central eléctrica junto con otros gases subproducto (gas de coque, gas de convertidor). El parámetro decisivo sobre la utilidad del GAH es su poder calorífico.

Durante la producción de arrabío, aire caliente se sopla por las toberas. El O₂ del aire reacciona con carbono (coque) produciendo CO₂ y CO: (i) C + O₂ = CO₂, (ii) CO₂ + C = 2CO. El gas asciende por el shaft (cargado con minerales, fundentes y coque). Tras varias reacciones químicas y un recorrido de 25–30 m, el GAH sale como gas combustible caliente, con polvo y bajo poder calorífico.

Tanto el C del coque como el CO son agentes reductores para la carga mineral (hematita Fe₂O₃, wüstita FeO, magnetita Fe₃O₄), reduciéndolas a Fe y CO₂. Ejemplo reducción de hematita: (i) Fe₂O₃ + 2C = 2Fe + CO + CO₂, (ii) Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂.

Fuente gaseosa adicional: descomposición de caliza y dolomita (fundentes básicos para eliminar impurezas): (i) CaCO₃ = CaO + CO₂, (ii) MgCO₃ = MgO + CO₂.

Todos estos cambios ocurren en la zona de reacción. La composición gaseosa se rige por el equilibrio de Boudouard (2CO = CO₂ + C), alcanzando una relación CO/CO₂ para cada temperatura. Resultado: grandes cantidades de CO₂, CO y N₂ calientes ascienden mientras carga fresca desciende.

Pueden añadirse constituyentes según variables sistemáticas. Ejemplo: inyección de reductantes adicionales (carbón pulverizado, gas natural, plásticos reciclados) para reducir coque en carga y mejorar eficiencia. Requiere inyección de vapor u O₂ para mantener integridad de la carga. Esto introduce H₂ y H₂O en el aire caliente, afectando reacciones de desplazamiento agua-gas: (i) C + H₂O = CO + H₂, (ii) CO + H₂O = CO₂ + H₂.

La composición química global del GAH es dinámica y depende de parámetros operativos. Composición volumétrica seca representativa en Fig. 2.

Volumen específico de GAH (Nm³/t arrabío), composición y poder calorífico dependen de: (i) características materiales de carga, (ii) cantidad de fundentes, (iii) distribución de carga en shaft, (iv) grado de arrabío, (v) cantidad de combustible auxiliar inyectado, (vi) T de aire caliente, (vii) % O₂ en soplado. Parámetros operativos son clave para gestión energética de planta integrada. Cantidad de GAH transferida a consumidores depende de gas producido y gas consumido en estufas de aire caliente del AH.

CO + CO₂ en gas de AH: 37–53 % vol. total. Relación CO/CO₂: 1,25:1 a 2,5:1. Mayor % CO = mayor peligrosidad. H₂: 1–7 % según tipo/cantidad combustible inyectado en toberas. Balance: N₂. CH₄ hasta 0,2 %. HCN y (CN)₂ pueden formarse por reacción N₂ (aire) + C (coque), catalizada por óxidos alcalinos. Gases altamente tóxicos. Compuestos cianógenos: 200–2000 mg/Nm³.

GAH sale a 120–370 °C y presión 350–2500 mm Hg. Arrastra 20–115 g/Nm³ vapor agua y 20–40 g/Nm³ polvo («polvo de chimenea»), tamaño partícula: micras a 6 mm.

GAH casi incoloro (blanquecino), inodoro. Características principales: (i) poder calorífico muy bajo: 700–850 kcal/Nm³; (ii) densidad relativamente alta: ~1,250 kg/Nm³ a 0 °C y 1 atm (CNTP); (iii) T teórica de llama baja: ~1455 °C; (iv) velocidad propagación de llama baja (menor que otros gases combustibles); (v) llama no luminosa; (vi) autoignición ~630 °C; (vii) límite explosivo inferior (LEL) 27 % y superior (UEL) 75 % en mezcla aire-gas a CNTP. Densidad más alta entre gases combustibles → en fuga se acumula en zonas bajas. Alta concentración de CO = gas peligroso.

La alta presión del GAH en boca del AH se aprovecha en turbina de recuperación de presión de gas superior (TRT) para generar energía eléctrica hasta 35 kWh/t arrabío sin quemar combustible. TRT seco produce más potencia que húmedo.

Limpieza del gas de alto horno

GAH sale con 20–40 g/Nm³ polvo (coque fino, materiales de carga, compuestos de reacciones internas). No usable directamente. Limpieza en planta de depuración en dos etapas:

1. Limpieza primaria: captadores de polvo, ciclones, o combinación. Principio gravedad para partículas gruesas (>0,8 mm). Gas pasa por captador (cilindro 20–30 m diámetro, 20–30 m altura, aislado para evitar condensación y que polvo fluya libremente al cono inferior para extracción periódica). Gas entra por tubería vertical descendente que se ensancha como embudo invertido: velocidad disminuye → polvo grueso cae al cono. Fondo cerrado, salida gas cerca de la cima → inversión 180° del flujo → más polvo se deposita.
2. Limpieza secundaria: sistema seco (filtros de mangas para finos) o húmedo (lavado en lavadores/escrubbers en varias etapas).

Usos del gas de alto horno

Calor sensible de gases de boca usado primero en 1832 para precalentar aire frío (intercambiador en boca del horno). 1845: primeros intentos de usar calor de combustión, pero combustión exitosa solo en 1857. Progreso retrasado por alto contenido de polvo, problemas de limpieza/manejo y bajo coste de combustible sólido. Aumento coste de otros combustibles y competencia forzaron su uso.

Históricamente: calentamiento de estufas de AH y calderas multifuel. No considerado económico para otros usos por sus características. En años recientes, uso ampliado por: (i) aumento coste combustibles comprados, (ii) mejoras técnicas en limpieza → gas más limpio, (iii) tecnología de precalentamiento de GAH.

En plantas integradas, GAH se usa mezclado con gas de cohorno o gas de convertidor (o ambos). Gas mezclado como combustible en varios hornos. GAH sin mezclar ni precalentar: estufas AH, pozos de homogenizado, hornos de normalizado/recocido, hornos de núcleo fundición, motores de gas para soplado, calderas para generación eléctrica, turbinas de gas para generación. Avances recientes: uso directo en horno de sinter.

Ventaja térmica de GAH en motores de gas para soplado/generación debe superar gran inversión y mantenimiento. Calderas modernas: alta presión/vapor T con turbosopladores y generadores eficientes → ventaja térmica de motores de gas reducida, justificación difícil. Algunas plantas en Asia/Europa usan turbinas de gas acopladas directamente a generadores con éxito. GAH precalentado + aire precalentado usado con éxito en calentamiento de cohorno, pozos de homogenizado, hornos de recalentamiento.

GAH precalentado requiere limpieza mínima 0,023 g/Nm³. En todos los usos, precauciones extra para evitar escape de GAH no quemado (alto % CO tóxico).

En operaciones donde GAH tiene poder calorífico próximo a 700 kcal/Nm³, es necesario mezclarlo con otros gases combustibles para alcanzar T muy alta de aire caliente en estufas.