Proceso Finex para la Producción de Hierro Líquido

Proceso FINEX para la producción de hierro líquido

El proceso de fundición-reducción FINEX fue desarrollado por Primetals Technologies, Austria y el fabricante de acero de Corea del Sur Posco. El proceso FINEX es un proceso de fabricación de hierro alternativo probado comercialmente para la producción de metal caliente (HM) además de la ruta del proceso de alto horno (BF), que consta de BF, planta de sinterización y horno de coque. Este proceso se basa en el uso directo de carbón no coquizable. El proceso FINEX puede utilizar directamente finos de mineral de hierro sin ningún tipo de aglomeración.

En el proceso FINEX, el mineral de hierro fino se precalienta y se reduce a DRI fino (hierro de reducción directa) en un sistema de reactor de lecho fluidizado de tres etapas con gas de reducción producido por el gasificador del fundidor. Los reactores de lecho fluidizado permiten que el proceso FINEX utilice minerales finos en lugar de minerales en trozos o gránulos.

Como resultado, el proceso no requiere ni la fabricación de coque ni la aglomeración del mineral. La formación de briquetas del mineral prerreducido y el carbón, la inyección de carbón pulverizado y la carga controlada del gasificador del fundidor (MG) dan como resultado una tasa de combustible mejorada para el proceso. El DRI fino producido en el sistema del reactor de lecho fluidizado se compacta y luego se carga en forma de HCI (hierro compactado en caliente) en el gasificador del fundidor para producir metal caliente (HM). El HCI cargado se reduce a hierro metálico y se funde. El calor necesario para la reducción metalúrgica y la fusión lo proporciona la gasificación del carbón con oxígeno (O2) de alta pureza. El proceso FINEX es un proceso respetuoso con el medio ambiente que utiliza carbón y mineral de hierro fino de bajo costo.

El proceso FINEX utiliza O2 de alta pureza, lo que da como resultado un gas de exportación con cantidades bajas de nitrógeno (N2). Como su poder calorífico neto (CV) es más de dos veces el gas superior BF, puede reciclarse parcialmente para trabajos de reducción o puede usarse para generar calor o energía.

Trabajo inicial

La investigación básica a escala de laboratorio se había realizado con una unidad a escala de banco de 15 toneladas/día de 1992 a 1996. Los resultados de esta unidad se utilizaron para las operaciones de prueba de una planta piloto de 150 toneladas/día en 1999. La planta de demostración FINEX de 0,6 millones de toneladas por año (Mtpa) se construyó en la planta de Pohang de Posco y comenzó la producción en junio de 2003. Esta planta tiene tres reactores de lecho fluidizado. Desde febrero de 2004, la planta demostrada produjo constantemente a un ritmo de más de 0,7 millones de toneladas anuales de metal caliente. Posco puso en marcha la primera planta FINEX comercial con una capacidad de 1,5 Mtpa en abril de 2007. Basándose en los exitosos resultados de esta planta, Posco y Primetals Technologies decidieron desarrollar la planta FINEX con una capacidad de 2,0 Mtpa en Pohang. La planta se puso en funcionamiento en enero de 2014.

Principales materias primas

El carbón y el mineral de hierro son dos materias primas principales. Los principales criterios para una evaluación inicial de carbones o mezclas de carbón adecuados para el proceso FINEX son (i) fijar el contenido de C (carbono) en un mínimo del 55 %, (ii) el contenido de cenizas en un nivel máximo del 25 %, (iii) contenido de VM (materia volátil) inferior al 35 %, y (iv) contenido de S (azufre) inferior al 1 %. Además de estas características generales, se requiere que el carbón cumpla ciertos requisitos relacionados con la estabilidad térmica para permitir la formación de un lecho de carbón estable en el fundidor-gasificador. La estabilidad térmica de los carbones potenciales para el proceso FINEX se verifica utilizando procedimientos de prueba especiales en laboratorios.

El proceso FINEX puede operar sin coque debido a la menor carga en el lecho de carbón del fundidor-gasificador y al uso de O2. En caso de cambios en la calidad de las briquetas de carbón y fluctuaciones en el grado de reducción, normalmente se usa algo de coque (menos de 30 mm) antes y después de una parada o en caso de una temperatura de HM decreciente para mantener la productividad y disminuir la proporción de combustible. La operación actual proporciona un nivel constante de brisa de coque para minimizar los efectos descritos anteriormente. La calidad de la brisa de coque utilizada en el proceso FINEX no es adecuada para la operación BF y tiene una concentración de alrededor del 60 % de coque BF. Para lograr una operación de brisa de coque cero, varias optimizaciones de operación son esenciales, como la optimización del aglutinante y el desarrollo de una tecnología de precalentamiento de briquetas de carbón. Las características del carbón para el proceso FINEX y su comparación con las características del carbón para la fabricación de hierro BF se muestran en la Fig. 1.

Fig. 1 Características del carbón o procesos FINEX y BF

En el caso del mineral de hierro, en general, el 100 % del mineral fino de alimentación de sinterización se carga en reactores de lecho fluidizado. También se puede utilizar del 30 % al 50 % de alimento granulado. Los tipos y la mezcla de mineral de hierro se deciden en función de las propiedades químicas y físicas, como el contenido total de hierro (Fe), la estructura de la composición y el tamaño del grano, etc. Como en el caso de la producción de HM mediante el proceso BF, el contenido de Fe del mineral de hierro determina el productividad. La relación de mezcla debe decidirse considerando la calidad del mineral y el costo. Dado que la extracción de escoria con mayor contenido de alúmina (Al2O3) es más tolerable en el proceso FINEX que en el proceso BF, también se pueden utilizar minerales de hierro con mayor contenido de Al2O3. Normalmente, no hay limitación en la estructura del material de alimentación de hematita y goethita para reactores de lecho fluidizado. La flexibilidad de los minerales de hierro adecuados para el proceso FINEX se muestra en la Fig. 2.

Fig. 2 Flexibilidad de los minerales de hierro para el proceso FINEX

El proceso

El proceso FINEX se distingue por la producción de HM de alta calidad sobre la base de finos de mineral de hierro cargados directamente y carbón como reductor y fuente de energía. La característica clave del proceso FINEX es que la producción de hierro se lleva a cabo en dos pasos de proceso separados. En una serie de tres reactores de lecho fluidizado, el mineral de hierro fino se reduce a DRI, que luego se compacta (HCI) y se transporta a un fundidor-gasificador mediante una cinta transportadora de metal caliente. El carbón y las briquetas de carbón cargadas en el fundidor-gasificador se gasifican, proporcionando la energía necesaria para la fusión además del gas de reducción. El diagrama de flujo del proceso FINEX se muestra en la Fig. 3.

Fig. 3 Diagrama de flujo del proceso FINEX

El hierro líquido se produce en el proceso FINEX en dos pasos. En el primer paso, los finos de mineral de hierro se precalientan y reducen a DRI fino en reactores de lecho fluidizado en tres etapas. El primer reactor (R3) sirve principalmente como reactor para el precalentamiento de finos de mineral de hierro. Los finos de mineral de hierro se cargan en la serie de reactores de lecho fluidizado junto con fundentes como piedra caliza y/o dolomita. Los finos de mineral cargados viajan en dirección descendente a través de los tres reactores donde los minerales son calentados y reducidos a DRI por medio del gas reductor que se obtiene de la gasificación del carbón en el gasificador del fundidor. Este gas reductor fluye en dirección contraria al movimiento del mineral.

Según la ruta del mineral de proceso, un sistema de transporte neumático transporta los finos del mineral a la torre del reactor de lecho fluidizado. Luego, el mineral fino se carga en la serie de reactores de lecho fluidizado. El gas de reducción generado en el fundidor-gasificador fluye a través de cada uno de los reactores de lecho fluidizado en dirección contraria a la del mineral (De R1 a R3). La temperatura típica y la composición del gas de reducción en los tres reactores de lecho fluidizado se dan en la Tabla 1.

Pestaña 1:Atmósfera de gas típica para un reactor de lecho fluidizado de tres etapas para el proceso FINEX
Parámetro/Componente	Unidad	Reactor de lecho fluidizado
		R1	R2	R3
Temperatura	Grado C	760	750	480
CO	%	45,4	39,3	32,7
CO2	%	20.4	29,2	26,7
H2	%	17.2	16,9	14.3
H2O	%	5.4	7.3	7.8
N2	%	11.6	6.6	18,4
CH4	%	Nada	Nada	Nada

El mineral de hierro fino es fluidizado por la corriente de gas y el mineral se reduce cada vez más en cada paso del reactor. Después de la salida del hierro reducido del reactor de lecho fluidizado final, se compacta para producir HCl. Posteriormente, el HCI se transporta a través de un sistema de transporte en caliente hasta la parte superior del gasificador del fundidor, donde se carga directamente junto con el carbón en el gasificador del fundidor. Luego tiene lugar la reducción final y la fusión del HCI.

Según la ruta del carbón de proceso, los carbones no coquizables y las briquetas de carbón se cargan directamente en el gasificador del fundidor a través de un sistema de tolva de bloqueo. Después de que el carbón cae sobre el lecho de carbón, se produce la desgasificación. Los hidrocarburos liberados, que son perjudiciales para el medio ambiente, se disocian inmediatamente en CO (monóxido de carbono) y H2 (hidrógeno). Esto se debe a las altas temperaturas predominantes que superan los 1000 grados C en la cúpula del fundidor-gasificador. El O2 inyectado en la parte inferior del fusor-gasificador gasifica el carbón, generando calor para el trabajo de fusión y produciendo un gas reductor de gran valor compuesto principalmente por CO y H2. Este gas, que sale de la cúpula del fusor-gasificador, se limpia primero en un ciclón de gas caliente antes de entrar en los reactores de lecho fluidizado. Después de la fusión del DRI, el procedimiento de roscado se lleva a cabo exactamente de la misma manera que en la práctica estándar de BF. La calidad de HM del proceso FINEX es similar a la HM producida en BF.

El gas de exportación FINEX es un subproducto valioso del proceso FINEX. El gas de exportación limpio que sale de la parte superior de los reactores de lecho fluidizado se puede utilizar para una amplia variedad de aplicaciones. Estos incluyen la producción de DRI, la generación de energía y la generación de gas de síntesis para la industria química. La composición típica de los diferentes gases producidos en el proceso FINEX se proporciona en la Pestaña 2.

Pestaña 2 Composición típica de los gases
Composición del gas	Unidad	CO	CO2	H2	N2
Gas residual	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Gas producto	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Gas de cola	%	17-18	65-66	10-11	2-3

  El flujo de gas en el proceso FINEX se muestra en la Fig. 4.

Fig. 4 Flujo de gas en el proceso FINEX

Los valores típicos de consumo específico para los materiales y las utilidades en el proceso FINEX son (i) combustible seco alrededor de 720 kg/tHM, (ii) mineral de hierro alrededor de 1.600 kg/tHM, (iii) aditivos (piedra caliza y dolomita) alrededor de 285 kg/ tHM, (iv) O2 alrededor de 460 N cum, (v) N2 alrededor de 270 N cum, (vi) potencia alrededor de 190 kWh/tHM y (vii) refractarios alrededor de 1,5 kg/tHM.

Las características del HM producido por el proceso FINEX consisten en (i) C alrededor del 4,5 %, (ii) silicio (Si) alrededor del 0,7 %, (iii) manganeso (Mn) alrededor del 0,07 %, (iv) fósforo (P) alrededor del 0,07 %, (v) azufre (S) alrededor de 0,04 % y (vi) temperatura alrededor de 1500 grados C.

Las características del gas de exportación del proceso FINEX consisten en (i) CO alrededor del 34 %, (ii) CO2 alrededor del 43 %, (iii) H2 alrededor del 13 %, (iv) H2O alrededor del 3 %, (v) CH4 menos de 1 %, (vi) N2/Ar alrededor del 6 %, (vii) H2S menos de 100 ppm (partes por millón), (viii) polvo 5 mg (miligramos)/N cum, (ix) presión 0,1 kg/cm2, (x) temperatura alrededor de 40 grados C, y (xi) CV en el rango de 1300 kcal/N cum a 1500 kcal/N cum. Se producen alrededor de 1,9 giga calorías del gas de exportación por tonelada de HM.

Aspectos ambientales del proceso

El proceso FINEX tiene la posibilidad) de recuperar CO2 de alta pureza para la captura y almacenamiento de CO2 (CCS). Además del almacenamiento, el CO2 recuperado también se puede utilizar para mejorar la recuperación de petróleo, así como para otros usos económicos. Esto es posible debido al uso de O2 de alta pureza en el gasificador del fundidor para la gasificación del carbón y, por lo tanto, el gas de exportación contiene solo cantidades bajas de N2. Esto permite la eliminación del CO2 en alta concentración del gas de reciclaje y generar, después de una purificación adicional, CO2 de alta pureza con un porcentaje de CO2 superior al 95 %. Las tasas de emisión de CO2 para el proceso FINEX sin CCS y con CCS son 99 % y 55 % respectivamente en comparación con la tasa de emisión de CO2 promedio en el caso del proceso de fabricación de hierro BF.

El proceso FINEX es un proceso a base de carbón para la reducción de mineral de hierro a hierro, que posteriormente se funde en HM. Una cierta cantidad de sustancias nocivas para el medio ambiente es inevitable en función de la combinación de materias primas. Dado que el proceso FINEX captura la mayor parte de los contaminantes en estado inerte en la escoria y los hidrocarburos liberados se destruyen en la cúpula del fusor gasificador, las emisiones de sustancias nocivas son muy bajas. Los valores de emisiones por tonelada de HM para polvo, SOx y NOx están alrededor de 58 gramos por tonelada (g/t), alrededor de 32 g/t y alrededor de 94 g/ton respectivamente.

Ventajas del proceso FINEX

Las diversas ventajas del proceso FINEX incluyen (i) la utilización de minerales finos de hierro de bajo grado como alimentación de óxido, (ii) el uso de carbones no coquizables como agente reductor, (iii) el control independiente de los procesos de reducción y fusión, (iv) ) economía ventajosa debido a costos de capital y operativos significativamente reducidos, (v) beneficios ambientales, (vi) flexibilidad en la selección de materias primas y en la operación, como la posible utilización de minerales de hierro de menor grado (por ejemplo, minerales de hierro con mayor contenido de Al2O3), ( vii) producción de HM de calidad similar a la HM de la BF, (viii) exportación de gas con mayor CV que puede utilizarse para diferentes propósitos (por ejemplo, generación de energía, producción de DRI y producción de productos químicos), (ix ) proceso de fabricación de hierro alternativo probado comercialmente, y (x) la aplicación de campo marrón en una planta siderúrgica integrada brinda sinergias con el BF.