Proceso HIsarna: Producción de Hierro con Emisiones Ultra-Bajas de Carbono

El proceso HIsarna es un proceso de reducción por fundición para producir hierro líquido directamente de finos de mineral de hierro y carbón. Representa una forma nueva y potencialmente más eficiente de producir hierro, desarrollada para reducción sustancial de emisiones de carbono en la producción de hierro. Es una iniciativa del consorcio ULCOS (ultra low carbon dioxide steelmaking) de acerías europeas y combina la tecnología HIsmelt de Rio Tinto y la tecnología Isarna desarrollada en Tata Steel Ijmuiden. Elimina el preprocesamiento de materias primas necesario en el proceso de alto horno. Consiste en pre-reducción de finos de mineral en horno convertidor ciclónico (CCF) de tecnología Isarna y fundición de baño de hierro en recipiente de reducción-fundición (SRV) de proceso HIsmelt. El nombre deriva de combinar ambas tecnologías ("HI" de HIsmelt y "sarna" de Isarna, palabra celta para hierro). El proceso reduce tanto carbono como costos. HIsarna tiene lugar en un reactor especial con un horno ciclónico estrecho sobre un convertidor más ancho.

Eficiencia y emisiones

El proceso combinado es ~20% más eficiente energéticamente y produce menos emisiones de gases de efecto invernadero por tonelada de metal caliente comparado con tecnología media de alto horno, principalmente porque no requiere sinterización de mineral ni producción de coque. El metal caliente producido puede procesarse en acero en un horno de oxígeno básico convencional.

HIsarna consiste en un reactor donde el mineral de hierro se inyecta en la parte superior. El mineral se licúa en un ciclón de alta temperatura y gotea al fondo del reactor donde se inyecta carbón en polvo. El carbón reacciona con el mineral fundido para producir hierro líquido, material base para producir acero de alta calidad. Los gases que salen del reactor HIsarna son principalmente dióxido de carbono (CO2) concentrado.

Concepto global

El concepto HIsarna involucra contacto contracorriente de dos etapas entre mineral de hierro y gas de proceso. En ambas etapas la temperatura operativa está por encima de la de fusión. En etapa 1, mineral fundido parcialmente reducido se produce y fluye hacia abajo desde el CCF al SRV. Las dos etapas están altamente integradas físicamente y ambas se llevan a cabo en un solo reactor de fundición (Figura 1).

Figura 1 Reactor del proceso HIsarna

Desarrollo histórico

El primer intento de aplicar tecnología ciclónica para reducción de mineral fue en Koninklijke Hoogovens en los 1960s pero se abandonó. Otro intento serio en 1986 se puso en pausa por crisis económica hasta principios de 1990s. El proyecto se reactivó cuando el suministro de coque se volvió escaso a mediados de 1990s. La tecnología CCF se desarrolló a escala piloto con capacidades de 15-20 t/h de alimentación de mineral. El intento se detuvo de nuevo en 1999 por la exitosa implementación de inyección de carbón pulverizado en altos hornos.

HIsmelt comenzó originalmente por CRA (ahora Rio Tinto) en 1980s en planta piloto de 2 t/h en Maxhütte, Alemania, seguida por planta piloto de 8 t/h en Kwinana, Australia Occidental en 1990s. En 2001, Rio Tinto se asoció con Nucor Steel, Mitsubishi y Shougang Steel para construir planta comercial HIsmelt de ~800.000 t/a de metal caliente en Kwinana. La planta se construyó 2003-2005, operó 2005-2008, produciendo ~400.000 t de metal caliente. Sufrió problemas con equipos auxiliares causando baja disponibilidad y daño a refractarios. Sin embargo, tasa de producción y disponibilidad mejoraron constantemente, y para Q4 2008 producía hasta 1.800 t/día con 90% disponibilidad. Este nivel coincidía con la tasa de diseño al fundir hematita, y el proceso se consideró probado.

En 2004, la UE presionó a la industria siderúrgica para reducir su huella de carbono y se fundó el consorcio ULCOS. Durante 2005-2007, la tecnología ciclónica fue seleccionada como una de las cuatro tecnologías de alto potencial. Se encontró respuesta teórica a los problemas anteriores de la parte post-ciclón del horno ciclónico y ULCOS incorporó la tecnología HIsmelt mediante acuerdo con Rio Tinto para combinación ganar-ganar. Esto llevó a un proyecto de planta piloto respaldado por ULCOS en Europa. Esta combinación resultó en el proceso HIsarna.

En el CCF, la pre-reducción y fusión de finos de mineral ocurre en un ciclón de fundición. Mineral de hierro y oxígeno se inyectan en la unidad CCF en presencia de gas caliente del fundidor. El proceso se originó en el "alto horno convertido" (CBF) desarrollado 1986-1989. En CBF, mineral grumoso se pre-reduce altamente en horno de shaft con reducción final y fusión en baño de hierro donde carbón fino se gasifica. El proceso evita coquización pero no aglomeración de mineral y problemas ambientales relacionados. Para eliminar además la aglomeración, se desarrolló CCF, aplicando ciclón de fundición para pre-reducción y pre-fusión de mineral fino.

HIsarna combina precalentamiento y pirólisis parcial de carbón en reactor, ciclón de fundición para fusión de mineral y SRV para reducción final y producción de hierro. El ciclón de fundición y SRV están altamente integrados y operan como un solo horno de fundición. Mineral fino y fundente se alimentan al ciclón junto con oxígeno. Oxígeno de alta pureza se usa para combustar el gas de escape del SRV entrando por la base del ciclón. La combustión, preferiblemente completa, genera calor considerable. Este calor funde el mineral y lo calienta a temperatura del SRV (~1.450 °C). HIsarna se lleva a cabo en un recipiente de fundición (Figura 2) que combina CCF y SRV.

Figura 2 Tecnología HIsarna de producción de hierro

Flexibilidad en materias primas

HIsarna no necesita carbones metalúrgicos, pudiendo usar carbones térmicos más disponibles y de menor costo. En mineral de hierro, HIsarna puede rechazar fósforo a escoria. ~90% del fósforo va a escoria, resultado directo de su condición relativamente oxidante (escoria contiene 5-6% FeO). Aunque la tolerancia al fósforo no es problema mayor en algunas partes, abre posible explotación de minerales normalmente considerados demasiado altos en fósforo. Una segunda posibilidad para minerales no convencionales es la magnetita titanífera, caracterizada por altos niveles de TiO2 y contenido de hierro ~55-60%.

El mineral con altos niveles de alúmina no es apto para ruta de alto horno por malas propiedades de sinter y reducida productividad. HIsarna puede operar con escoria de alta alúmina porque el alto FeO en la escoria es un fundente natural. Estas características colocan a HIsarna en posición muy fuerte para uso de minerales de alta alúmina.

Pasos secuenciales del proceso

Finos de mineral y oxígeno puro se inyectan en porción CCF del recipiente, donde gas de escape caliente de porción SRV es quemado por el oxígeno. Los finos se separan del gas por flujo centrífugo. El calor generado funde y pre-reduce parcialmente el mineral. La reacción de reducción: Fe2O3 (s) + 2CO (g) = 4 FeO (l) + 2 CO2 (g). Mineral fundido parcialmente reducido fluye hacia abajo por gravedad al SRV inferior. El producto del ciclón consiste en mezcla fundida de Fe3O4 y FeO. Temperatura esperada ~1.450 °C y grado de pre-reducción ~20%.

En la parte superior del SRV, la utilización del calor de post-combustión (conversión CO a CO2) es esencial. El calor se captura por la salpicadura de escoria que circula por el espacio libre. La salpicadura también protege los paneles de refrigeración de la llama de post-combustión.

Carbón se inyecta a alta velocidad con gas portador (normalmente nitrógeno) en el baño. El objetivo primario es disolver carbono para el paso de fundición. Condiciones de inyección son críticas. Temperatura del baño ~1.400-1.450 °C con nivel de silicio ~cero en metal. Otras impurezas como manganeso también a niveles muy bajos. Fósforo y titanio parten mayormente a fase de escoria como óxidos.

Mineral fundido en esta etapa se disuelve directamente en la escoria. La mezcla metal-escoria se genera por la pluma de inyección de carbón. Esta mezcla crea gran área interfacial metal-escoria para fundición. Carbono disuelto en metal reacciona con oxígeno del mineral formando cantidad significativa de gas CO. Reacción: FeO(l) + C(s) = Fe(l) + CO(g). Es altamente endotérmica y ocurre en parte inferior del recipiente. Se necesita fuente de calor para mantener balance. Los óxidos de hierro en la escoria se reducen en la interfaz escoria/metal. Carbón inyectado suministra carbono y crea suficiente mezcla. Debido a esta mezcla, el contenido de FeO en escoria es relativamente bajo, típicamente 5-6%.

Gas CO de fundición, junto con gas portador (nitrógeno) y productos de desvolatilización del carbón constituyen flujo ascendente de gases combustibles calientes. Este movimiento genera gran cantidad de salpicadura, con metal y escoria ciclando por la porción superior como gotas. Oxígeno se introduce en sección superior mediante lanzas y se genera calor por combustión. El calor es transportado por estas gotas de región superior a inferior. El número de gotas pasando por zona de combustión es tan grande que el aumento promedio de temperatura por pasada en cada gota es <10 °C. Esto permite mover calor hacia abajo sin comprometer el gradiente de potencial de oxígeno (relativamente oxidante arriba y fuertemente reductor abajo).

Gas parcialmente quemado saliendo de porción SRV proporciona gas combustible caliente necesario para porción CCF. Este gas está típicamente a ~1.450-1.500 °C y tiene grado de post-combustión ~50%. Post-combustión (PC) = 100(%CO2 + %H2O) / (%CO + %CO2 + %H2 + %H2O). El objetivo es lograr casi 100% post-combustión en la parte superior del ciclón, en cuyo caso el gas de escape es CO2 concentrado libre de nitrógeno. Esto hace el proceso muy apto para combinación con almacenamiento de CO2.

Los productos se separan en dos capas fundidas (capa superior de escoria e inferior de metal caliente). Ambas pueden extraerse individualmente, y el metal caliente se envía para procesamiento en acería.

El gas de chimenea del proceso HIsarna es libre de nitrógeno al ser proceso basado en oxígeno. El gas totalmente utilizado tiene casi ningún valor calorífico residual. El tratamiento de gases de escape se muestra en Figura 3. Puede ser sin CCS (captura y almacenamiento de CO2) o con CCS.

Figura 3 Flujo de gases de escape sin y con CCS

Planta piloto

Una planta piloto HIsarna de 8 t/h de metal caliente con capacidad 60.000 t/a ha sido diseñada y desarrollada exitosamente en Tata Steel Ijmuiden, con varias campañas desde 2011. Desarrollada conjuntamente por Tata Steel y Rio Tinto. Más pruebas y desarrollo con socios adicionales: ArcelorMittal, ThyssenKrupp, Voestalpine, SSAB, LKAB, Paul Wurth. Además, la UE ha proporcionado financiación significativa. La Figura 4 muestra el diagrama de flujo de la planta piloto.

Figura 4 Diagrama de flujo de la planta piloto HIsarna

Hubo cinco campañas. El primer arranque en la primera campaña no fue exitoso. Las otras cuatro sí. Antes de cada campaña, quemadores precalientan el reactor a ~1.200 °C. Para arranque rápido, una primera carga de metal caliente se transportó en cuchara de 50 t desde alto horno a la planta piloto. Una vez vertido el metal, se calculó la franja máxima basada en temperatura y composición medida. Dentro de esta franja el proceso debía iniciarse para evitar riesgo de "hogar congelado".

Primera colada exitosa de hierro líquido: 20 mayo 2011. Tasa de inyección 60% de capacidad. Datos operativos mostraron proceso funcionando como esperado pero se necesitan más horas para confirmar. Horas operativas por debajo de expectativas. Sin embargo, objetivo de mostrar que la teoría funciona en práctica (producir hierro líquido sin preprocesamiento) se logró.

Segunda campaña: 17 octubre - 4 diciembre 2012. Objetivo de producir hierro líquido por período sostenido logrado. Producción al 80% de capacidad de diseño por periodos de 8-12 horas. En última corrida se alcanzó capacidad completa de 8 t/h.

Tercera campaña: 28 mayo - 28 junio 2013. Objetivo de producción sostenida y pruebas con diversos materiales logrado. Por primera vez, se hizo acero a partir de hierro líquido HIsarna.

Cuarta campaña: 13 mayo - 29 junio 2014. Objetivo de producción estable sostenida varios días logrado al final y pruebas con diversos materiales realizadas.

Quinta campaña: octubre 2017. Campaña de prueba de seis meses probando producción de hierro líquido por largas horas. Para preparación, instalación vio revisión significativa. Nuevo conducto de gas de escape instalado, aumentando altura >10 m (37 m punto más alto). Junto a planta piloto, se construyó instalación completa de molienda de carbón, secado y cribado de mineral y cal. Transportadores cerrados instalados para transportar materias primas desde almacenamiento a puntos de inyección. Capacidad de almacenamiento duplicada y laboratorio de análisis de gases añadido. Sistema de monitoreo electrónico reprogramado completamente. Estimado costo ~25 millones EUR.

Durante los seis meses, pruebas con chatarra de acero. Resultados mostraron hasta 53% de material en proceso puede ser chatarra. Luego concentración en identificar mezcla ideal, opciones para reciclar escoria de acero, probar uso de CO2 para inyectar materias primas, y verificar si CO2 puede capturarse y almacenarse, reduciendo emisiones 80%. Fase final: chatarra y biomasa usadas, reducción CO2 >50% lograda.

Tras éxito, siguiente etapa: diseñar, construir y probar planta piloto a mayor escala con inversión estimada 300 millones EUR. Se anticipa varios años de pruebas 2-3 veces tamaño actual en Tata Steel Ijmuiden. En noviembre 2018, se anunció nueva planta piloto a gran escala en Jamshedpur, India. Capacidad planificada: 400.000 t/a de metal caliente. Próxima escala: hasta 1 millón t/a eventualmente. Nueva planta no significa cierre de la actual en Ijmuiden. Figura 5 muestra dibujo del incinerador y dimensiones de escala del reactor CCF-SRV.

Figura 5 Dibujo del incinerador y escala del reactor CCF-SRV

Tras implementación a escala industrial, HIsarna producirá al menos 20% menos emisiones CO2 y usará al menos 20% menos energía comparado con proceso convencional. Es ideal para CCS por ausencia de nitrógeno en gases, compresibilidad por suficiente contenido CO2 y flujo de gas de paso único. Considerando CCS, hasta 80% reducción CO2 vs proceso convencional. Además de ahorros energéticos y de carbono (reducción costos), HIsarna puede eliminar 90% fósforo de proceso a escoria, permitiendo uso de mineral de hierro barato con alto fósforo no aceptado en alto horno convencional.

Características y beneficios importantes

CCF y SRV es combinación ganar-ganar. Características y beneficios incluyen: (i) calor para reducir y fundir mineral producido mediante oxígeno, (ii) elimina procesos de convertir mineral en sinter/pellet y coque en coque, (iii) usa materias primas de baja calidad, (iv) CO formado en SRV crea gases calientes para calor en CCF, (v) 20% más eficiente energéticamente y 20% menos intensivo en CO2, (vi) CO2 producido es puro y puede capturarse, almacenarse y usarse, llevando a mayor reducción emisiones (80% huella de carbono), (vii) mejora significativamente sostenibilidad de producción de acero, (viii) usa nitrógeno como gas portador para disolver carbono en metal caliente, (ix) no necesita procesadores intensivos en energía y altamente contaminantes, (x) captura de carbono altamente eficiente, (xi) puede usar biomasa o gas natural en lugar de carbón reduciendo emisiones CO2, (xii) inversiones y costos operativos menores por uso de amplia gama de alimentaciones, (xiii) necesita significativamente menor inversión de capital y produce metal caliente a costos operativos significativamente menores.

El atractivo de HIsarna radica en combinar beneficios ambientales y económicos. Proporciona fácil capacidad para capturar alta proporción (hasta 80%) de CO2 para almacenamiento geológico. Usa carbones térmicos en lugar de metalúrgicos y materiales de alimentación de mineral de baja calidad. Reducción 60-80% en emisiones de polvo, NOx, SOx y CO.