Generación y uso del gas de horno de coque en la producción de hierro

El coque es una entrada esencial para el proceso de producción de hierro. Para hacer coque, el carbón se calienta en ausencia de aire para expulsar la materia volátil (VM) de él. La conversión de carbón a coque se llama carbonización del carbón y el proceso se lleva a cabo en hornos de coque. Una batería de hornos de coque consiste en un número de hornos de coque. Actualmente, hay dos métodos principales de producir coque para alto horno.

El primer método consiste en un proceso de recuperación en el cual el carbón se calienta en una atmósfera completamente reductora y los productos volátiles se recuperan en una planta de subproductos asociada. Los hornos de coque usados para este método de carbonización de carbón se llaman hornos de subproductos y la batería de hornos de coque se llama batería de hornos de coque de subproductos. Durante la carbonización de carbón coquizable en una batería de hornos de coque de subproductos, la VM que consiste en alrededor de 25% a 30% del carbón cargado se expulsa como gas de efluente que deja las cámaras del horno de coque como gas de horno de coque crudo caliente. El gas de horno de coque crudo es un gas inflamable y tiene un color marrón amarillento y un olor orgánico.

En el segundo método, la carbonización del carbón se lleva a cabo en una batería de hornos de coque de no recuperación (también conocida como recuperación de calor, o recuperación de energía). En el proceso de no recuperación, se introduce aire encima de la parte superior de la cama de coque en el horno de coque y los productos volátiles generados durante la carbonización se combustan en el propio horno para proporcionar el calor requerido para el proceso de carbonización del carbón.

Planta de subproductos

La planta de subproductos es una parte integral del proceso de coquización de subproductos. La operación de cada horno es cíclica, pero la batería contiene un número suficientemente grande de hornos para producir un flujo esencialmente continuo de gas de horno de coque crudo. Los hornos individuales se cargan y vacían en intervalos de tiempo aproximadamente iguales durante el ciclo de coquización. La coquización prosigue por 15 a 18 horas para producir coque para AH. Durante este período, la VM del carbón se destila como gas de horno de coque crudo. El tiempo de coquización está determinado por la mezcla de carbón, contenido de humedad, tasa de disparo inferior, y las propiedades deseadas del coque. Cuando la demanda de coque es baja, los tiempos de coquización pueden aumentarse a 24 horas. Las temperaturas de coquización generalmente varían de 900 °C a 1100 °C. Se previene que el aire filtre en los hornos de coque manteniendo una contrapresión positiva en el colector principal. Los hornos de coque se mantienen bajo presión positiva manteniendo alta presión hidráulica del colector principal de alrededor de 10 mm columna de agua en las baterías. Los gases e hidrocarburos que evolucionan durante la destilación térmica se remueven a través del sistema de toma y se envían a la planta de subproductos para recuperación.

La gran cantidad de gas generada debido a la vaporización de la VM en el carbón durante la producción de coque en la batería de hornos de coque de subproductos se trata en una planta de subproductos adyacente. Durante el ciclo de coquización, el gas se produce durante la mayor parte del período de coquización. La composición y tasa de evolución del gas CO cambia durante el período y la evolución del gas CO normalmente se completa cuando la carga de carbón en la batería alcanza 700 °C. Este gas se conoce como gas de horno de coque crudo y se procesa en la planta de subproductos. Las funciones de la planta de subproductos son procesar el gas crudo para recuperar químicos valiosos del carbón y tratar el gas de horno de coque crudo suficientemente para que pueda usarse como un combustible limpio, ambientalmente amigable. El gas de horno de coque crudo después del tratamiento en la planta de subproductos se llama gas de horno de coque limpio o simplemente gas CO.

En la batería de hornos de coque de subproductos, el gas de horno de coque evolucionado deja las cámaras del horno de coque a altas temperaturas acercándose a 1100 °C. El gas CO crudo se enfría por evaporación adiabática de parte del licor de rociado (licor de lavado) a alrededor de 80 °C y se satura de agua. La temperatura del gas se vuelve lo suficientemente baja para que pueda manejarse en los colectores principales de gas. Desde el colector principal de gas, el gas de horno de coque crudo fluye al colector de succión. La cantidad de licor de lavado rociado en el gas caliente que sale de las cámaras del horno es mucho más de lo requerido para enfriamiento, y el licor de lavado restante que no se evapora proporciona una corriente líquida en el colector principal de gas que sirve para arrastrar alquitrán condensado y otros compuestos. La corriente de licor de lavado fluye por gravedad al colector de succión junto con el gas de horno de coque crudo. El gas de horno de coque crudo y el licor de lavado se separan usando una olla de drenaje (el downcomer) en el colector de succión. El licor de lavado y el gas de horno de coque crudo luego fluyen por separado a la planta de subproductos para tratamiento. La composición típica de los componentes principales en el gas de horno de coque crudo está en la Tabla 1.

El gas crudo saturado que viene de la batería de hornos de coque contiene alrededor de 46% a 48% de vapor de agua. Otros componentes del gas crudo contienen hidrógeno (H2), metano (CH4), nitrógeno (N2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), parafinas altas e hidrocarburos insaturados (etano, propano, etc.), y oxígeno (O2), etc. El gas de horno de coque crudo también contiene varios contaminantes, que le dan al gas de horno de coque sus características únicas. Estos consisten en: (i) componentes de alquitrán, (ii) gases ácidos de alquitrán (gases fenólicos), (iii) gases base de alquitrán (bases de piridina), (iv) benceno, tolueno y xileno (BTX), aceite ligero y otros aromáticos, (v) naftaleno, (vi) gas amoníaco, (vii) gas sulfuro de hidrógeno, (viii) gas cianuro de hidrógeno, (ix) cloruro de amonio, y (x) disulfuro de carbono.

Para hacer el gas de horno de coque crudo adecuado para uso como gas combustible limpio, ambientalmente amigable, la planta de subproductos debe llevar a cabo ciertas funciones que incluyen: (i) enfriar el gas de horno crudo para condensación de vapor de agua y contaminantes, (ii) remover alquitrán y naftaleno para prevenir ensuciamiento de líneas de gas/equipos, (iii) remover amoníaco (NH3) para prevenir corrosión de líneas de gas, (iv) remover aceite de benceno para recuperación y venta de benceno, tolueno y xileno (BTX), y (v) remover sulfuro de hidrógeno para cumplir regulaciones locales de emisiones que gobiernan la combustión de gas de horno de coque. El diagrama de flujo del tratamiento del gas de horno de coque crudo se da en la Figura 1.

Los efectos de la recuperación de subproductos del gas de horno de coque son: (i) reducción en el volumen de gas de horno de coque, (ii) reducción en el valor calórico del gas, (iii) efecto en la temperatura de llama y volumen de llama, y (iv) alteración en la densidad y composición del gas. El gas de horno de coque limpio es un gas incoloro con un olor característico de sulfuro de hidrógeno e hidrocarburos.

El gas CO crudo puede contener hidrógeno, metano, nitrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, etano, oxígeno, etileno, y benceno. También puede contener algunas cantidades de amoníaco, sulfuro de hidrógeno, vapor de agua, ciclopentadieno, tolueno, naftaleno, cianuro de hidrógeno, cianógeno, y óxido nítrico. Una composición típica de gas de horno de coque limpio se da en la Tabla 2.

El rendimiento final de gas de horno de coque limpio después del tratamiento en la planta de subproductos es de alrededor de 300 Nm³ por tonelada de carbón seco. El rendimiento de gas depende de: (i) materia volátil en el carbón de carga y (ii) condición de carbonización. La densidad del gas CO a temperatura y presión estándar está en el rango de 0.45 kg/m³ a 0.50 kg/m³. El gas CO tiene un valor calórico que varía entre 4000 kcal/Nm³ a 4600 kcal/Nm³. Tiene una temperatura de llama teórica de 1982 °C. Tiene una tasa de propagación de llama que permite que su temperatura de llama real esté cerca de su temperatura de llama teórica. El gas CO transporta alrededor del 18% de la energía de entrada en una batería de horno de coque y subproductos (Figura 2).

Los datos analíticos indican que los COV (Compuestos Orgánicos Volátiles) peligrosos colectivamente comprenden mucho menos del 1% por volumen de gas CO después del tratamiento convencional de gas CO crudo en una planta de subproductos. Por tanto, la combustión de gas CO en unidades de combustión bien mantenidas y operadas como calentadores de proceso, calderas, etc., resulta en niveles muy bajos de emisiones de COV. Las emisiones de materia particulada filtrable (MP) de la combustión de gas CO son típicamente bajas. Las emisiones de metales COV de gas CO no son significativas.

Usos del gas de horno de coque

El gas de horno de coque forma un componente mayor en el balance energético de la planta siderúrgica. Normalmente se usa en calentamiento de batería de hornos de coque, calentamiento en otros hornos de la planta siderúrgica, y para generación de energía. El gas de horno de coque puede usarse tal cual o puede mezclarse con el gas de alto horno antes de ser usado como combustible en un horno.

El gas CO también puede usarse como reductor en alto horno. La inyección de gas CO es un proceso que involucra inyectar grandes volúmenes de gas de horno de coque en la rasera de un alto horno. Esto no solo proporciona una fuente de carbono suplementaria, sino que también acelera la producción de hierro líquido además de reducir la necesidad de coque metalúrgico para reacciones en el alto horno. La tecnología de inyección de gas CO también reduce las emisiones absolutas de CO2 así como emisiones de SO2 del alto horno.

La producción de DRI (hierro reducido directo) en la ruta siderúrgica integrada basada en la utilización de gas CO disponible es un fenómeno muy reciente. El uso de gas CO para la producción de DRI tiene varias ventajas tanto desde perspectivas económicas como ambientales. El uso de gas CO sobrante como gas reductor para producir DRI recupera el 97% de la energía disponible comparado con recuperar el 30% al 40% quemando el gas CO para producir energía eléctrica. La utilización de gas CO se muestra en la Figura 3.

Según un estudio de 2007 de la Agencia Internacional de Energía, alrededor del 70% del gas CO se está usando en procesos de producción de hierro y acero, 15% para calentamiento de horno de coque, y 15% para producción de electricidad. Además, el estudio establece que usando más del gas CO para generación de energía (preferiblemente por técnica de generación de ciclo combinado más eficiente que puede proporcionar eficiencias de alrededor del 42% en oposición a uso en plantas de energía basadas en calderas que trabajan en ciclos de vapor con una eficiencia promedio de alrededor del 30%, se pueden lograr mejoras en eficiencias energéticas.