ES2952386T3 - Procedimiento de almacenamiento de energía discontinua durante la reducción del mineral de hierro - Google Patents

Procedimiento de almacenamiento de energía discontinua durante la reducción del mineral de hierro Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un método para almacenar energía temporalmente, en el que el mineral de hierro se reduce con hidrógeno y el producto intermedio así obtenido del mineral de hierro reducido y las sustancias opcionales que lo acompañan se procesan metalúrgicamente, produciéndose el hidrógeno mediante la electrólisis del agua y la energía eléctrica requerida. siendo la electrólisis energía regenerativa, que proviene de la energía hidráulica y/o de la energía eólica y/o de la energía fotovoltaica u otras formas de energía regenerativa. El hidrógeno y/o el producto intermedio se produce independientemente de la demanda actual, siempre que esté disponible suficiente energía eléctrica generada de forma regenerativa. Cualquier cantidad de producto intermedio no demandada se almacena hasta que se demanda/utiliza, de modo que también se almacena la energía regenerativa acumulada en el mismo. La invención también se refiere a un método para almacenar energía generada de forma discontinua, siendo suministrada la energía generada de forma discontinua, cuando está disponible o una vez que se ha generado, a un proceso en el que se produce un producto intermedio almacenable a partir de un material de partida y el producto intermedio almacenable se almacenado hasta que sea requerido o exigido para la producción de un producto final. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de almacenamiento de energía discontinua durante la reducción del mineral de hierro
La invención se refiere a un procedimiento para almacenar energía que se produce en forma discontinua.
La proporción de energías regenerativas debe aumentar en todo el mundo, por lo que la energía regenerativa incluye energía procedente de materias primas renovables, por un lado, pero también de la energía hidroeléctrica, la luz solar y el viento. Mediante el uso de materias primas renovables, a menudo se puede generar energía en forma continua, por ejemplo, en centrales eléctricas de biomasa o plantas de producción de biogás.
Del documento “Potenziale und Hemmnisse für Power Demand Side Management in Osterreich” por Ch. Gutchi (15 de febrero de 2008), se conoce el uso de energías regenerativas en el sector industrial. El documento trata de un posible ahorro o distribución de energía en función de la capacidad de producción. Se sugiere que, durante los meses de menor utilización, se detengan las operaciones o se apaguen las máquinas o se almacene el producto en silos hasta su posterior uso.
Del documento “ Industrie als Energiespeicher” de J. Bernward (23 de julio de 2012), se sabe que reduce el consumo de energía al detener temporalmente la producción. También se sabe cómo reducir el consumo de energía cambiando la producción de modo que, cuando la energía sea barata, se produzca para almacenamiento y el producto se almacene.
Del documento US 1.167.016, se conoce la reducción de minerales de hierro y otros óxidos metálicos al estado metálico por medio de hidrógeno.
Sin embargo, cuando se utiliza energía solar y eólica, la energía se produce de manera intermitente debido a la dependencia del clima. Esta energía generada de manera discontinua no siempre está disponible cuando realmente se necesita, por lo que existe un problema para almacenar esta energía y hacerla disponible cuando se necesita esta energía.
En particular, con esta energía generada de manera discontinua, es difícil almacenar esta energía en una forma que pueda ser utilizada inmediatamente por el usuario final o para alimentar las redes de los usuarios finales. Los documentos US2009249922, WO2011116141, US5454853 y CN102424873 revelan todos el uso de energía renovable para producir hidrógeno a través de un proceso de electrólisis, cuyo hidrógeno se utiliza, además, en la producción de hierro reducido directamente.
El objeto de la presente invención es crear un procedimiento para almacenar la energía generada de manera discontinua.
Este objeto se logra con un procedimiento que tiene las características de la reivindicación 11. Los desarrollos ventajosos se identifican en las reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con la invención, no se pretende utilizar la energía generada de manera discontinua en su forma original, sino utilizar la energía para generar un producto intermedio fácilmente almacenable y así integrarlo en este producto intermedio, en donde, en el caso del producto intermedio, se trata de un producto que se requiere a nivel mundial. Cuando la energía discontinua está disponible, este producto intermedio se produce y almacena independientemente de la demanda del producto intermedio y, si es necesario, se alimenta a un procesamiento posterior. Dado que la producción del producto intermedio consume grandes cantidades de energía de todos modos, el consumo de energía que, de otro modo, surgiría durante la producción se desplaza en tiempo y lugar.
De acuerdo con la invención, como producto final se produce, por ejemplo, metal, en particular acero. En principio, el procedimiento según la invención es adecuado para todas las producciones industriales en las que se obtiene un producto intermedio almacenable.
La ventaja aquí es que, cuando se almacena la energía que se produce de manera discontinua, no es necesario devolverla a la energía original desde un medio de almacenamiento de ningún tipo, sino que la energía original se utiliza en forma razonable y se almacena en el producto intermedio, y no es necesario volver a utilizar energía para fabricar el producto intermedio en el sitio de fabricación del producto final.
La invención se explica a modo de ejemplo mediante un dibujo. Aquí:
Figura 1 muestra una vista general del procedimiento según la invención en un ejemplo de realización (horno de arco eléctrico);
Figura 2 muestra una vista general del procedimiento según la invención en un segundo ejemplo de realización (procedimiento LD);
Figura 3 muestra esquemáticamente los flujos de materia y energía.
De acuerdo con la invención, el producto intermedio es un producto intermedio que debe fabricarse con un aporte energético muy elevado, en particular, por ejemplo, productos intermedios para los que se requiere un proceso de fusión y/o un proceso de reducción, que tiene lugar en particular con la ayuda de la electricidad, es decir, por ejemplo, en un arco. En particular, sin embargo, este producto intermedio también puede ser hierro reducido directamente, por ejemplo, en forma de esponja de hierro o el llamado hierro en briquetas en caliente (“Hot Briquetted Iron”, HBI). El uso de la energía regenerativa disponible en forma intermitente o el almacenamiento de la misma en el producto intermedio también tiene la ventaja de que el trabajo puede llevarse a cabo de manera climáticamente neutra.
La producción de acero se realiza actualmente de diferentes maneras. La producción clásica de acero se lleva a cabo mediante la producción de arrabio en el proceso de alto horno a partir de soportes predominantemente de hierro oxídico. En este proceso, se utilizan alrededor de 450 a 600 kg de agente reductor, en su mayoría coque, por tonelada de arrabio, en donde este procedimiento libera cantidades muy importantes de CO tanto en la producción de coque a partir de carbón como en la producción de CO2. Además, se conocen los denominados “procedimientos de reducción directa” (procedimientos correspondientes a las marcas MIDREX, FINMET, ENERGIROn /HYL, etc.), en los que se utilizan predominantemente portadores de hierro oxídico para producir hierro esponja en forma de HDRI (“Hot Direct Reduced Iron”), se genera CDRI (“Cold Direct Reduced Iron”) o el llamado HBI (“hot briquetted iron”).
También existen los llamados procedimientos de reducción por fundición en los que se combinan el proceso de fundición, la generación de gas reductor y la reducción directa, por ejemplo, procedimientos de las marcas COREX, FINEX, HiSmelt o HiSarna.
La esponja de hierro en forma de HDRI, CDRI o HBI generalmente se procesa en hornos eléctricos, lo que consume mucha energía. La reducción directa se lleva a cabo utilizando hidrógeno y monóxido de carbono a partir de metano y posiblemente gas de síntesis. Por ejemplo, en el llamado proceso MIDREX, el metano se convierte primero de acuerdo con la siguiente reacción:
CH4 + CO2 = 2CO 2 H2
y el óxido de hierro reacciona con el gas reductor después de, por ejemplo:
Fe2Oa 6 CO(H2) = 2Fe 3 CO2 (H2O) 3 CO(H2).
Este proceso también emite CO2.
Del documento DE 198 53 747 C1, se conoce un proceso combinado para la reducción directa de minerales finos, realizándose la reducción con hidrógeno u otro gas reductor en lecho fluidizado horizontal.
Del documento DE 19714512 A1, se conoce una planta de energía con generación solar, dispositivo de electrólisis y un proceso metalúrgico industrial, en donde este proceso industrial se refiere a la producción de metal de aluminio a partir de bauxita, que consume mucha energía, o un proceso metalúrgico con hidrógeno como agente reductor en la producción de metales calientes como tungsteno, molibdeno, níquel, o similares, o un proceso metalúrgico con hidrógeno como agente reductor utilizando el procedimiento de reducción directa en la producción de metales ferrosos. Sin embargo, esto no se explica más en este documento.
Del documento WO 2011/018124, se conocen procedimientos y sistemas para proporcionar portadores de energía a base de carbono almacenables y transportables usando dióxido de carbono y usando energía eléctrica regenerativa y combustibles fósiles. En este caso, se aporta una proporción de metanol generado regenerativamente y una proporción de metanol generado mediante energía eléctrica no renovable y/o mediante reducción directa y/o vía oxidación parcial y/o reformado.
De acuerdo con la invención, el producto intermedio para la producción de acero se produce usando energía regenerativa por medio de un alto horno y un proceso LD posterior o un horno de arco eléctrico y, de ese modo, se almacena. Una ventaja particular es que el producto intermedio producido por medio de energía regenerativa puede almacenarse hasta que se procese más, lo que significa que el procedimiento según la invención hace posible almacenar energía regenerativa. Precisamente, este almacenamiento de energía regenerativa ha sido un problema muy grande hasta el momento, ya que la energía eléctrica en particular, que se obtiene del viento o del sol, depende de unas condiciones climáticas que no siempre son las mismas. La energía eléctrica generada a partir de la energía hidroeléctrica tampoco está siempre disponible. Los consumidores a menudo no están ubicados en los mismos lugares donde se genera la energía regenerativa. Este problema de almacenamiento y posterior movilidad de la energía almacenada se resuelve mediante la invención, ya que el producto intermedio generado según la invención puede transportarse eficientemente a cualquier ubicación en pequeñas unidades en cualquier cantidad, por ejemplo, por transporte marítimo.
Aunque el proceso según la invención no almacena la energía en una forma que se pueda llamar desde la instalación de almacenamiento para casi todo el mundo y para el consumo general, la demanda de ciertos productos intermedios en todo el mundo es tan alta que el hecho de que el producto intermedio represente la instalación de almacenamiento de energía según la invención hace que la energía eléctrica de otras fuentes u otras instalaciones de almacenamiento esté disponible para otras formas de demanda de energía, por ejemplo, para los clientes finales de electricidad, de modo que se pueda gestionar y disponer mejor del presupuesto energético global.
En particular, el procedimiento según la invención puede operarse en regiones del mundo en las que la materia prima para el producto intermedio y la energía regenerativa correspondiente producida se producen de manera discontinua en el mismo lugar. Un ejemplo de esto son los depósitos de magnesia para la producción de magnesia fundida (por ejemplo, para su uso en la industria refractaria) como ocurre, por ejemplo, en Canadá o China y, en consecuencia, el uso de, por ejemplo, energía hidroeléctrica o eólica o energía solar (China). En el caso de minerales de hierro que se van a convertir en el producto intermedio correspondiente en procedimientos de reducción directa, tales ubicaciones serían, por ejemplo, Suecia o Noruega (energía hidroeléctrica) o Australia (energía solar), en los que la energía regenerativa se utiliza para procesar mecánicamente la materia prima correspondiente, a saber, el mineral de hierro (por ejemplo, trituración, molienda, aglomeración) y también para producir hidrógeno para reducción directa o para pirolizar madera, por ejemplo, para generar corrientes de gas correspondientes que contienen carbono o hidrógeno.
El procedimiento según la invención prevé utilizar esta energía eléctrica generada a partir de energía eólica, hidráulica o solar para generar hidrógeno a partir de agua mediante electrólisis. Preferentemente, en el lugar en el que se genera el hidrógeno funciona una planta de reducción directa, en la que se reducen directamente los minerales de hierro procesados, también preferentemente por completo con energía eléctrica generada de esta manera. El producto intermedio obtenido de esta manera, en particular hierro en briquetas en caliente HBI, HDRI o CDRI, representa un medio de almacenamiento ideal para esta energía regenerativa y puede almacenarse en grandes cantidades indefinidamente y es accesible para cualquier forma de transporte a una instalación de procesamiento posterior, especialmente cuando se necesita allí. En particular, este producto intermedio se puede obtener en el lugar donde se produce en grandes cantidades que superan los requisitos actuales si se dispone de suficiente energía eléctrica. Si esta energía no está disponible, se dispone de cantidades suficientes del producto intermedio y, por lo tanto, de la energía en forma almacenada para poder satisfacer la demanda.
Al operar un arco eléctrico correspondiente, también con energía eólica, hidráulica o solar, es posible lograr una producción o fundición de acero libre de CO2 (por ejemplo, magnesia fundida) y también almacenar energía regenerativa.
De acuerdo con la invención, el hidrógeno procedente de los procesos regenerativos con corrientes gaseosas que contienen carbono o hidrógeno, como CH4, COG, gas de síntesis, etc., se utiliza en una planta de reducción directa. La proporción de hidrógeno de los procesos regenerativos a las corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno varía continuamente dependiendo de la disponibilidad. Por ejemplo, si hay mucho hidrógeno, casi el 100 % se usa para la reducción directa, pero si es necesario, también es posible cambiar a flujos de gas que contengan hidrógeno o carbón puro (por ejemplo, gas natural, biogás, gas de la pirólisis de materias primas renovables).
Sin embargo, el procedimiento funciona preferiblemente de tal manera que se produce tanto hidrógeno por medio de energía regenerativa cuando está presente como lo permite la energía disponible y este hidrógeno se usa para la reducción directa. Naturalmente, los flujos de gas de la producción de biogás y la pirólisis o el gas de síntesis a partir de biomasa, es decir, materias primas renovables, también pueden utilizarse como flujos de gas que contienen carbono o hidrógeno.
El exceso de hidrógeno que no se puede usar de inmediato se puede almacenar temporalmente.
Este almacenamiento temporal del hidrógeno se puede usar en un gasómetro, por ejemplo, y los contenidos de las corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno se pueden ajustar a través de un control de pronóstico. Este control de pronóstico puede medir la ocurrencia/cantidad de producción prevista de hidrógeno o energía regenerativa, pero también, por ejemplo, pronósticos meteorológicos para poder estimar la cantidad de producción de energía regenerativa. Además, en este control de previsión también se pueden incluir previsiones de demanda de otros consumidores externos, de forma que la energía eléctrica generada a partir de fuentes regenerativas se utilice de la forma más económicamente sensata.
Las temperaturas predominantes del flujo de gas se ajustan mediante calentamiento usando, por ejemplo, un reformador, calentador u oxidación parcial de 450 °C a 1200 °C, preferiblemente de 600 °C a 1200 °C, en particular de 700 °C a 900 °C, y luego se introduce en el proceso de reducción directa, para llevar a cabo allí una reacción química. El flujo de gas que sale del proceso de reducción directa también se puede devolver al proceso como un flujo de gas que contiene carbono o hidrógeno.
Los posibles productos intermedios resultantes según la invención son HBI, HDRI o CDRI.
En este caso, se ajustan sobrepresiones de 0 bar a 15 bar. Por ejemplo, se prefieren sobrepresiones de alrededor de 1,5 bar para el procedimiento MIDREX y alrededor de 9 bar, para Energiron.
Cuando el hidrógeno producido de manera regenerativa se mezcla con corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno, el contenido de carbono se puede ajustar idealmente del 0,0005 % al 6,3 %, preferiblemente del 1 % al 3 % y directamente ser incorporado como C o Fe3C en el intermedio. Tal producto intermedio tiene un contenido de carbono ideal y es particularmente adecuado para un procesamiento posterior, ya que aporta el contenido de carbono necesario para el proceso metalúrgico.
En una realización preferida, para compensar las fluctuaciones a corto plazo en la generación de energía renovable, se puede almacenar en forma de hidrógeno si está disponible en exceso. Este almacenamiento puede tener lugar en un gasómetro, por ejemplo. Dicha memoria se utiliza luego en caso de fluctuaciones. Las fluctuaciones a corto plazo pueden ser previsibles, por ejemplo, en los sistemas solares durante la noche, o imprevisibles, por ejemplo, las fluctuaciones de la fuerza del viento en las turbinas eólicas.
Las fluctuaciones a largo plazo, que pueden resultar de las diferentes estaciones, entre otras cosas, pueden tener lugar preferentemente en el almacenamiento de energía en forma de HBI.
Otra forma de compensar las fluctuaciones puede ser el uso variable de gas natural. Ventajosamente, el estado térmico del sistema puede mantenerse estable de esta manera.
Otra ventaja de la invención radica en el desacoplamiento espacial de los lugares donde se produce la energía regenerativa y donde se utiliza esta energía almacenada. Por ejemplo, es más probable que las plantas solares se construyan en áreas más cálidas y soleadas con mucho espacio, mientras que las acerías a menudo se encuentran cerca de ríos o mares. Dado que la energía producida se almacena en HBI, por ejemplo, se puede transportar de manera fácil y eficiente.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para almacenar energía regenerativa generada de manera discontinua, en donde la energía regenerativa generada de manera discontinua es energía eléctrica, en donde
se produce hidrógeno con la energía eléctrica, caracterizado porque
con el hidrógeno, se genera un producto intermedio almacenable a partir de un material de partida, y el producto intermedio almacenable se almacena hasta que se requiera para la fabricación de un producto final y se recupere, en donde el producto intermedio es un material de hierro obtenido en el procedimiento de reducción directa, y el material de partida, mineral de hierro, se reduce con hidrógeno y corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno, y el producto intermedio así obtenido a partir del mineral de hierro reducido y eventualmente cualquier sustancia que lo acompañe, se procesa metalúrgicamente, produciéndose el hidrógeno por electrólisis del agua, en donde la energía eléctrica necesaria para la electrólisis es energía regenerativa, que proviene de la energía hidráulica y/o eólica y/o fotovoltaica u otras formas regenerativas de energía,
en donde el gas que contiene carbono o hidrógeno es metano u otros gases portadores de carbono procedentes de la producción de biogás o de la pirólisis de materias primas renovables y en donde
- en el lugar donde se produce el hidrógeno, se opera una planta de reducción directa, en la que se reducen directamente los minerales de hierro procesados;
- el hidrógeno y el producto intermedio se generan siempre con independencia de la demanda actual cuando se dispone de suficiente energía eléctrica renovable, en donde
- el producto intermedio que no se demanda se almacena hasta la demanda/uso, de modo que la energía regenerativa almacenada en él también se almacena, en donde
la relación entre el hidrógeno procedente de la producción regenerativa y las corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno varía continuamente según la disponibilidad, en donde se utiliza hidrógeno procedente de la generación con energía regenerativa si hay suficiente energía regenerativa y, en ausencia de energía regenerativa generada de manera discontinua, se pasa a corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno procedentes de la energía regenerativa generada de manera continua.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque, durante la reducción del mineral de hierro al producto intermedio, se añade al hidrógeno un gas que contiene carbono o hidrógeno para incorporarlo en el proceso de reducción como carbono en diversas modificaciones en el producto intermedio.
3. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque se añade al hidrógeno para la reducción al menos tanto gas que contiene carbono o hidrógeno en diversas modificaciones que el contenido de carbono en el producto intermedio es del 1 % en masa al 3 % en masa.
4. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el gas reductor que consiste en hidrógeno y opcionalmente gas que contiene carbono o hidrógeno se introduce en el proceso de reducción de 450 °C a 1200 °C, preferiblemente 600 °C a 1200 °C, en particular 700 °C a 900 °C.
5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la sobrepresión durante la reducción está entre 0 bar y 15 bar.
6. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el ajuste de los contenidos de hidrógeno y/o corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno en el flujo de gas total se realiza a través de un control de pronóstico, en donde con el control de pronóstico se mide la producción/cantidad generada de hidrógeno prevista y/o energía regenerativa y/o corrientes de gas que contienen carbono o hidrógeno de la síntesis de biogás o la gasificación de materias primas renovables y/o se incluyen las previsiones meteorológicas en la evaluación de la energía regenerativa.
7. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque casi toda la corriente de gas que sale de la planta de reducción directa se devuelve al proceso como una corriente de gas que contiene carbono o hidrógeno.
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