ES2907755T3 - Método para hacer funcionar una planta de fabricación de hierro o acero - Google Patents
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Abstract
Un método de hacer funcionar una planta de fabricación de hierro o acero que comprende un conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro, en los que el mineral de hierro se transforma en metal caliente líquido mediante un proceso que incluye la reducción del mineral de hierro, la fusión y la generación de gas de escape (3), comprendiendo la planta fabricación de hierro o acero opcionalmente un convertidor aguas abajo del conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro, incluyendo el método las etapas de: a. cargar el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro con mineral de hierro y coque, b. inyectar gas oxidante en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro, c. descarbonatar el gas de escape (3) aguas abajo del conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro para obtener una corriente de gas de cola enriquecida con CO2 (8) y una corriente de gas de escape descarbonatado (9) que no contenga más del 10 % en vol. de CO2, y preferiblemente no más del 3 % en vol. de CO2, d. inyectar al menos el 50 % de la corriente de gas de escape descarbonatado (9) de nuevo en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro como una corriente de reciclaje de gas reductor, estando el método caracterizado por que comprende las etapas de: e. generar hidrógeno y oxígeno por medio de la descomposición del agua, f. inyectar al menos parte del hidrógeno generado en la etapa (e) en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro, y g. inyectar al menos parte del oxígeno generado en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro y/o el convertidor como gas oxidante.
Description
DESCRIPCIÓN
Método para hacer funcionar una planta de fabricación de hierro o acero
La presente invención se refiere a la producción de hierro o acero en una planta de fabricación de hierro o acero en la que se produce hierro a partir de mineral de hierro.
Actualmente hay dos caminos para fabricar hierro a partir de mineral de hierro:
• la producción de hierro fundido a partir de mineral de hierro en un alto horno (BF) cargado con mineral de hierro y coque y en el que también se puede inyectar materia combustible, tal como carbón, como combustible y agente reductor; y
• la producción de esponja de hierro o hierro reducido directamente (DRI) en un denominado proceso de reducción directa mediante el cual los óxidos de hierro en el mineral de hierro se reducen en estado sólido sin fundirse.
El hierro líquido o solidificado de los altos hornos (conocido como "arrabio") contiene altos niveles de carbono. Cuando se utiliza arrabio para producir acero, debe descarburarse y refinarse parcialmente, por ejemplo, en un convertidor, en particular en un convertidor Linz-Donawitz (abreviado, convertidor L-D) también conocido en la técnica como horno de oxígeno básico (BOF).
En ausencia de medidas especiales durante el proceso de reducción directa, el DRI contiene poco o nada de carbono. Para producir acero a partir de DRI, el DRI se funde en una fundición u horno de arco eléctrico (EAF) y se añaden aditivos a la masa fundida con el fin de obtener acero con la composición requerida.
La producción de hierro en altos hornos sigue siendo, con mucho, el método más importante para producir hierro a partir de mineral de hierro y el hierro producido en altos hornos sigue siendo la principal fuente de hierro para la producción de acero.
La industria del hierro y el acero representa un porcentaje significativo de las emisiones de CO2 del mundo.
Se han realizado importantes esfuerzos para reducir estas emisiones y por tanto la "huella de carbono" de la industria siderúrgica.
Se ha sugerido, por ejemplo, inyectar hidrógeno como un reductor en hornos de reducción de mineral de hierro. Por ejemplo, en el documento WO-A-2011/116141 se ha propuesto producir esponja de hierro a partir de mineral de hierro mediante hidrógeno en un proceso de reducción de dos etapas:
3 Fe2O3 H2 ^ 2 Fe3O4 H2O
y
Fe3O4 4 H2 ^ 3 Fe 4 H2O.
Se suministra calor al horno de reducción directa de mineral de hierro de acuerdo con el documento WO-A-2011/116141 por medio de un generador de llama de oxi-hidrógeno separado que funciona con una relación H2O2 entre aproximadamente 1:1 y 5:1 y a una temperatura de menos de aproximadamente 2800 °C. Dicho horno de reducción directa se describe como que produce vapor como un subproducto y no genera emisiones de CO2.
En el documento WO-A-2011/116141 no se proporcionan más detalles sobre la estructura o el funcionamiento de dicho horno de reducción directa y hasta la fecha la tecnología propuesta no ha sido explotada industrialmente. Asimismo, ha habido muchas propuestas para inyectar en los altos hornos hidrógeno, solo o en combinación con otros gases reductores, como un agente reductor complementario al coque.
Diversos intentos en instalaciones industriales de fabricación de hierro o acero con diferentes tecnologías descritas anteriormente que implican la inyección de hidrógeno en altos hornos han fracasado en lograr un consumo significativo de coque u otro combustible hidrocarbonado a velocidades de fusión constantes del alto horno o en lograr un aumento significativo en la producción a carga constante de coque/hidrocarburo. Por esta razón, la inyección de hidrógeno en los altos hornos hasta ahora no ha cumplido con el éxito industrial.
Ahora se ha encontrado que, a pesar de lo anterior y bajo determinadas condiciones específicas, el hidrógeno inyectado puede ser un agente reductor efectivo en un procedimiento para producir hierro fundido a partir de mineral
de hierro en un horno industrial. Más específicamente, de acuerdo con la presente invención, se ha encontrado que, bajo determinadas condiciones específicas, el hidrógeno inyectado puede ser un agente reductor de mineral de hierro eficaz en procedimientos en los que el horno se carga con mineral de hierro y coque, con lo que el gas de escape del horno se descarbonata y con lo que al menos una parte significativa del gas de escape descarbonatado se recicla de nuevo al horno.
La presente invención se refiere más específicamente a un método de hacer funcionar una planta de fabricación de hierro o acero que comprende un conjunto de hornos de fabricación de hierro que consiste en uno o más hornos en los que el mineral de hierro se transforma en metal caliente líquido mediante un procedimiento que incluye reducción de mineral de hierro, fusión y generación de gases de escape. Dicha planta de fabricación de hierro o acero comprende opcionalmente también un convertidor aguas abajo del conjunto del horno de fabricación de hierro.
Se desarrolló un método de este tipo durante el proyecto de investigación europeo ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking) financiado por la Comisión Europea y al que se alude comúnmente como el "alto horno de reciclaje de gas superior" o "TGRBF".
En un TGRBF, sustancialmente todo el CO2 se elimina del gas de alto horno (BFG), también conocido como gas superior, y sustancialmente todo el gas de alto horno descarbonatado restante se recicla y se reinyecta en el alto horno.
De esta forma se reducen el consumo de coque y las emisiones de CO2.
Además, en los TGRBF se utiliza oxígeno como oxidante para la combustión en lugar del aire de chorro convencional (no TGRBF) o del aire de chorro enriquecido con oxígeno.
Se ha demostrado la validez del concepto TGRBF en un alto horno a escala piloto.
El proyecto ULCOS demostró que aproximadamente el 25 % de las emisiones de CO2 del proceso podrían evitarse reciclando BFG descarbonatado.
Con el fin de lograr la reducción deseada del 50 % de las emisiones de CO2, el CO2 eliminado del (BFG) del TGRBF debe secuestrarse y reutilizarse o almacenarse (por ejemplo, bajo tierra). Dada la demanda limitada de CO2 y el abrumador exceso de CO2 disponible, el almacenamiento es la opción factible dominante en la actualidad. Sin embargo, no solo el transporte del CO2 a su ubicación de almacenamiento y el almacenamiento propiamente dicho pueden implicar costos significativos, debido a razones técnicas y sociales, sino que también hay ubicaciones insuficientes en las que el almacenamiento de cantidades significativas de CO2 sea tanto geológicamente adecuado como esté legalmente permitido.
Por lo tanto, sigue existiendo la necesidad de encontrar otros métodos para lograr reducciones adicionales de las emisiones de CO2 durante la producción de hierro a partir de mineral de hierro al tiempo que se mantenga la productividad del horno y la calidad del producto.
Por lo tanto, la presente invención proporciona un método de hacer funcionar una planta de fabricación de hierro o acero que comprende un conjunto de hornos de fabricación de hierro (o IFS) que consiste en uno o más hornos en los que el mineral de hierro se transforma en metal caliente líquido mediante un procedimiento que incluye la reducción de mineral de hierro, la fusión y la generación de gases de escape.
El gas de escape también se denomina en la técnica "gas superior" (TG) o "gas de alto horno" (BFG) cuando el horno o los hornos del conjunto es/son altos hornos
La planta siderúrgica comprende opcionalmente también un convertidor y, en particular, un convertidor para convertir el hierro generado por el IFS en acero. La planta también puede incluir otros equipos de fabricación de hierro o acero, tales como un horno de recalentamiento de acero, un EAF (siglas inglesas de horno de arco eléctrico), etc. De acuerdo con la invención:
(a) el IFS se carga con mineral de hierro y coque,
(b) se inyecta gas oxidante en el IFS. Al gas de escape también se le alude en la técnica como "gas de alto horno" cuando el horno o los hornos del conjunto es/son altos hornos
c) el gas de escape generado se descarbonata aguas abajo del IFS. De este modo se obtienen una corriente de gas de cola enriquecida con CO2 y una corriente de gas de escape descarbonatado. De acuerdo con la presente invención, la corriente de gas de escape descarbonatado no contiene más del 10 % en vol. de CO2. La descarbonatación del gas de escape generado se lleva a cabo preferiblemente de modo que la corriente de gas de escape descarbonatad no contenga más del 3 % en vol. de CO2.
(d) al menos una parte de la corriente de gas de escape descarbonatado se vuelve a inyectar en el IFS como una corriente de reciclaje de gas reductor. De acuerdo con la presente invención, al menos el 50 % de la corriente de gas de escape descarbonatado se vuelve a inyectar en el IFS.
Además, de acuerdo con la presente invención:
(e) hidrógeno y oxígeno se generan por medio de la descomposición del agua,
(f) al menos parte del hidrógeno así generado se inyecta en el conjunto del horno de fabricación de hierro, g) al menos parte del oxígeno generado se inyecta también como gas oxidante en el conjunto del horno de fabricación de hierro y/o en el convertidor, si está presente.
Preferiblemente, todo o parte del hidrógeno generado que se inyecta en el conjunto de hornos de fabricación de hierro se mezcla con la corriente de reciclaje de gas reductor antes de que la mezcla gaseosa de gas reductor reciclado e hidrógeno así obtenida se inyecte en el conjunto de hornos de fabricación de hierro.
Mediante la invención se reduce la dependencia del coque y otros combustibles basados en hidrocarburos, así como las emisiones de CO2 por tonelada de hierro caliente producida.
Se apreciará que "inyección en el IFS" significa inyección en el uno o más hornos en los que consiste el IFS.
El método de acuerdo con la presente invención utiliza, por lo tanto, una fuente de hidrógeno no basada en carbono para la optimización del funcionamiento del IFS mediante inyección de hidrógeno, reduciendo con ello las emisiones de CO2 del IFS. Además, la misma fuente de hidrógeno no basada en carbono también genera oxígeno que igualmente se utiliza para optimizar el funcionamiento del IFS y/o de otros equipos siderúrgicos en la planta, tales como un convertidor. El uso combinado del hidrógeno generado y el oxígeno generado reduce significativamente los costos asociados con la inyección de hidrógeno en el IFS. Además, al utilizar la descomposición del agua como fuente de hidrógeno, no se generan productos de desecho, lo que nuevamente reduce los costos de eliminación de desechos.
La corriente reductora se puede inyectar en el IFS por medio de toberas. En el caso de los altos hornos dicha corriente reductora puede inyectarse más específicamente a través de toberas de solera y, opcionalmente, también a través de toberas de vástago.
Como se indicó arriba, el IFS puede incluir o consistir en uno o más altos hornos. En ese caso, al menos una parte o la totalidad del gas oxidante inyectado en el o los altos hornos se inyecta en forma de chorro, preferiblemente en forma de chorro caliente.
Cuando solo una parte del gas oxidante inyectado en el IFS en la etapa (b) consiste en oxígeno generado, es decir, cuando el gas oxidante inyectado en el IFS consiste en parte en oxígeno generado en la etapa (e) y en parte en gas que contiene oxígeno de una fuente diferente, pudiendo ser dicho gas que contiene oxígeno, en particular, aire, oxígeno o aire enriquecido en oxígeno, el oxígeno generado en la etapa (e) se puede inyectar en el IFS:
• por separado de dicho gas que contiene oxígeno,
• mezclado con dicho gas que contiene oxígeno o
• parcialmente separado del gas que contiene oxígeno y parcialmente mezclado con dicho gas que contiene oxígeno.
Por lo tanto, en el caso de uno o más altos hornos, el chorro, preferiblemente el chorro caliente, que se inyecta en el alto horno en la etapa (b) puede comprender ventajosamente al menos parte o incluso la totalidad del oxígeno generado en la etapa (e).
Igualmente, cuando la planta incluye un convertidor, el gas oxidante inyectado en el convertidor para descarburar una masa fundida metálica consiste útilmente, al menos en parte o en su totalidad, en el oxígeno generado en la etapa (e).
El gas oxidante inyectado en el IFS en la etapa (b) está de preferencia sustancialmente libre de gases inertes tales como N2. El gas oxidante contiene ventajosamente menos de 20 % en vol., más preferiblemente menos de 10 % en vol. e incluso más preferiblemente a lo sumo 5 % en vol de N2. Además, el gas oxidante contiene ventajosamente al menos 70 % en vol., más preferiblemente al menos 80 % en vol. e incluso más preferiblemente al menos 90 % y hasta 100 % en vol de O2.
Durante la descomposición del agua, normalmente se generan corrientes separadas de oxígeno e hidrógeno. Por lo tanto, no se requieren etapas de separación adicionales después de la etapa (e) para la separación del oxígeno generado del hidrógeno generado antes de mezclar al menos parte del hidrógeno generado con la corriente de reciclaje de gas reductor en la etapa (f), respectivamente antes de la inyección de al menos parte del oxígeno generado en el alto horno y/o el convertidor en la etapa (g) del método de acuerdo con la invención. Además, las corrientes de oxígeno e hidrógeno son generalmente corrientes de alta pureza, que contienen típicamente al menos 80 % en vol., preferiblemente al menos 90 % en vol. y más preferiblemente al menos 95 % en vol. y hasta 100 % en vol. de O2, respectivamente H2.
Métodos de descomposición del agua adecuados para la generación de hidrógeno y oxígeno en la etapa (e) incluyen la descomposición biológica y/o electrolítica del agua.
Una forma conocida de descomposición biológica del agua es la descomposición biológica fotolítica (o fotobiológica) del agua, en la que los microorganismos - tales como las microalgas verdes o las cianobacterias -utilizan la luz solar para disociar el agua en iones oxígeno e hidrógeno. En la actualidad, se prefieren los métodos de descomposición electrolítica del agua, ya que la tecnología está bien establecida y es adecuada para la producción de grandes cantidades de hidrógeno y oxígeno.
Como es conocido en la técnica, se añade ventajosamente un electrolito al agua con el fin de fomentar la descomposición electrolítica del agua. Ejemplos de electrolitos de este tipo son cationes de sodio y litio, ácido sulfúrico, hidróxido de potasio e hidróxido de sodio.
Se pueden utilizar diferentes tipos de electrólisis del agua, que son conocidos en la técnica, para la generación de hidrógeno y oxígeno durante la etapa (e). Estos incluyen:
• electrólisis de agua alcalina, en la que la electrólisis de agua tiene lugar en una solución de agua alcalina,
• electrólisis de agua a alta presión, incluyendo la electrólisis de agua a ultra alta presión, en la que la electrólisis del agua tiene lugar a presiones superiores a la
presión atmosférica, típicamente de 5 a 75 MPa, preferiblemente de 30 a 72 MPa para la electrólisis de agua a ultra alta presión y de 10 a 25 MPa para la electrólisis de agua a alta presión (pero no a ultra alta presión). Una ventaja importante de la electrólisis a alta presión es que la energía adicional requerida para hacer funcionar la electrólisis del agua es menor que la energía que se requeriría para presurizar el hidrógeno y/o el oxígeno generado por la electrólisis del agua a presión ambiental a las mismas presiones. Si la presión a la que se genera el hidrógeno o el oxígeno supera la presión a la que se ha de utilizar el gas, siempre es posible despresurizar el gas generado a la presión deseada, por ejemplo, en un expansor.
• Electrólisis del agua a alta temperatura, en la que la electrólisis del agua tiene lugar a temperaturas superiores a la temperatura ambiente, típicamente de 50 °C a 1100 °C, preferiblemente de 75 °C a 1000 °C y más preferiblemente de 100 °C a 850 °C. La electrólisis del agua a alta temperatura es generalmente más eficiente energéticamente que la electrólisis del agua a temperatura ambiente. Además, para aplicaciones en las que se utiliza hidrógeno u oxígeno o preferiblemente se utiliza a temperaturas superiores a la temperatura ambiente, como es a menudo el caso de aplicaciones en la industria siderúrgica, tal como cuando se inyecta hidrógeno u oxígeno en un alto horno o cuando el oxígeno se inyecta en un convertidor, no se requiere energía o se requiere menos para llevar el gas a la temperatura deseada.
• Electrólisis de agua con membrana de electrolito polimérico, que fue introducida por primera vez por General Electric y en la que un electrolito polimérico sólido es responsable de la conducción de protones, la separación de hidrógeno y oxígeno y el aislamiento eléctrico de los electrodos.
También son posibles combinaciones de dichas técnicas de electrólisis del agua.
Por lo tanto, mientras que en la etapa (e) la electrólisis del agua puede tener lugar a presión ambiente, la electrólisis del agua a alta presión también puede utilizarse para generar hidrógeno y/u oxígeno a una presión sustancialmente superior a la presión ambiental, p. ej., a presiones de 5 a 75 MPa, en particular de 30 a 72 MPa o de 10 a 25 MPa.
Mientras que en la etapa (e) la electrólisis del agua se puede realizar a temperatura ambiente, también se puede utilizar ventajosamente una electrólisis del agua a alta temperatura generando hidrógeno y/u oxígeno a temperaturas de 50 °C a 1100 °C, preferiblemente de 75 °C a 1000 °C y más preferiblemente de 100 °C a 850 °C.
La electricidad utilizada para la descomposición del agua en la etapa (e) se obtiene preferiblemente con una huella de carbono baja, más preferiblemente sin generar emisiones de CO2. Ejemplos de generación de electricidad libre de CO2 incluyen la energía hidroeléctrica, la energía solar, la energía eólica y la generación de energía mareomotriz, pero también la recuperación de energía geotérmica e incluso la energía nuclear.
El método también incluye ventajosamente la etapa de:
(h) calentar la corriente de reciclaje de gas reductor o la mezcla de hidrógeno generado con la corriente de reciclaje de gas reductor en estufas calientes a una temperatura entre 700 °C y 1300 °C, preferiblemente entre 850 °C y 1000 °C y más preferiblemente entre 880 °C y 920 °C aguas arriba del IFS.
En ese caso, el método también incluye preferiblemente la etapa de:
(i) producir un combustible gaseoso de bajo poder calorífico con un poder calorífico de 2,8 a 7,0 MJ/Nm3 y preferiblemente de 5,5 a 6,0 MJ/Nm3, que contiene (i) al menos una parte de la corriente de gas de cola y (ii) una segunda parte del hidrógeno generado, utilizándose dicho combustible gaseoso de bajo poder calorífico para calentar las estufas calientes.
Al menos parte del gas de cola enriquecido con CO2 puede capturarse para secuestro y/o uso en un proceso adicional. La planta de fabricación de hierro o acero puede incluir uno o más depósitos de almacenamiento para el almacenamiento del CO2 separado en la etapa (c) del método de acuerdo con la invención antes del secuestro o uso posterior.
El hidrógeno generado y/o la mezcla de hidrógeno generado con la corriente de reciclaje de gas superior se inyecta típicamente en el o los altos hornos a través de toberas de solera y, opcionalmente, también a través de toberas de vástago.
El gas oxidante inyectado en el IFS es típicamente un gas oxidante con alto contenido en oxígeno, es decir, un gas oxidante que tiene un contenido en oxígeno superior al contenido en oxígeno del aire y preferiblemente un gas oxidante con alto contenido en oxígeno como se define arriba. No obstante, se puede utilizar aire para quemar el combustible gaseoso de bajo poder calorífi
Entre el 80 y el 90 % en volumen de la corriente de gas de escape descarbonatada o de la corriente de gas de alto horno descarbonatada se calienta preferentemente en las estufas calientes y se inyecta en el IFS.
Para la descarbonatación del gas de escape, respectivamente gas de alto horno, en la etapa (c), se puede utilizar una VPSA (siglas inglesas de adsorción por cambio de presión al vacío), una PSA (siglas inglesas de adsorción por cambio de presión) o una unidad de absorción química, por ejemplo, con el uso de aminas.
El hidrógeno generado en la etapa (e) consiste preferiblemente en al menos un 70 % en vol. de moléculas de H2, preferiblemente al menos un 80 % en vol. y más preferentemente al menos un 90 % en vol. y hasta un 100 % en vol. Esto se puede lograr fácilmente ya que el procedimiento de generación de hidrógeno de la etapa (e) no se basa en hidrocarburos como material de partida.
De acuerdo con una realización preferida, todo el oxígeno inyectado en el IFS y/o convertidor consiste en oxígeno generado en la etapa (e). Son particularmente útiles realizaciones en las que todo el oxígeno inyectado en el IFS consiste en oxígeno generado en la etapa (e).
Sin embargo, también se puede inyectar oxígeno de otras fuentes, en particular de una unidad de separación de aire (ASU) en el IFS y/o en el convertidor (cuando está presente). Por ejemplo, el oxígeno generado por las ASUs utilizando destilación criogénica, adsorción por cambio de presión
(PSA) o adsorción por cambio al vacío (VSA) se puede inyectar en el IFS y/o en el convertidor. La planta siderúrgica puede incluir uno o más depósitos para almacenar oxígeno hasta que se utilice en la planta.
Partes del oxígeno generado en la etapa (e) del método también se pueden utilizar ventajosamente en otras instalaciones de la planta siderúrgica, tales como, por ejemplo, como gas oxidante en un horno de arco eléctrico (EAF) y/o en una colada continua de acero, cuando está presente, o en otras instalaciones/procesos de la planta que requieran oxígeno. Alternativamente o en combinación con esto, parte del oxígeno generado que no se inyecta en el alto horno o en el convertidor puede venderse para generar ingresos adicionales.
La descomposición del agua genera hidrógeno y oxígeno en una relación de hidrógeno a oxígeno de 2 a 1. De acuerdo con una realización preferida de la invención, todo el hidrógeno inyectado en el IFS, aparte del hidrógeno presente en la corriente de reciclaje de gas de escape, es hidrógeno generado por descomposición del agua en la etapa (e). Asimismo, preferiblemente todo el oxígeno inyectado en el IFS y/o en el convertidor en
la etapa (g) es oxígeno generado por la descomposición del agua en la etapa (e). Preferiblemente, todo el hidrógeno generado en la etapa (e) que se inyecta en el IFS se mezcla con la corriente de reciclaje de gas de escape antes de inyectarlo en el conjunto del horno de fabricación de hierro.
En otras palabras, en estos casos la descomposición del agua de la etapa (e) puede satisfacer el requisito de oxígeno completo del IFS, del convertidor, respectivamente del IFS y del convertidor.
De acuerdo con una realización útil, la relación entre (i) el hidrógeno generado en la etapa (e) e inyectado en el IFS (es decir, excluyendo cualquier hidrógeno presente en la corriente de reciclaje de gas de escape), y (ii) el oxígeno generado en la etapa (e) e inyectado en el IFS y/o el convertidor en la etapa (g) (es decir, excluyendo el oxígeno de otras fuentes, tal como cualquier oxígeno presente en el aire, tal como aire comprimido, que también puede inyectarse en el IFS como gas oxidante), es sustancialmente igual a 2, es decir, entre 1,50 y 2,50, preferiblemente entre 1,75 y 2,25, y más preferiblemente entre 1,85 y 2,15.
De acuerdo con una realización ventajosa concreta, todo el oxígeno inyectado en el IFS es oxígeno generado por descomposición del agua en la etapa (e) y la relación entre (i) el hidrógeno generado en la etapa (e) e inyectado en el IFS y (ii) el oxígeno generado en la etapa (e) e inyectado en el IFS en la etapa (g) es sustancialmente igual a 2, es decir, entre 1,5 y 2,5, preferiblemente entre 1,75 y 2,25, más preferiblemente entre 1,85 y 2,15.
En tal caso, la dependencia para dichas inyecciones de gas de fuentes externas de oxígeno o hidrógeno distintas de la descomposición del agua de la etapa (e), puede evitarse sustancialmente. No obstante, la planta siderúrgica puede incluir uno o más depósitos para almacenar hidrógeno para su uso en la planta, por ejemplo, como una reserva de hidrógeno o para satisfacer mayores demandas de hidrógeno en determinadas fases del proceso siderúrgico, tal como cuando la demanda de metal (caliente) es mayor.
Cuando la relación entre (i) el hidrógeno generado inyectado en el IFS y el oxígeno generado inyectado en el IFS y/o el convertidor no es sustancialmente igual a 2, aún puede ser posible llegar a una relación de hidrógeno generado total - a - consumo de oxígeno generado que sea sustancialmente igual a 2 al utilizar cualquier excedente de gas generado (que puede ser oxígeno generado o hidrógeno generado) en otras instalaciones o procesos de la planta. Por lo tanto, en realizaciones de la presente invención en las que al menos una parte del hidrógeno generado y/o al menos una parte del oxígeno generado se utiliza (consume) en procesos o instalaciones de la planta siderúrgica distinta del IFS, respectivamente el IFS y/o el convertidor, la relación entre (i) el hidrógeno generado en la etapa (e) utilizado en la planta y (ii) el oxígeno generado en la etapa (c) utilizado en la planta aún puede ser sustancialmente igual a 2, es decir, entre 1,5 y 2,5, preferiblemente entre 1,75 y 2,25, más preferiblemente entre 1,85 y 2,15.
La presente invención y sus ventajas se clarifican aún más en el siguiente ejemplo, haciendo referencia a las figuras 1 y 2, en donde la figura 1 ilustra esquemáticamente una planta de fabricación de acero de la técnica anterior en la que el IFS consiste en uno o más no TGRBFs (solo uno se representa esquemáticamente un alto horno y en la descripción correspondiente se hace referencia a un solo no TGRBF) y la figura 2 ilustra esquemáticamente una realización del método de acuerdo con la invención aplicado a una planta siderúrgica en la que el IFS consiste en uno o más TGRBFs (solo se representa un TGRBF y en la descripción correspondiente también se hace referencia a un solo TGRBF), por lo que se utilizan números de referencia idénticos para indicar características idénticas o análogas en las dos figuras.
La Figura 1 muestra un alto horno 1 convencional de la técnica anterior sin descarburación o reciclaje de gas superior. El alto horno 1 se carga desde la parte superior con coque y mineral de hierro 2 que descienden en el alto horno 1.
El aire 28 se precalienta en las estufas calientes 20 antes de ser inyectado en el alto horno 1 a través de toberas de solera 1 b. Se puede añadir oxígeno sustancialmente puro 22 al aire de soplado 28 a través de las toberas de solera 1b o aguas arriba de las estufas calientes 20.
Típicamente, el carbón pulverizado (u otra sustancia combustible orgánica) 23 también se inyecta en el alto horno 1 por medio de toberas de solera 1b.
El aire 28 y, si se añade, el oxígeno sustancialmente puro 22 y el carbón pulverizado (u otro combustible orgánico) 23 se combinan dentro del alto horno para producir calor por combustión y gas reductor 1d (en contacto con el coque presentes en carga sólida 2). El gas reductor 1d asciende por el interior del alto horno 1 y reduce los óxidos de hierro contenidos en el mineral a hierro metálico. Este hierro metálico continúa su descenso hasta el fondo del alto horno 1 en donde se extrae (saca) 1a junto con una escoria que contiene impurezas de óxido.
El gas de escape, mejor conocido como gas de alto horno (BFG), 3 sale del alto horno 1 y viaja a una unidad de eliminación de polvo inicial 4 en donde se eliminan partículas grandes de polvo. Continúa a un segundo sistema
de eliminación de polvo 5 que elimina las partículas finas de polvo para producir un "gas limpio" 6. El gas limpio 6 se deshidrata opcionalmente antes de penetrar en el sistema de distribución de BFG 7a, en donde parte del gas limpio 6 puede enviarse distribuido a las estufas calientes 20, en donde se utiliza como combustible, y parte 8 del gas limpio 6 puede ser enviada a otros lugares 8a de la planta siderúrgica para diversos usos. El flujo de BFG a uno o más lugares 8a es controlado por un sistema de válvula de control 8b.
También se puede inyectar hidrógeno, CO o una mezcla de hidrógeno y CO en el alto horno 1 a través de la tobera de solera 1b como gas reductor adicional. (En la figura se representa esquemáticamente una sola tobera, mientras que, en la práctica, un alto horno comprende una multitud de toberas)
Con el fin de limitar la huella de carbono de la operación de alto horno conocida, el hidrógeno, CO o la mezcla de hidrógeno y CO pueden obtenerse de fuentes respetuosas con el medio ambiente, tales como la combustión parcial o el reformado de biocombustibles.
Como se indicó anteriormente, para limitar las emisiones de CO2 del alto horno, el hidrógeno podría parecer el gas reductor adicional preferido. Desgraciadamente, el costo del gas de hidrógeno sustancialmente puro inhibe habitualmente este tipo de aplicación industrial.
Un problema técnico adicional relacionado con la inyección de hidrógeno (y CO) en un alto horno se refiere a la termodinámica del proceso del alto horno, a saber, el hecho de que la eficiencia del uso de hidrógeno (y CO) en el alto horno rara vez excede del 50 %. El 50 % del hidrógeno inyectado en el alto horno sale por lo tanto por la parte superior del alto horno sin participar en las reacciones. Esto limita el uso de hidrógeno en un alto horno convencional.
La Tabla 1 presenta una comparación teórica, basada en la simulación de procesos, entre las operaciones de un alto horno convencional inyectando 130, 261 y 362 Nm3 de hidrógeno / tonelada de metal caliente (thm) en un alto horno estándar con inyección de carbón en polvo (PCI) cuando ese hidrógeno se utiliza para reemplazar el carbón mientras se mantiene constante la tasa de coque. En la Tabla 1 se presentan los casos en los que 130 y 197 Nm3 de hidrógeno reemplazan al coque mientras se mantiene constante la tasa de inyección de carbón (PCI).
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
La Tabla 3 demuestra la necesidad reducida de oxígeno externo en el alto horno y en el convertidor de L-D, tal como se ilustra en la figura 2, cuando se utiliza oxígeno procedente del proceso de descomposición del agua en la planta siderúrgica.
Como se muestra en la Tabla 3, si se utiliza oxígeno del proceso de descomposición del agua para el alto horno y el convertidor de L-D, la necesidad de oxígeno externo, típicamente de una planta de separación de aire, para cumplir con el requisito de oxígeno de la planta de acero es muy reducido o inexistente.
Para la mayoría de las realizaciones ilustradas en la Tabla 3, el uso de la descomposición del agua para cumplir con el requisito total del alto horno de hidrógeno adicional da como resultado una generación de oxígeno que es insuficiente para cumplir con el requisito de oxígeno (adicional) del alto horno y el convertidor. Por consiguiente, se debe obtener oxígeno adicional de una fuente de oxígeno adicional, tal como una ASU, para cumplir con dicho requisito. Sin embargo, la cantidad de oxígeno a obtener de dicha fuente de oxígeno adicional se reduce drásticamente.
Sin embargo, cuando el uso de la descomposición del agua para cumplir con todos los requisitos del alto horno y/o para el convertidor (si está presente) da como resultado la generación de oxígeno en exceso del requisito de oxígeno adicional del alto horno (y, en su caso, el convertidor), el oxígeno excedente generado puede utilizarse ventajosamente en otros procesos/instalaciones de la planta siderúrgica y/o venderse para generar ingresos. La presente invención proporciona, por lo tanto, un método para reducir las emisiones de CO2 de una planta siderúrgica que comprende un conjunto de hornos de hierro (IFS) mediante la inyección en el IFS de un agente reductor no basado en carbono y esto a un menor costo total. También reduce en gran medida la cantidad de oxígeno externo producido por ASU, VSA, VPSA o cualquier otro método para completar el requisito de oxígeno de la planta siderúrgica. Al hacer esto, también se evita o reduce la cantidad de emisiones indirectas de CO2 de la producción de oxígeno. La huella de carbono de la planta de fabricación de hierro o acero se puede reducir aún más mediante el uso de electricidad de baja huella de carbono como se describe arriba.
Claims (14)
1. Un método de hacer funcionar una planta de fabricación de hierro o acero que comprende un conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro, en los que el mineral de hierro se transforma en metal caliente líquido mediante un proceso que incluye la reducción del mineral de hierro, la fusión y la generación de gas de escape (3), comprendiendo la planta fabricación de hierro o acero opcionalmente un convertidor aguas abajo del conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro, incluyendo el método las etapas de:
a. cargar el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro con mineral de hierro y coque,
b. inyectar gas oxidante en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro,
c. descarbonatar el gas de escape (3) aguas abajo del conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro para obtener una corriente de gas de cola enriquecida con CO2 (8) y una corriente de gas de escape descarbonatado (9) que no contenga más del 10 % en vol. de CO2, y preferiblemente no más del 3 % en vol. de CO2,
d. inyectar al menos el 50 % de la corriente de gas de escape descarbonatado (9) de nuevo en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro como una corriente de reciclaje de gas reductor,
estando el método caracterizado por que comprende las etapas de:
e. generar hidrógeno y oxígeno por medio de la descomposición del agua,
f. inyectar al menos parte del hidrógeno generado en la etapa (e) en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro, y
g. inyectar al menos parte del oxígeno generado en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro y/o el convertidor como gas oxidante.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que al menos parte del hidrógeno generado en la etapa (e) que se inyecta en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro se mezcla con la corriente de reciclaje del gas reductor antes de que la mezcla de gases así obtenida se inyecte en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que:
h. la corriente de reciclaje de gas o la mezcla de hidrógeno generada en la etapa (e) con la corriente de reciclaje de gas se calienta, preferiblemente en estufas calientes (20), aguas arriba del conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro a una temperatura entre 700 °C y 1300 °C, preferiblemente entre 850 °C y 1000 °C y más preferiblemente entre 880 °C y 920 °C.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que:
i. se produce un combustible (27) gaseoso de bajo poder calorífico con un poder calorífico de 2,8 a 7,0 MJ/Nm3 y preferiblemente de 5,5 a 6,0 MJ/Nm3, que contiene (i) al menos una parte (25) de la corriente de gas de cola (8) y (ii) una segunda parte del hidrógeno generado en la etapa (e), utilizándose dicho combustible gaseoso de bajo poder calorífi
5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se inyecta carbón pulverizado y/u otra sustancia orgánica combustible en el alto
horno (1) por medio de toberas (1 b).
6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que todo o parte del hidrógeno generado se inyecta en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro se inyecta en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro a través de toberas.
7. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que todo o parte del oxígeno generado en la etapa (e) se mezcla con gas con contenido en oxígeno no generado en la etapa (e) con el fin de obtener una mezcla que se inyecta como gas oxidante en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro.
8. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el gas oxidante que se inyecta en el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro en la etapa (b) consiste en oxígeno generado en la etapa (e).
9. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que en la etapa (e), hidrógeno y oxígeno se generan mediante descomposición biológica y/o electrolítica del agua, preferiblemente mediante descomposición electrolítica del agua.
10. Método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que en la etapa (e), hidrógeno y oxígeno se generan mediante descomposición electrolítica del agua a una presión por encima de la presión atmosférica y/o a una temperatura por encima de la temperatura ambiente.
11. Método de acuerdo con la reivindicación 10, en el que en la etapa (e), hidrógeno y oxígeno se generan mediante descomposición electrolítica del agua a desde 5 hasta 75 MPa.
12. Método de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en el que en la etapa (e), hidrógeno y oxígeno se generan mediante descomposición electrolítica del agua a 50 °C hasta 1100 °C, preferiblemente a 75 °C hasta 1000 °C y más preferiblemente a 100 °C hasta 850 °C.
13. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas reductor se inyecta en el conjunto de hornos de fabricación de hierro a través de toberas.
14. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el conjunto (1) de hornos de fabricación de hierro comprende y preferiblemente consiste en uno o más altos hornos.
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