Proceso FINEX: Producción Avanzada de Hierro Líquido con Finos de Mineral y Carbón No Coquizable

Proceso FINEX para producción de hierro líquido

El proceso de reducción-fundición FINEX fue desarrollado por Primetals Technologies (Austria) y el fabricante surcoreano Posco. Es una alternativa comercial probada para la producción de arrabio (HM) además de la ruta del alto horno (AH), que consiste en AH, planta de sinter y horno de coque. Este proceso se basa en el uso directo de carbón no coquizable y 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 reduce a DRI (hierro reducido directo) fino en un sistema de tres reactores de lecho fluidizado con gas de reducción producido desde el gasificador-fundidor. Los reactores de lecho fluidizado permiten usar finos en lugar de mineral en terrones o pellets.

Como resultado, el proceso no requiere ni coquización ni aglomeración de mineral. El briqueteo del mineral pre-reducido y el carbón, la inyección de carbón pulverizado y la carga controlada del gasificador-fundidor (MG) mejoran la tasa de combustible. El DRI fino producido en el sistema de reactores de lecho fluidizado se compacta y carga en forma de HCI (hierro compactado en caliente) en el gasificador-fundidor para producir arrabio (HM). El HCI cargado se reduce a hierro metálico y se funde. El calor necesario para la reducción y fusión metalúrgica se suministra mediante gasificación de carbón con oxígeno (O₂) de alta pureza. El proceso FINEX es ambientalmente amigable, usando finos de mineral de hierro y carbón de bajo coste.

Gas de exportación y trabajos iniciales

El proceso FINEX usa O₂ de alta pureza, resultando en gas de exportación con bajo contenido de nitrógeno (N₂). Su valor calorífico neto (CV) es más del doble que el gas de tope de AH, pudiendo reciclarse parcialmente para reducción o usarse para generación de calor/energía.

Desarrollo histórico

• 1992-1996: Investigación a escala de laboratorio con unidad de 15 t/día.
• 1999: Planta piloto de 150 t/día para pruebas operativas.
• Junio 2003: Planta de demostración FINEX de 0,6 Mt/a en obras de Pohang (Posco), con tres reactores de lecho fluidizado.
• Febrero 2004: Producción estable >0,7 Mt/a de arrabio.
• Abril 2007: Primera planta comercial FINEX de 1,5 Mt/a comisionada por Posco.
• Enero 2014: Planta FINEX de 2,0 Mt/a en Pohang puesta en operación.

Materias primas principales

Carbón

Los criterios principales para evaluar carbones o mezclas aptos para FINEX son:

• Carbono fijo (C fix) mínimo 55 %
• Cenizas máximo 25 %
• Materia volátil (VM) inferior a 35 %
• Azufre (S) inferior a 1 %

Además, el carbón debe cumplir requisitos de estabilidad térmica para formar lecho de coque estable en el gasificador-fundidor, verificado mediante procedimientos especiales de laboratorio.

FINEX puede operar sin coque debido a la menor carga en el lecho de coque del gasificador-fundidor y el uso de O₂. En caso de cambios en calidad de briquetas de carbón y fluctuaciones en grado de reducción, se usa típicamente brisa de coque (<30 mm) antes/después de paradas o si disminuye la temperatura del HM para mantener productividad y reducir ratio de combustible. La operación actual mantiene nivel constante de brisa de coque para minimizar estos efectos. La calidad de brisa de coque usada en FINEX no es apta para AH y tiene resistencia ~60 % del coque de AH. Para operación sin brisa de coque, se requieren optimizaciones como optimización de aglutinante y tecnología de precalentamiento de briquetas de carbón. La Fig. 1 compara características de carbón para FINEX y AH.

Mineral de hierro

En general, 100 % de fino de alimentación de sinter se carga en reactores de lecho fluidizado. También puede usarse 30-50 % de alimentación de pellets. Los tipos y mezcla de mineral se deciden según propiedades químicas y físicas: Fe total, estructura de composición, granulometría. Como en AH, el contenido de Fe determina la productividad. La proporción de mezcla se decide considerando calidad del mineral y coste. Al ser más tolerable la escoria con mayor alúmina (Al₂O₃) en FINEX que en AH, pueden usarse minerales con mayor Al₂O₃. Normalmente no hay limitación en estructura de alimentación de hematita y goethita para reactores de lecho fluidizado. La Fig. 2 muestra la flexibilidad de minerales para FINEX.

El proceso

FINEX se distingue por producir arrabio de alta calidad basado en carga directa de finos de mineral de hierro y carbón como reductante y fuente energética. La característica clave es que la producción de hierro se realiza en dos pasos separados:

1. En una serie de tres reactores de lecho fluidizado, el mineral de hierro fino se reduce a DRI, que se compacta (HCI) y transporta al gasificador-fundidor por transportador de metal caliente.
2. Carbón y briquetas de carbón cargados al gasificador-fundidor se gasifican, proveyendo energía para fusión y gas de reducción.

Ruta del mineral

Un sistema de transporte neumático lleva los finos de mineral a la torre de reactores de lecho fluidizado. El mineral fino se carga en la serie de reactores. El gas de reducción generado en el gasificador-fundidor fluye a través de cada reactor en contracorriente al mineral (de R1 a R3). La Tabla 1 muestra temperatura y composición típica del gas de reducción en los tres reactores.

Tabla 1: Atmósfera de gas típica para reactor de lecho fluidizado de tres etapas en proceso FINEX
Parámetro/Componente	Unidad	R1	R2	R3
Temperatura	°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	%	Nulo	Nulo	Nulo

El mineral de hierro fino se fluidiza por la corriente de gas y se reduce progresivamente en cada reactor. Tras salir del reactor final, se compacta para producir HCI. El HCI se transporta vía sistema de transporte en caliente al tope del gasificador-fundidor, donde se carga directamente junto con carbón. La reducción final y fusión del HCI ocurre entonces.

Ruta del carbón

Carbones no coquizables y briquetas de carbón se cargan directamente en el gasificador-fundidor mediante sistema de tolva-cerradura. Al caer sobre el lecho de coque, ocurre desgasificación. Los hidrocarburos liberados (nocivos ambientalmente) se disocian inmediatamente a CO y H₂ debido a temperaturas >1.000 °C en la cúpula del gasificador-fundidor. O₂ inyectado en la parte inferior gasifica el carbón, generando calor para fusión y produciendo gas de reducción valioso compuesto principalmente de CO y H₂. Este gas, que sale de la cúpula, se limpia primero en ciclón de gas caliente antes de entrar a los reactores de lecho fluidizado. Tras la fusión del DRI, el vaciado se realiza exactamente igual que en práctica estándar de AH. La calidad del HM de FINEX es similar a la de AH.

Gas de exportación

El gas de exportación FINEX es un subproducto valioso. El gas limpio que sale de la parte superior de los reactores de lecho fluidizado puede usarse para: producción de DRI, generación de energía y generación de gas de síntesis para industria química. La Tabla 2 muestra la composición típica de los gases.

Tabla 2: Composición típica de los gases
Composición del gas	Unidad	CO	CO₂	H₂	N₂
Gas de tope (Off Gas)	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Gas de producto (Product Gas)	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Gas de cola (Tail Gas)	%	17-18	65-66	10-11	2-3

Consumos específicos típicos

Valores típicos de consumo específico de materiales y utilidades en FINEX (por tonelada de HM):

• Combustible seco: ~720 kg/t HM
• Mineral de hierro: ~1.600 kg/t HM
• Aditivos (caliza y dolomita): ~285 kg/t HM
• O₂: ~460 Nm³
• N₂: ~270 Nm³
• Energía eléctrica: ~190 kWh/t HM
• Refractarios: ~1,5 kg/t HM

Características del arrabio y gas de exportación

Arrabio (HM): C ~4,5 %, Si ~0,7 %, Mn ~0,07 %, P ~0,07 %, S ~0,04 %, Temp. ~1.500 °C.

Gas de exportación: CO ~34 %, CO₂ ~43 %, H₂ ~13 %, H₂O ~3 %, CH₄ <1 %, N₂/Ar ~6 %, H₂S <100 ppm, polvo 5 mg/Nm³, presión 0,1 kg/cm², temp. ~40 °C, CV 1.300-1.500 kcal/Nm³. Se producen ~1,9 Gcal de gas de exportación por tonelada de HM.

Aspectos ambientales

FINEX permite recuperar CO₂ de alta pureza para captura y almacenamiento (CCS). Además del almacenamiento, el CO₂ recuperado puede usarse para recuperación mejorada de petróleo y otros usos económicos. Esto es posible por el uso de O₂ de alta pureza en el gasificador-fundidor para gasificación de carbón, resultando en gas de exportación con bajo N₂. Esto permite remover CO₂ en alta concentración del gas de reciclaje y generar CO₂ de alta pureza (>95 % CO₂) tras purificación adicional. Las tasas de emisión de CO₂ para FINEX sin CCS y con CCS son 99 % y 55 % respectivamente comparadas con la tasa media de emisión en AH.

FINEX es un proceso basado en carbón para reducción de mineral a hierro, fundido luego en HM. Cierta cantidad de sustancias nocivas es inevitable según la mezcla de materias primas. Como FINEX captura la mayoría de contaminantes en estado inerte en la escoria y los hidrocarburos liberados se destruyen en la cúpula del gasificador-fundidor, las emisiones de sustancias nocivas son muy bajas. Valores de emisión por tonelada de HM: polvo ~58 g/t, SOx ~32 g/t, NOx ~94 g/t.

Ventajas del proceso FINEX

• Utilización de finos de mineral de hierro de baja ley como alimentación de óxido.
• Uso de carbones no coquizables como agente reductor.
• Control independiente de procesos de reducción y fusión.
• Economía ventajosa por costes de capital y operacionales significativamente reducidos.
• Beneficios ambientales.
• Flexibilidad en selección de materias primas y operación (ej. minerales con mayor Al₂O₃).
• Producción de HM similar en calidad al de AH.
• Gas de exportación con mayor CV utilizable para diversos fines (energía, DRI, productos químicos).
• Alternativa comercial probada para producción de hierro.
• Aplicación en planta integrada existente (brownfield) da sinergias con AH.