Reducción de Emisiones de CO₂ en la Ferropreparación por Alto Horno

Ferropreparación por Alto Horno y Emisiones de Dióxido de Carbono

Es ampliamente reconocido que el dióxido de carbono (CO₂) en la atmósfera es el principal componente que influye en el calentamiento global a través del efecto invernadero. Desde 1896 la concentración de CO₂ ha aumentado un 25%. La industria siderúrgica es conocida como industria de alto consumo energético y emisora significativa de CO₂. Por tanto, el cambio climático es identificado por la industria como un gran reto medioambiental. Mucho antes de los hallazgos del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático en 2007, los grandes productores reconocieron que se necesitan soluciones a largo plazo para abordar las emisiones de CO₂. Por ello, la industria ha sido muy proactiva mejorando el consumo energético y reduciendo emisiones de gases de efecto invernadero (GEI).

En el entorno actual de cambio climático, dentro de la industria siderúrgica hay un impulso constante para reducir costes energéticos, reducir emisiones y asegurar máxima reutilización de energía residual. En los procesos tradicionales de producción de hierro y acero, la emisión de CO₂ es inevitable, especialmente para el proceso de alto horno (BF), que requiere carbono (C) como combustible y agente reductor para convertir óxido de hierro a estado metálico, siendo el principal proceso generador de CO₂ en una planta integrada. La política climática es de hecho un importante impulsor para el desarrollo de la tecnología de ferropreparación por BF.

Críticamente, entre los retos que enfrenta la operación del BF está la descarbonización. Se han dado pasos significativos para aumentar la eficiencia térmica, pero existe un límite duro en la descarbonización, asociado a la necesidad de C como reductor químico. Desde los 1950s, se han llevado a cabo importantes esfuerzos de I+D para hacer más eficiente la tecnología de ferropreparación por BF. Estos incluyen: (i) mejora de calidad de coque y sinter, (ii) enriquecimiento con oxígeno (O₂), (iii) inyección de otros reductores como carbón pulverizado y gas natural, (iv) distribución de carga, y (v) tecnologías de medición. En los 1950s la tasa de reductor era ~1.000 kg/tHM, y se ha reducido a la mitad gracias a I+D e implementación de resultados.

El consumo de agente reductor en BF convencional es hoy ~500 kg/tHM, acercándose solo al 5% por encima de los valores termodinámicos más bajos posibles bajo operación clásica. El proceso BF es ahora altamente desarrollado operando cerca de límites termodinámicos de eficiencia. No hay mejoras mayores obvias que reduzcan fundamentalmente su demanda de C o mejoren significativamente su eficiencia térmica, pero, siendo el BF el principal generador de emisiones, los esfuerzos para mitigar el impacto medioambiental deben centrarse necesariamente en el proceso de ferropreparación por BF.

Tecnologías de Ruptura para Reducción Significativa

Se requieren tecnologías de ferropreparación de ruptura para reducción adicional significativa de consumo de C o emisión de CO₂. Varias tecnologías se han propuesto para reducir uso de C fósil y emisiones en el propio proceso BF: (i) reciclaje de CO del gas superior, (ii) uso de biomasa, (iii) sustitución de CO por H₂ como agente reductor, (iv) uso de HBI, HBI compactado (HBI) o hierro de reducción baja (LRI) pobres en C, (v) uso de materiales compuestos de C, (vi) uso de energía eléctrica pobre en C, y (vii) captura y almacenamiento de CO₂ (CCS). Sin embargo, el enfoque necesario debe proponer mejoras incrementales que ofrezcan pasos para reducir emisiones o producir más del potencial existente en el proceso actual.

Es inevitable que al considerar tales tecnologías se deban considerar temas transversales de economía y emisiones globales de CO₂. Por ejemplo, el uso de CO₂ y gases de proceso como materias primas químicas puede requerir compra adicional de combustibles para hornos de recalentamiento, impactando costes integrados, calidad del acero y emisiones totales. Cualquier solución a considerar debe tener potencial para optimización multi-componente de estos aspectos individuales.

Los retos clave para futura operación de BF son: (i) reducir gastos de capital y operativos significativamente para generar retorno sostenible de capital a lo largo del ciclo económico, y (ii) reducir emisiones efectivas de CO₂ a punto incluso inferior al determinado por termodinámica química del proceso convencional basado en coque. Para enfrentar estos retos, es esencial identificar oportunidades tecnológicas, descritas a continuación.

Tecnologías de Reciclaje de Gas Superior y Captura de Carbono

La reducción de entrada de C está limitada por el equilibrio de reducción del gas en el BF. La disminución de entrada de C puede lograrse bajando la ratio de reducción directa (reacción endotérmica) fortaleciendo la reducción gaseosa dentro del BF mediante descarbonatación y recirculación de gas superior por inyección en el horno. El diagrama de flujo típico de BF con reciclaje de gas superior (TGR) se muestra en Fig 1.

Cualquier solución para descarbonización de la ruta BF requiere algún elemento de captura de C. Para lograr reducción sustancial de CO₂ (mayor al 50%), la aplicación de tecnología CCS es necesaria, aunque hay consenso en que reducciones mayores al 80% no son posibles. Una variación alentadora es el reciclaje de gas superior en el proceso de ferropreparación por BF. Es la tecnología más prometedora para reducir significativamente emisiones y consiste en reciclar CO e H₂ del gas que sale por la parte superior.

La tecnología TGR se basa en reducir uso de C fósil (coque) por reutilización de agentes reductores (CO e H₂) tras eliminación de CO₂ del gas superior. Esto conduce a menores requerimientos energéticos. Las principales tecnologías del TGR-BF son: (i) lavado de CO₂ del gas superior e inyección de componentes reductores CO e H₂ en sopleteos del eje y hogar, (ii) menor entrada de C fósil por menores tasas de coque, (iii) uso de O₂ puro en lugar de aire caliente en sopleteo del hogar (eliminación de N₂), y (iv) recuperación de CO₂ puro del gas superior para almacenamiento subterráneo.

La mayoría de esquemas de captura de C se asocian con almacenamiento, pero la utilización también puede considerarse. Esta conexión destaca un área importante de investigación actual: la integración de procesos. Comparado con aspectos como captura, transporte y almacenamiento, el área de integración por adaptación (retrofit) de un BF existente con sistema de captura de C ha recibido poca consideración.

Se espera que para la mayoría de sitios donde operan BFs, la captura de C se instale junto a BFs que llevan décadas operando. Hay potencial para interferencia significativa de proceso asociada a calidad de gas, presión, protocolos operativos y optimización relativa de BF y planta de utilización de C. La adaptación y operación posterior deben lograrse sin comprometer eficiencia operativa ni calidad de producto de los activos existentes.

En esta área de integración, se deben desplegar técnicas avanzadas de simulación y modelado para optimizar la combinación de BF integrado y sistema de captura de C. Se requiere combinación de modelado termo-fluido, con cinética de proceso y modelado económico a través del proceso, alineado a comprensión de parámetros clave de ferropreparación. Dado tal foco, la aplicación de captura de C a operaciones de BF existentes puede realizarse.

Reducción con Hidrógeno

El reto medioambiental importante para el proceso BF es el uso de C como reductor químico. Esto tiene un límite termodinámico duro, por debajo del cual no es posible mayor reducción de C sin cambio significativo de proceso. Uno es el cambio parcial de C a hidrógeno (H₂) como reductor. Ejemplos de agentes reductores con alto contenido de H₂ son plásticos de desecho (CnHm) o gas natural (principal componente CH₄). El H₂ ya se usa en procesos de reducción directa para producción de HBI, habiendo comprensión básica de mecanismos y termodinámica, pero hay oportunidad para investigación e innovación sobre hasta dónde puede desplazarse el balance entre reducción por H₂ y por C dentro del horno.

El uso de plásticos de desecho (WP) para promover reducción por H₂ en BF se hace mediante inyección de WP en el BF. WP se inyecta como sólido a través de sopleteos similar al carbón pulverizado (PC). Normalmente se hace como co-inyección de WP y carbón. La energía de combustión de WP es generalmente al menos tan alta como PC normalmente inyectado, y su mayor ratio H₂/C significa que se produce menos CO₂ en el BF de combustión y reducción de mineral. También hay menor consumo energético ya que H₂ es reductor más favorable que C. La inyección de WP aumenta concentración de H₂ en gas de bosh. Como la velocidad de reacción química de reducción por H₂ es mayor que por CO, la extensión de reacción de Boudouard reduce al aumentar H₂ en gas de bosh. CO₂ y H₂O están presentes en la parte superior del BF debido a reducción de óxidos de hierro.

Para promover reducción por H₂ en BF, otro método se investiga a través del Proyecto COURSE50 en Japón, comenzado en 2008. Este proyecto intenta reducir emisiones de CO₂ desarrollando la técnica de inyectar gas reductor en el eje del BF, combinado con amplificación de H₂ por reformado de gas de horno de coque. La tecnología de reducción por H₂ propuesta consiste en: (i) aumento de H₂ por reformado de gas de horno de coque, (ii) tecnología de reducción de mineral por H₂, y (iii) tecnología de coquización para BF de reducción por H₂. En este proyecto, el gas reductor se inyecta en el eje del BF. Del balance de momentum de dos gases, se encontró que el área de penetración de inyección en eje es proporcional a la tasa de inyección y la reducción de mineral es promovida por H₂. Sin embargo, como la reducción por H₂ es endotérmica, se necesita atención especial para mantener temperatura en la parte superior del horno.

Materiales Alternativos Portadores de Carbono

Los materiales alternativos portadores de C son aglomerados compuestos de C (CCA) o compuestos hierro-C (CIC). Son aglomerados de material carbonoso y mezcla de óxido de hierro, un tipo de coque formado conteniendo hierro metálico. El material carbonoso puede ser finos de coque, carbón, carbón vegetal, finos ricos en C de planta, biomasa, plásticos de desecho, etc., mientras el óxido de hierro puede ser minerales de baja ley, finos ricos en hierro de planta, etc. Los materiales compuestos de C debido al efecto catalítico de partículas de hierro tienen reactividad notablemente alta con gas CO₂ en comparación con coque metalúrgico. Normalmente reaccionan con CO₂ desde temperatura ~150 °C inferior al coque metalúrgico.

La reacción de reducción de mineral es promovida por materiales compuestos de C debido a: (i) mayor reactividad de estos materiales, y (ii) la reacción de pérdida de solución comienza a menor temperatura. La utilización de tales aglomerados no solo ayuda a mitigar emisiones de CO₂ sino también a ahorro de coque y energía. La cercanía entre hierro y C en tales aglomerados mejora la cinética de reacción significativamente. Otros beneficios: (i) posibilidad de usar finos ricos en hierro y/o C de planta, (ii) menor temperatura de gasificación por efecto de acoplamiento entre reacción de gasificación y reducción de óxido de hierro (wüstita), y (iii) menor dependencia de procesos de preparación de mineral intensivos en CO₂ y energía.

El método de producción de materiales compuestos de C consiste en trituración, mezcla y briquetado de materiales ferríferos baratos y carbón no coquizante o ligeramente coquizante, seguido de calentamiento y carbonización en horno de eje. La resistencia de estos materiales es propiedad importante para alimentación de BF, y resistencia al nivel de coque metalúrgico puede lograrse, incluso de materias primas de baja calidad, por efecto de densificación del briquetado y control de temperatura comparativamente alto en horno de eje.

Los materiales portadores de C también pueden introducirse al proceso BF por varias vías. En sinterización, biomasa o WP pueden sustituir parcialmente brisa de coque. Finos de planta pueden usarse como fuente de C y hierro. En coquización, se han intentado adiciones de biomasa y WP a la mezcla de carbón. Los materiales alternativos pueden cargarse al BF desde arriba con materiales de carga como bultos o finos ricos en C de planta o biomasa pueden inyectarse al BF a través de sopleteos.

Reciclaje de Gas de Chimenea en Estufas de BF

Una nueva tecnología llamada "reciclaje de gas de chimenea" (FGR - Flue Gas Recycling) está en desarrollo para estufas de aire caliente. Esta tecnología implica conversión de estufas, de combustión aire-combustible a oxicombustible, aumentando el porcentaje de CO₂ en gas de chimenea. La temperatura de llama se moderará por recirculación de gas residual a los quemadores. La comparación esquemática de operación convencional aire-combustible y operaciones oxicombustible mejoradas con reciclaje de gas de chimenea se muestra en Fig 2.

La operación FGR de estufas puede basarse en flujo de masa constante o flujo volumétrico constante de productos de combustión. Flujo de masa constante asegura que transferencia de calor por convección no cambia respecto a operaciones convencionales, y el reciclaje de gas caliente reduce el requerimiento energético de combustión. La opción de flujo volumétrico constante surge por la mayor densidad de productos de combustión al reciclar gas de chimenea. En este modo, la recuperación de calor puede combinarse con tasas de gasificación de quemador aumentadas, convirtiendo a mayores temperaturas de aire caliente y potencial para menor consumo de coque en BF.

Considerando potencial para captura de C, el contenido de CO₂ en gas de chimenea se duplica esencialmente comparado con prácticas convencionales de calentamiento. En términos de masa, el gas de chimenea contiene 0,8 toneladas CO₂/ton HM, más de un tercio de emisiones específicas actuales. La generación de O₂ requerido reduce marginalmente los beneficios de captura por el consumo de potencia para operar la planta de separación de aire. Esto reduce el potencial neto de reducción de emisiones en ~6%.

El reciclaje de gas de chimenea en estufas elimina el uso de aire y gas de horno de coque en combustión. Por tanto, generación de óxidos de azufre y óxidos nitroso se reduce sustancialmente. Los objetivos específicos de esta tecnología incluyen: (i) confirmar contenido de CO₂ de 40-50% en gas de chimenea modificado, (ii) verificar recuperación de calor residual y eficiencia térmica mejorada de estufas, y (iii) confirmar que nuevas condiciones mantienen o aumentan temperatura de aire caliente entregado al BF evitando impactos negativos en operación.