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Los impactos ambientales de la inyección de hidrógeno en los altos hornos

07 de October de 2021 Blog por Cassotis Consulting

Con la creciente presión de las partes interesadas por prácticas con menor huella de carbono, todas las empresas están buscando tecnologías económicamente viables que puedan cerrar la brecha de emisiones actual hacia un futuro más ecológico. Esta transición es más difícil para las empresas de las industrias de procesos tradicionales, que normalmente se enfrentan a una alta competitividad en un mercado global, como la fabricación de acero. Esta publicación muestra de forma cuantitativa los impactos ambientales de una tecnología alternativa en la ruta clásica de altos hornos (AH) - convertidor LD.

 

Durante muchos años, la industria invirtió en la investigación y el desarrollo de tecnologías que podrían cumplir con los criterios ESG (ambientales, sociales y de gobierno corporativo) al tiempo que garantizarían la competitividad del mercado. Se ha documentado que una planta siderúrgica integrada basada en la ruta AH-Convertidor LD tiene niveles de emisión de alrededor de 1,7 a 1,9 toneladas de CO2 por tonelada de plancha producida. Por naturaleza, los procesos de reducción (los altos hornos en particular) son los responsables de la mayoría de las emisiones, generando CO2 en el propio proceso o produciendo un gas energético que generará CO2 en otros procesos donde será quemado. Teniendo en cuenta esta lógica, vea a continuación el desglose de las emisiones de CO2 por proceso.

Es importante comprender cómo el proceso de los altos hornos genera CO2 para abordar las causas de las emisiones. Las reacciones de reducción de óxidos de hierro por CO y H2 producen hierro metálico, CO2 y H2O, respectivamente, tal como se describe en las siguientes ecuaciones.

 

Fe2O3+3H2→2Fe +3H2O (g)

Fe2O3 +3CO→2Fe +3CO2 (g)

 

Ambas reacciones ocurren simultáneamente en el proceso. Sin embargo, al cargar el AH con coque y carbón, la reacción de reducción basada en CO ocurre en mayor proporción, debido a la composición de los combustibles sólidos, generando más CO2. La alternativa para reducir la generación sería favorecer la reducción del hierro por hidrógeno, que en su lugar generaría agua.

 

Esto puede hacerse inyectando gas hidrógeno (H2) en los altos hornos. Las pruebas empíricas demostraron que cada kilogramo de H2 consumido reemplazó a alrededor de 3,9 kilogramos de coque. Este concepto de sustitución se conoce en la industria como equivalencia de coque y todos los combustibles de altos hornos, como carbones, carbones vegetales y gas natural, tienen sus propios valores. Las siguientes imágenes muestran el impacto de esta tecnología en el consumo de combustible* y consecuentemente en la emisión de CO2.La optimization sugiere que 10 kg de H2 por tonelada de arrabio reduce la emisión de CO2 en 0,123 t CO2 por t de plancha.

Además, el consumo de hidrógeno tiene otros impactos operacionales, que no pueden pasarse por alto. Los principales impactos se encuentran en los rendimientos de reducción de CO y H2, en la temperatura adiabática de llama (TAL) y en la productividad de los altos hornos. El aumento de la inyección de H2 aumenta el rendimiento de reducción de CO (lo que significa que se aprovecha mejor el carbono) así como la productividad de los altos hornos. Sin embargo, reduce el rendimiento de reducción de H2 (la proporción de reacción que involucra H2 realmente lo compensa), la TAL y la permeabilidad (debido a la reducción del consumo de coque). Los dos últimos son factores limitantes de la inyección de H2. Verifique los impactos numéricos:

Finalmente, es importante revisar su impacto económico. Aunque tiene muchos beneficios operacionales y ambientales, adquirir el gas H2 puede ser muy costoso y su consumo específico puede variar de un caso a otro. La siguiente figura muestra cómo cambia el consumo específico de H2 según su precio en dos condiciones diferentes: con o sin penalizaciones por emisiones. Está claro que la viabilidad del consumo de hidrógeno está estrechamente relacionada con las multas y los precios abonados, pero el gráfico muestra que las compensaciones ocurren en un comportamiento escalonado que no es lineal y, especialmente, no trivial.

A un precio de 22.700 eur/kg de H2, observamos un aumento de 11,75 eur/t de plancha en los costos de producción con la inyección de 10 kg/t de arrabio.

 

La inyección de H2 es un gran ejemplo de todos los aspectos que deben tenerse en cuenta antes de cambiar de tecnología. Más allá del efecto ambiental, toda alternativa de reducción de emisiones debe estimar el impacto colateral económico y operacional en toda la cadena productiva.



 

* Nota: Todos los datos fueron generados utilizando el modelo de planta siderúrgica integrada de Cassotis de una planta estándar basada en la ruta AH-Convertidor LD.


 

Autor: Guilherme Martino - Consultor Senior en Cassotis Consulting

                                      Coautor: Emmanuel Marchal - Managing Partner en Cassotis Consulting

 

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