Inyección de Gas de Coque en Alto Horno: Eficiencia y Reducción de CO2

La industria del hierro y el acero es uno de los principales consumidores de energía y, por tanto, responsable de altas emisiones de dióxido de carbono (CO2). A pesar de la notable disminución de las emisiones específicas de CO2 por la mayoría de las plantas siderúrgicas, la cantidad total de emisiones de CO2 está creciendo en todo el mundo debido al aumento continuo de la producción de acero, que ha alcanzado un nivel de 1606 millones de toneladas en 2013. Hoy en día, la industria siderúrgica enfrenta una demanda creciente de minimizar el consumo de energía y las emisiones de gases, especialmente de los procesos de reducción de hierro. El uso eficiente de los gases subproductos es esencialmente importante para la rentabilidad de la operación de la planta siderúrgica debido a los altos volúmenes de energía y los costos involucrados. La inyección de gas de coque (GDC) en el alto horno moderno es una de las medidas efectivas para que la industria siderúrgica logre una reducción de hierro baja en carbono, ahorro de energía y reducción de emisiones.

Origen y Composición del Gas de Coque

El coque es un insumo esencial para el proceso de reducción de hierro y se produce calentando carbón en hornos de coque. Para hacer coque, el carbón se calienta en ausencia de oxígeno para expulsar la materia volátil. El GDC se produce como subproducto del proceso en el caso de baterías de hornos de coque de subproductos normalmente instaladas en plantas siderúrgicas. La cantidad específica de GDC generada durante la coquización en hornos de coque de subproductos está en el rango de 290 a 340 Nm³/t de carga de carbón, dependiendo de las materias volátiles en la carga.

El GDC se usa actualmente después de su limpieza de alquitrán, naftaleno, benceno crudo, amoníaco y azufre para calentamiento de estufas de alto horno, hornos de ignición en planta de sinterización, hornos de recalentamiento en laminadores y generación de energía eléctrica en central térmica.

El GDC tiene una composición que consiste en aproximadamente 55%-58% H2, 25%-27% CH4, 6%-7% CO y pequeños porcentajes de CO2, N2, hidrocarburos y otros elementos. Dado que la composición del GDC es rica en hidrógeno, ha atraído mucha atención en años recientes para su utilización en procesos de reducción.

Inyección de GDC en el Alto Horno

El GDC también puede ser un reductor en el alto horno. La inyección de GDC es un proceso que implica inyectar grandes volúmenes de gas de coque en la zona de combustión (raceway) de un alto horno (AH). Esto proporciona no solo una fuente suplementaria de carbono, 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 GDC también reduce las emisiones absolutas de CO2 y SO2 desde el alto horno.

Los ensayos con inyección de gas en el alto horno se realizaron en EE. UU. a mediados de la década de 1990.

En un esfuerzo por ahorrar energía y reducir costos, USS (US Steel) desarrolló un sistema en sus instalaciones de Mon Valley, ubicadas cerca de Pittsburgh, Pensilvania, que les permitió usar GDC en sus altos hornos. Aunque otros siderúrgicos en Norteamérica lo intentaron, USS fue el primero en usar GDC exitosamente en altos hornos. Para lograr esto, USS limpia a fondo el gas, aumenta su presión y usa toberas de alto horno modificadas. La implementación de este proyecto costó alrededor de 6 millones de USD y resultó en un ahorro anual de 6.1 millones de USD, dando un retorno de inversión simple de poco menos de un año. Además del ahorro de costos, la inyección de GDC en el alto horno también contribuyó a la disminución del consumo de energía y emisiones de CO2.

Efectos en la Zona de Combustión y Reducción

La inyección de GDC en el alto horno influye en las condiciones de la zona de combustión y la reducción de mineral de hierro. La combustión de hidrocarburos del GDC frente a las toberas por el oxígeno del soplete resulta en el desarrollo de gases de monóxido de carbono e hidrógeno, lo que aumenta el potencial de gas reductor por cuenta del N2. Los cálculos teóricos y ensayos comerciales realizados sobre el reemplazo de gas natural con GDC en AH mostraron menor consumo de coque y mayor producción de arrabio. La alta eficiencia del GDC se debe a que contiene 3.5-4 veces menos hidrocarburos en comparación con el gas natural. Esto mejora la combustión en el hogar de la tobera, activa la columna de coque y aumenta la utilización de gases en el horno. Se ha observado que un mayor volumen y mayor poder calorífico del gas de tope del AH pueden generarse mediante la inyección de GDC. También la temperatura media debido a la inyección de GDC aumenta con la distancia desde la punta de la lanza.

Debe señalarse que las condiciones en la zona de combustión son muy complejas e influyen en las condiciones en la tobera y, por tanto, en la combustión de los gases reductores. Además, el aumento de temperatura es mayor en el caso de inyección de GDC debido a una combustión más completa y al alto poder calorífico del gas (alrededor de 4000 a 4400 kcal por metro cúbico normal).

El GDC inyectado a nivel de tobera normalmente va acompañado de enriquecimiento de oxígeno del soplete caliente. El GDC necesita comprimirse para la inyección y, por tanto, requiere una unidad de compresor, lo que significa un aumento en el consumo de energía. La inyección de oxígeno al soplete reduce el flujo específico del gas causando una reducción en la temperatura de tope y un aumento en la temperatura adiabática de llama en la tobera (RAFT). Estos efectos son compensados por la inyección de GDC. Así, una inyección combinada de oxígeno y GDC a nivel de tobera aumenta la productividad del alto horno. Cada 1% de enriquecimiento de oxígeno del soplete caliente mejora la productividad en un 2.0% a 2.5%. Un diagrama esquemático típico de inyección de GDC en alto horno se muestra en la Fig. 1.

Fig. 1 Diagrama esquemático de inyección de GDC en alto horno

Prácticas Operativas y Modelado

La inyección de GDC en el alto horno se practica en algunos países con diferentes tasas de inyección que van desde aproximadamente 30 a 280 Nm³/tHM. En algunos altos hornos, el GDC se inyecta solo ocasionalmente porque su disponibilidad gratuita en la planta integrada es limitada. La flexibilidad de la utilización del GDC puede mejorarse ya que el gas puede moverse entre el alto horno y algún otro usuario del gas disponible, dependiendo de la necesidad del momento. Así, el gas inyectado en el alto horno sustituye agentes reductores alternativos que tienen que comprarse de fuentes externas.

Además, se ha reportado que el nivel máximo de inyección de GDC en la tobera del alto horno se cree que es de 0.1 t GDC/tHM según las condiciones termoquímicas. La relación de reemplazo coque/GDC lograda normalmente es de 0.4-0.45 kg/Nm³ (alrededor de 0.98 t de coque/t de GDC) comparado con 0.8-0.85 kg/Nm³ para gas natural (GN).

Se ha desarrollado un modelo matemático por MEFOS, Suecia, para una tobera de inyección en un alto horno para simular la combustión al inyectar gas reductor. El modelado matemático sobre la inyección de GDC en las toberas del alto horno indicó que mejores condiciones de combustión y mayores tasas de inyección se logran usando dos lanzas de inyección comparado con una. La inyección de GDC con una sola lanza resultó en: (i) visión muy inhomogénea de temperatura y velocidad, (ii) el flujo llega al final de la zona de combustión con alta velocidad, (iii) temperaturas más altas al final de la zona de combustión, y (iv) no sobrecalentamiento de la tobera. La inyección de GDC con dos lanzas resultó en: (i) profundidad de penetración significativamente disminuida, (ii) distribuciones más homogéneas de temperatura, velocidad y concentración de gas, (iii) combustión más uniforme similar a la inyección de fueloil pesado, y (iv) no sobrecalentamiento de la tobera. Otros puntos relacionados con el uso de una o dos lanzas en un alto horno típico se dan a continuación:

• Al usar una lanza de inyección, la cantidad máxima de inyección es 10,000 Nm³/h. Si la cantidad es mayor, parte del gas no combustará en la tobera sino que entrará al alto horno sin quemar.
• Para dos lanzas de inyección, la cantidad máxima de inyección aumenta a 15,000 Nm³/h, debido a mejores condiciones de combustión. Las condiciones son mejores ya que la velocidad de entrada del gas es menor, la turbulencia en la tubería de la tobera se incrementa, y más gas de coque está en contacto con el soplete, es decir, el área de reacción es mayor.
• El efecto de variar los ángulos de inyección de las lanzas sobre los resultados predichos no es obvio.

Un esquema de un sistema típico de lanza de tobera se muestra en la Fig. 2. Incluye dos lanzas de inyección para GDC, insertadas en la tubería de soplete, una tubería de soplete y una tobera de cobre.

Fig. 2 Sistema típico de lanza de tobera con dos lanzas