Optimización de la Producción de Hierro Reducido Directo (DRI) usando Gas de Coque como Reductante

El hierro reducido directo (DRI) se define técnicamente como mineral de hierro que ha sido reducido a metal sin fundirlo. Un proceso de producción de DRI es aquel en el que el hierro metálico sólido se obtiene directamente del mineral de hierro sólido sin someter el mineral o el metal a fusión. Los principales procesos de producción de DRI son basados en gas o en carbón. El material de alimentación en un proceso DRI es mineral de hierro dimensionado a 10-30 mm o pelotas de mineral de hierro producidas en una planta de pelletización.

Procesos Basados en Gas y Uso de Gas de Coque

En la planta basada en gas, el reactor donde ocurre la reacción de reducción es un horno de eje. Este funciona en principio de contracorriente donde el material de alimentación ferruginoso desciende por gravedad y se reduce por los gases reductores que fluyen hacia arriba. En un proceso basado en gas se usan combustibles gaseosos que deben poder reformarse o craquearse para producir una mezcla de H2 (hidrógeno) y CO (monóxido de carbono). El gas natural con alto contenido de metano es el más usado. El gas natural se reforma para enriquecerlo con mezcla de H2 y CO y esta mezcla reformada y enriquecida se precalienta.

El gas de coque (GDC) es un subproducto del proceso de coquización en batería de hornos de coque de subproductos. El GDC consiste en una mezcla compleja de gases. Su composición típicamente consiste en 55% H2, 6% CO, 25% CH4 (metano), más pequeños porcentajes de CO2, H2O (humedad), alquitranes pesados, hidrocarburos volátiles e impurezas de azufre. También contiene algo de N2 (nitrógeno). El GDC se usa típicamente como gas combustible para varias aplicaciones de calefacción dentro de la planta siderúrgica, y el GDC excedente se usa para producir vapor, energía eléctrica o se quema en antorcha. El uso de GDC para producción de DRI siempre ha sido de interés, pero el desafío ha sido convertir el metano a CO y H2 y la limpieza de alquitranes e hidrocarburos volátiles. Cada tonelada de coque producido genera GDC suficiente para producir una tonelada de DRI.

La producción de DRI en la ruta siderúrgica integrada basada en la utilización del GDC subproducto disponible es un fenómeno muy reciente. El uso de GDC tiene varias ventajas tanto desde perspectivas económicas como ambientales.

El uso de GDC excedente como gas reductor para producir DRI recupera el 97% de la energía disponible comparado con recuperar 30%-40% quemando el GDC para producir energía eléctrica.

Los dos principales procesos, Midrex y HYL, han adoptado dos enfoques diferentes para el uso de GDC para producción de DRI basado en gas.

Proceso Midrex

Midrex comenzó a buscar métodos de uso de gas de coque en reducción directa en la década de 1970. El problema principal era la presencia de hidrocarburos insaturados, alquitranes y líquidos, así como altos niveles de metano y compuestos de azufre en el gas crudo. Los primeros estudios se enfocaron en condicionar el gas para usarlo como componente de gas de alimentación para un reformador Midrex.

Basándose en desarrollos en tecnología de oxidación parcial, Midrex decidió investigar la posibilidad de usar esta tecnología para condicionar GDC como gas reductor apropiado para el proceso MXCOL. Sin embargo, el inconveniente de la oxidación parcial siempre ha sido la adición necesaria de vapor a los reactantes para reducir la formación de hollín resultante de las reacciones de oxígeno.

Alrededor de mediados de 2011, Praxair desarrolló una tecnología de oxidación parcial que ofrecía comercialmente. Esta tecnología tiene características únicas que ofrecen el potencial de hacer oxidación parcial de hidrocarburos, libre de hollín, sin inyección de vapor. Cuando esta tecnología se combina con una cámara de reacción térmica extendida en la que se inyecta una corriente de GDC precalentado, el gas de producto que sale del reactor es adecuado para usar como fuente de reductante para reducción directa. Todo este grupo de equipos, incluyendo compresión de gas, precalentamiento y reacción, constituye el sistema de reactor térmico (TRS).

El TRS emplea la tecnología de Praxair para oxidación parcial de GDC. El sistema produce un chorro de oxígeno caliente de velocidad extrema in-situ que envuelve rápidamente el GDC precalentado, reforma el metano, descompone hidrocarburos pesados y destruye los alquitranes sin necesidad de catalizador. El gas de síntesis reformado sale del TRS y se alimenta al horno de eje para producir DRI.

Durante pruebas a escala piloto, se logró más del 96% de destrucción de alquitrán junto con reformado de metano optimizado. Además, se desarrollaron condiciones operativas para evitar generación neta de hollín.

Estos resultados de prueba a escala piloto se escalaron en una planta de demostración a escala 1/20 en las amplias instalaciones de investigación de Midrex en Charlotte, NC. Los resultados típicos obtenidos de las operaciones de prueba de demostración de GDC se dan en la Tabla 1.

Tabla 1: Resultados típicos de operaciones de demostración de GDC

Componente	Análisis GDC Entrada TRS	Análisis Gas Síntesis Salida TRS
CO	4-6%	22-28%
CO2	1-3%	1-3%
H2	55-65%	55-65%
H2O	0.4-0.8%	0.5-2.5%
CH4	20-30%	0.5-3.0%
N2	2-4%	3-8%
BTX	0.3-2.0%	0.0%
HHC	0.2-0.6%	0.0%
Hollín	—	0.01 mg/Nm³

Las dos principales opciones de TRS disponibles para uso de GDC son con diagrama de flujo MXCOL y con reformador Midrex.

• Uso de GDC con proceso MXCOL: El proceso MXCOL se desarrolló originalmente para utilizar gas de síntesis de gasificadores de carbón para producir DRI. Incorpora un sistema de eliminación de CO2, típicamente usando tecnología de eliminación basada en solución de amina, y un calentador de tubos radiantes para calentar el gas reductor y gas de síntesis antes del soplete del horno. El diagrama de flujo típico del proceso MXCOL con uso de GDC se muestra en Fig. 1.

Fig. 1 Diagrama de flujo típico del proceso MXCOL con uso de GDC

• Uso de GDC con reformador Midrex: El TRS puede suplementar el suministro existente de gas de síntesis necesario para cada tonelada de DRI. La adición de GDC directamente en el diagrama de flujo estándar Midrex puede lograrse añadiendo el gas a la zona de transición o al gas de soplete como se muestra en 1 de Fig. 2. Al hacer esto, las temperaturas de la zona metalúrgica y la actividad de reformado de la zona metalúrgica destruyen y convierten los alquitranes e hidrocarburos volátiles en el GDC. Sin embargo, el problema es que cuando la tasa de adición de GDC alcanza un punto crítico, la planta alcanza una condición de combustible de exportación en la que se genera más combustible de gas de tope del que el reformador puede consumir. El GDC también puede usarse como combustible de quemador (2), pero el efecto neto es que el GDC suministrado a los quemadores generará una cantidad de exportación de combustible de gas de tope. La adición de GDC en el gas de soplete (3) o gas de alimentación (4) puede hacerse usando un TRS, lo que también requiere la adición de un sistema de eliminación de CO2 para controlar el combustible de exportación que resultaría de la adición de GDC.

Fig. 2 Diagrama de flujo típico mostrando uso de GDC (TRS) con reformador Midrex

Proceso HYL (Energiron)

Según el estado actual de la tecnología, el proceso HYL ZR (Auto-reformado) se desarrolló para permitir la reducción de minerales de hierro en un horno de eje sin equipo externo de reformado de gas. Este esquema de proceso tiene la capacidad de producir DRI de alto carbono, lo que permite a los productores obtener máximos beneficios del carbono en el proceso de fabricación de acero. La reciente alianza entre Tenova HYL, Techint y Danieli trae un nuevo nombre de marca para este proceso: "Energiron".

En regiones donde el gas natural es costoso o tiene baja disponibilidad, el proceso puede configurarse fácilmente para operar usando GDC, gas de síntesis de gasificadores de carbón y otras fuentes de hidrocarburos.

Dado que todos los gases reductores se generan en la sección de reducción, aprovechando el efecto catalítico del hierro metálico dentro del horno de eje, se alcanza la eficiencia óptima de reducción. Así, no se requiere reformador externo de gas reductor.

El esquema básico de Energiron permite la utilización directa de gas natural. Por supuesto, las plantas Energiron también pueden usar el equipo convencional de reformado vapor-gas natural, que ha caracterizado al proceso por largo tiempo. Otros agentes reductores como GDC, hidrógeno, gases de gasificación de carbón, coque de petróleo y combustibles fósiles similares, entre otros, son también fuentes potenciales de gas reductor dependiendo de la situación y disponibilidad particulares. El diagrama de flujo del proceso está en Fig. 3.

Fig. 3 Diagrama de flujo del proceso HYL-ZR

Adicionalmente, la planta DR puede diseñarse para producir DRI de alto carbono, DRI caliente, que puede alimentarse directamente a un horno de arco eléctrico adyacente a través del sistema HYTEMP o a unidades de briqueteo para producir HBI o cualquier combinación de estos productos.

La eficiencia energética general del proceso ZR se optimiza por la integración de alta temperatura de reducción (superior a 1050 °C), reformado "in-situ" dentro del horno de eje, así como por una menor utilización de equipos térmicos en la planta. Por tanto, el producto se lleva la mayor parte de la energía suministrada al proceso, con pérdidas mínimas al medio ambiente.

El proceso permite alcanzar niveles de carbono hasta 5.5%, debido al potencial de carburización mejorado de los gases dentro del reactor y la mayor parte del carbono está presente en forma de carburo de hierro.

Aunque las composiciones químicas de GDC y gas natural (GN) son bastante diferentes, el GDC puede usarse directamente en el proceso ZR con la misma configuración básica; de hecho, la composición del gas que entra al reactor es muy similar como se indica en Fig. 4 para tanto ZR basado en gas natural como ZR basado en GDC. El requerimiento típico de GDC para producción de DRI, basado en el proceso HYL-ZR, es de aproximadamente 9.5 GJ/t DRI, para un DRI de 94% metalización y 4% carbono.

Fig. 4 Comparación de reducciones basadas en GDC y GN