Granulación en Seco de Escoria de Alto Horno: Impulsando Recuperación Energética y Sostenibilidad

Granulación en Seco de Escoria de Alto Horno para Recuperación Energética

Se producen ~300 kg de escoria líquida como subproducto por cada tonelada de arrabio en alto horno (AH). Esta escoria está a ~1500 °C y tiene calor sensible ~400 Mcal/ton. La escoria es rica en CaO, SiO₂, Al₂O₃, MgO, componentes similares al cemento Portland.

Cuando la escoria líquida a alta temperatura se enfría lo suficientemente rápido, tiene gran porcentaje de fase vítrea con alta actividad cementicia y puede usarse como producto mayor valor, especialmente sustitución de cemento Portland. También reduce emisiones CO₂ porque fabricación cemento produce mucho CO₂.

Granulación Húmeda Convencional

Para obtener fase vítrea, la escoria líquida se somete a granulación por agua. Hoy, enfriamiento rápido en planta cerrada de granulación por agua es estado del arte. Enfriamiento rápido en agua previene cristalización y rompe escoria en partículas pequeñas por estrés térmico. La escoria se solidifica en granulado amorfo, llamada escoria granulada de AH. Tasa no cristalización puede alcanzar 95 %. Por contraste, fase vítrea por cristalización lenta en aire es limitada.

Sin embargo, granulación por agua consume grandes volúmenes agua (1000-1500 L pérdida evaporativa/ton escoria) y puede generar niebla ácida causando contaminación aérea. También necesita gestión adecuada agua y secado de escoria granulada. No solo se pierde calor sensible, sino que se necesita unidad secado aguas arriba para usar escoria en industria cementera. Secado consume energía ~72 Mcal/ton escoria.

Desarrollo Granulación en Seco con Recuperación Calor

En área de granulación en seco con recuperación calor, procesos en desarrollo en muchos países.

Progreso en Europa

• Merox Ltd (Suecia): Escoria granulada golpeando película descendente con partículas previamente solidificadas. Rompe película en gránulos que caen en lecho fluidizado multietapa desde donde se recupera calor. Se afirma >60 % calor sensible recuperable como vapor; producto alta fase vítrea apto para cemento.
• British Steel (Redcar, UK, años 90): Primeras pruebas granulación seca. Distancia taza atomizadora a pared ~10 m para evitar adherencia. Partículas con misma calidad y estructura amorfa que granulación húmeda. Parecía adecuado método seco pero no se escaló.
• Vitkovice (Rep. Checa, 2002-2004): Granulador menor diseñado para 20 kg/min escoria líquida, sin recuperación calor. Pruebas exitosas.
• Siemens VAI + Montanuniversität Leoben: Nuevo rig laboratorio DSG (Dry Slag Granulation) instalado. Socios: voestalpine, ThyssenKrupp, FEhS-Institut. Financiado por BMWi. DSG evita aspectos negativos granulación húmeda. Objetivos: (1) producir escoria granulada para cemento con propiedades casi idénticas (>95 % vítreo) a método húmedo; (2) obtener aire caliente de enfriamiento escoria para recuperación calor. Basado en principio "Copa Rotatoria" (Davy): escoria fundida atomizada por copa giratoria velocidad variable. Partículas fundidas se solidifican durante vuelo hacia pared antes de caer en lecho fluidizado desarrollado por partículas solidificadas.

Rig laboratorio en Leoben diseñado basado en resultados tests FEhS y modelado Siemens VAI para mejores parámetros operación produciendo escoria granulada alta calidad y mayores temperaturas aire salida. ~300 kg escoria fundida en "Flash-Reactor" por ensayo. Escoria vaciada en cubetas especiales revestidas refractario para evitar pérdidas calor. Cubeta manipulada a unidad basculante cerca granulador. Alimentación medida/controlada por celdas carga. Escoria entregada a centro granulador pasando canal y tubería vertical refractaria. Tras atomizar, gotas enfrían rápidamente durante vuelo hacia pared extendidas por copa giratoria rápida. Superficie partícula debe solidificarse en este corto tiempo antes de caer en lecho fluidizado desarrollado por partículas granuladas.

Trabajo en Australia (CSIRO)

Investigación CSIRO demostró escala laboratorio y piloto que granulación seca produce escoria apta sustituto cemento; calor liberado capturado por pequeño volumen aire → apto recuperación calor alto grado. Proyecto para desarrollar tecnología con énfasis en captura calor residual enfriamiento escoria y know-how escalado piloto a industrial. Parte de contribución industria acero australiana a Programa CO2 Breakthrough World Steel Association. Objetivo: proceso granulación seca que produzca escoria alto valor y permita captura/recuperación calor residual, demostrando beneficios techno-económicos, energéticos, sostenibilidad a escala piloto. También escalar tecnología y demostrar ensayos planta.

Concepto granulación seca integrada y recuperación calor demostrado con éxito en instalación piloto prototipo CSIRO. Proceso diseñado funcionó bien, operación suave condiciones variables y altas tasas vaciado escoria. Muchos tests con escorias AH industriales; productos granulados recogidos, caracterizados, evaluados propiedades cementicias. Evaluación terceros confirmó: escorias granuladas secas tienen buenas propiedades cementicias, aptas producción cemento.

Evaluación techno-económica indicó ventajas significativas granulación seca sobre húmeda en costos capital y operación. Visitas plantas para recopilar datos tasas vaciado y medir temperaturas escoria/arrabio en Whyalla (OneSteel) y Port Kembla (BlueScope). Datos evaluados para implementación granulación seca; resultados documentados.

Modelado CFD (dinámica fluidos computacional) avanzado del proceso granulación seca realizado con éxito. Modelo CFD transferencia calor y mecánica fluidos en atomización disco giratorio ensamblado y validado con datos experimentales piloto CSIRO. Plan negocio borrador para etapas posteriores desarrollado.

Trabajo en Japón

Tres esquemas en investigación:

• Sumitomo Metals: Granulación seca escoria AH donde chorro escoria se rompe al impactar tambor rotatorio. Partículas caen en lecho fluidizado donde se recupera calor. Objetivo: escoria particulada sustituto arena río y recuperar ~55 % calor escoria fundida en corriente aire caliente.
• Mitsubishi Heavy Industries + Nippon Kokan KK: Granulación escoria convertidor oxígeno básico (BOF) usando chorro aire potente para romper chorro escoria. Partículas solidifican al viajar por aire; calor recuperado por radiación spray partículas y lecho fluidizado donde caen.
• Kawasaki Steel: Recuperación calor escoria AH. Granulación por agitación mecánica; recuperación calor por radiación y luego de partículas granuladas en lecho fluidizado. Producto usado como agregado construcción.

Granulación Seca con Atomizador Copa Rotatoria Chorro Aire

Proceso esencialmente: atomizar escoria líquida y enfriar partículas rápidamente para producir escoria vítrea. Atomización con atomizador copa rotatoria chorro aire. Partículas enfrían viajando por aire y luego más en lecho fluidizado. Ambos proveen enfriamiento rápido necesario para formación producto vítreo.

Partículas diámetro medio ~2 mm producidas por atomizador → forma fácil manejo. Tests mostraron: partículas enfriadas lo suficientemente rápido para contenido vítreo >95 %. Muy poca lana escoria (slag wool) producida. Principio copa rotatoria en figura 1.

Figura 1: Principio del atomizador de copa rotatoria

Ventajas Atomizador Copa Rotatoria Chorro Aire

• Control fino fácil. Tamaño partícula controlable variando velocidad copa o caudal chorro aire. Produce rango tamaño partícula relativamente estrecho. Problema copa rotatoria en contacto con escoria fundida no limitación y solucionable con diseño cuidadoso y materiales correctos.
li>Potencia requerida considerablemente menor que atomizador doble fluido. Atomizador doble fluido necesita >20x potencia para atomizar escoria a partículas tamaño similar. Podría afectar ahorro costos recuperación calor hasta 5 %.
• Trayectoria partículas hacia afuera y arriba. Movimiento ascendente permite uso en ubicación con altura restringida entre punto entrega escoria y suelo, como en AH donde escoria suministrada desde piso casa colada usualmente 7 m sobre suelo.

Recuperación Calor de la Escoria

• Al moverse spray partículas desde atomizador, calor perdido por radiación a recipiente y convección a aire moviéndose a través. Tiempo vuelo corto (~0,1 seg) → temperatura cae solo ~100-200 °C.
• Al impactar pared recipiente, algo de calor transferido de escoria a pared. Tests mostraron: si pared mantenida relativamente fría, partículas no se adhieren sino rebotan inmediatamente o caen tras tiempo muy corto. Tiempo contacto <<0,1 seg; reducción temperatura ~150 °C.
• Más calor perdido por radiación/convección al caer partículas de pared a lecho fluidizado primario.
• Resto recuperación en lechos fluidizados, por transferencia calor solo a aire fluidizante o adicionalmente por tubos caldera inmersos u otras superficies transferencia. En lecho, aire fluidizante y sólidos salen a misma temperatura que sólidos en lecho. Temperatura lecho secundario debe elegirse cuidadosamente: si partícula muy caliente → calor recuperable desperdiciado; si muy fría → utilidad aire caliente descarga reducida.

Resultados Experimentales y Potencial

Trabajo experimental con objetivo inicial: investigar si atomización produce partículas pequeñas con estructura vítrea. Atomizador copa-aire construido: copa 100 mm diámetro, rango 500-1500 rev/min. Caudales escoria: 0,2-0,5 kg/seg. Tests restringidos ~2,5 min por capacidad limitada (~30 kg) horno laboratorio.

Tests iniciales demostraron: proceso funciona; partículas pequeñas con 95 % contenido vítreo. Tests adicionales investigaron tamaños partículas y trayectorias spray.

Calor sensible escoria fundida relativo a 30 °C al salir AH a 1500 °C: ~400 Mcal/kg. Del flujo total, ~14 % desbordaría acumulador escoria a desecho. Del 86 % restante, 32 % calor no recuperable porque:

• Calor latente cristalización no liberado al formarse escoria vítrea
• Producto sólido descargado proceso recuperación a 250 °C
• Pérdidas calor en acumulador escoria

Así, solo 58,5 % calor sensible escoria descargada AH recuperable.

Reto principal: asegurar congelación rápida escoria para alcanzar punto transformación muy rápido. Si no, escoria solidificada no totalmente vítrea sino parcialmente cristalina, inadecuada para cemento. Enfriamiento aire mucho más difícil por capacidad calor sustancialmente menor vs agua en plantas convencionales. Además aire calienta al fluir por lecho agitado → diferencia temperatura empeora proceso.

Campañas iniciales mostraron resultados prometedores: contenido vítreo, distribución tamaño grano, forma partícula. También aumento significativo temperatura gases salida medido. Con datos, optimización proceso y escalado para futuras investigaciones. Usando granulación seca en plantas siderúrgicas integradas accederán a calor sensible escoria AH. Energía recuperada usable para producción vapor, electricidad u otros precalentamientos útiles. Potencial: recuperar 20 MW energía térmica o ~6 MW generación eléctrica de alimentación escoria 1 ton/min. Sin necesidad sistema secado aguas arriba, energía y CO₂ ahorrados. En resumen: granulación seca escoria AH permite procesamiento posterior ambientalmente amigable y sostenible para uno de los grandes potenciales recuperación calor en AH moderno.