Turbina de Recuperación de Presión de Tope para Gas de Alto Horno: Optimizando la Eficiencia Energética

Los altos hornos modernos en plantas siderúrgicas operan a alta presión de gas de tope. El gas de alto horno (GAH) que sale del AH en la parte superior mantiene aún una presión de alrededor de 1.6 a 3 kg/cm² (g) y tiene una temperatura de alrededor de 200 °C. Este gas que sale por la parte superior se limpia para remover polvo y el gas limpio se usa en la planta como combustible para calefacción a presión relativamente baja. En el proceso, una gran cantidad de energía de presión se pierde a través de la válvula. La turbina de recuperación de presión de tope (TRT) es un mecanismo que utiliza la energía de calor y presión del gas de tope para accionar una turbina. El trabajo generado se transfiere a un generador y se convierte en energía eléctrica. La TRT genera energía explotando una propiedad conocida de todos los gases: la expansión del volumen con la reducción de presión. El sistema comprende equipos de recolección de polvo, una turbina de gas y un generador.

Principio y Beneficios

La TRT es básicamente una medida de ahorro de energía en el AH que utiliza la energía de presión residual del gas de tope para generar energía eléctrica. Una unidad TRT puede producir alrededor de 15 a 60 kWh/t de arrabio (HM). Su salida puede cubrir alrededor del 30% de la energía necesaria por todos los equipos (incluyendo el soplador) del AH. El gas que sale de la unidad TRT aún puede usarse como combustible en la planta.

Durante el proceso de reducción de hierro, se produce gas de AH con alta presión y temperatura. En la práctica convencional, la energía del gas se desperdicia por reducción de presión en válvula de septum. Equipar una unidad TRT es la mejor manera de recuperar las energías de presión y térmicas del gas. La unidad TRT se instala normalmente downstream del equipo de limpieza de gas para un alto horno. Normalmente es económico equipar con TRT los altos hornos con capacidades mayores a 1,000 m³.

El sistema TRT es un sistema de generación de energía que convierte la energía física del gas de tope de alta presión en electricidad usando una turbina de expansión. Aunque la diferencia de presión es baja, los grandes volúmenes de gas hacen que la recuperación sea económicamente factible. La tecnología clave de la TRT es asegurar la operación estable y de alta eficiencia de la turbina de expansión en condiciones de gas de alto horno polvoriento, sin obstaculizar la operación del AH.

Parámetros Clave

Hay varios parámetros clave para una unidad TRT que determinan su desempeño y potencia de salida:

• Volumen de gas de tope del AH
• Presión del gas en la parte superior del AH
• Caída de presión a través de la planta de limpieza de gas (PLG)
• Temperatura del gas después de la PLG
• Presión del gas en la salida de la TRT
• Calidad del gas en la parte superior del AH
• Eficiencia de la TRT
• Eficiencia del generador acoplado a la TRT

El gas de tope del AH típicamente contiene alrededor de 5 g/Nm³ de polvo y debe pasar por una PLG para reducir el polvo a menos de 5 mg/Nm³. La reducción es necesaria para la operación correcta de la TRT.

Los sistemas de gas de tope con unidades TRT se categorizan como sistemas húmedos y secos de limpieza de gas, dependiendo del método para remover partículas. Los sistemas secos usan menos agua y electricidad. Tienen menor caída de presión y la temperatura del gas es más alta en alrededor de 50 °C comparado con el sistema húmedo. Con limpieza seca, el sistema TRT puede producir típicamente 30% más energía con posibilidad de generar hasta 60% más. Los sistemas secos tienen, por tanto, economías más favorables.

Tipos de Turbinas

Hay dos tipos de turbinas: radiales y axiales. Actualmente, las turbinas axiales son ampliamente usadas en TRT porque son más apropiadas para manejar grandes volúmenes de flujo. La TRT es usualmente una turbina de expansión multietapa de tipo variable con diseño de flujo axial y reacción, normalmente provista de carcasa de división horizontal y velocidad de gobernador de 3,000 rpm. Normalmente adopta generador síncrono de excitación sin escobillas. El generador suele diseñarse para operar bajo todas las condiciones de carga impuestas por la turbina. El generador TRT usualmente genera a 6.6 kV y luego se eleva a 33 kV a través de transformador elevador 6.6/33 kV.

Control de Presión de Tope

La estabilidad de la presión de tope es de importancia clave. La pequeña fluctuación es ventajosa para la operación del AH. La presión se controla abriendo o cerrando las palas del estator de la primera etapa de la turbina de acuerdo con el aumento o disminución del volumen de gas. Con una turbina convencional, también se usaba una válvula de gobernador en combinación para controlar la presión. Sin embargo, la válvula induce una mayor pérdida de presión en comparación con las palas del estator, siendo desventajosa para recuperación de energía y prevención de ruido. Por tanto, en el sistema ampliamente usado ahora, la válvula de gobernador se elimina y la presión se controla solo por las palas del estator de la primera etapa.

Diagrama de Flujo y Operación

El diagrama esquemático típico para sistemas TRT húmedos y secos se muestra en Fig. 1.

Fig. 1 Diagrama esquemático típico para sistemas TRT húmedos y secos

Después de que el polvo es recolectado por el equipo de limpieza, el gas limpio es llevado a la turbina a través de una válvula mariposa de entrada y una válvula de gollete de entrada. Válvulas de bypass normalmente cerradas y válvula de cierre de emergencia normalmente abierta se usan para casos de emergencia.

En la TRT, el trabajo mecánico generado por la turbina se transfiere a un generador para energía eléctrica. El gas de baja presión y temperatura entra a la línea de gas a través de la válvula de gollete de salida.

La operación de la TRT se divide en dos fases: (i) fase de arranque y (ii) fase de operación normal. En la fase de arranque, se verifican todas las preparaciones como el subsistema hidráulico. Luego se envía señal de arranque al operador del AH. Si este acepta, se abren la válvula mariposa de entrada y la de cierre de emergencia. La velocidad de la turbina se controla por la válvula mariposa y la presión de tope por las válvulas de septum. Hasta que la turbina alcance la velocidad requerida, las válvulas de septum se cierran lentamente. Luego la fase de arranque se convierte en operación normal. En esta fase, la presión de tope es regulada totalmente por las palas del estator de la primera etapa.

Bajo circunstancias donde la presión y volumen de gas de tope deseados no estén disponibles, los gases pueden derivar la TRT. Una válvula de gollete de alta presión tipo cerrado, provista en el circuito, asegura operación ininterrumpida del AH bajo circunstancias de aislamiento completo de la TRT (ej. durante mantenimiento).

El sistema TRT puede sincronizarse con el sistema de distribución de energía de la planta. La planta TRT usualmente tiene la misma disponibilidad que el AH, que es 350 días de operación anual. El consumo auxiliar de la central TRT es muy bajo.

Ventajas y Sostenibilidad

La TRT es una tecnología probada con muy poco riesgo en su instalación u operación. Si el sistema falla, el gas en expansión se acomoda en el lavador existente. Esto es normal en AH que no tienen TRT.

No hay influencia en la operación del AH y el gas no se consume. Como el gas es muy combustible, se utiliza normalmente en otras partes de la planta para generar calor o energía para otros procesos. Con el sistema TRT instalado, el gas efectivamente genera energía dos veces: una en la turbina y otra cuando se quema para su propósito usual.

La TRT es una tecnología más limpia y eficiente energéticamente ya que permite la utilización de energía de presión en corriente de gas residual. Se usa para conservación de energía y reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Mientras los beneficios económicos de instalar TRT son considerables, las ventajas ambientales también son importantes. La TRT es muy sostenible ya que hay cero emisiones del proceso de producir electricidad con esta tecnología. El proceso es 100% verde.

En resumen, la TRT tiene las siguientes características:

• Tecnología de ahorro de energía usada en alto horno de planta siderúrgica
• Equipo de generación de energía con función de control de presión de tope de alto horno
• Energía generada impulsando turbina usando gas de alto horno
• No se necesita combustible para generación de energía
• Al no quemar combustible, no hay generación de CO2 u otros gases de efecto invernadero
• Contribuye a reducción de CO2 de acuerdo con el volumen de generación
• Genera menos ruido comparado con válvula de septum convencional, mejorando el entorno
• No se necesita tecnología sofisticada para operación y mantenimiento; puede realizarse por personal del AH
• Solo se requieren pequeñas cantidades de agua, nitrógeno, etc., cubiertas por equipos existentes