Una nueva adaptación de los altos hornos existentes podría reducir las emisiones de la producción de acero en un 88%; cerrado

Investigadores de la Universidad de Birmingham han diseñado una adaptación novedosa para los altos hornos existentes que podría reducir las emisiones de CO2 de la industria siderúrgica en casi un 90%. Esta reducción se logra a través de un sistema de reciclaje de carbono de circuito cerrado, que podría reemplazar el 90% del coque que normalmente se usa en los sistemas actuales de hornos de oxígeno básicos de alto horno y produce oxígeno como subproducto.

El sistema, ideado por el profesor Yulong Ding y la doctora Harriet Kildahl de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Birmingham, se detalla en un artículo de acceso abierto publicado en el Journal of Cleaner Production. Si se implementara solo en el Reino Unido, el sistema podría generar ahorros de costos de £1,28 mil millones de libras esterlinas en 5 años y, al mismo tiempo, reducir las emisiones totales del Reino Unido en un 2,9%.

Presentamos aquí un estudio de primeros principios del acoplamiento sectorial entre un ciclo de división termoquímica de dióxido de carbono (CO2) y la fabricación de acero existente en alto horno y horno básico de oxígeno (BF-BOF) para una descarbonización rentable. Se propone una doble perovskita, Ba2Ca0.66Nb0.34FeO6, para la división termoquímica de CO2, un candidato viable debido a sus bajas temperaturas de reacción, altos rendimientos de monóxido de carbono (CO) y 100% de selectividad hacia CO.

El CO producido por el ciclo TC sustituye al costoso coque metalúrgico para la reducción del mineral de hierro a hierro metálico en el alto horno (BF). El CO2 producido a partir del BF se utiliza en el ciclo TC para producir más CO, creando así un circuito cerrado de carbono que permite desacoplar la producción de acero de las emisiones de gases de efecto invernadero.

El análisis tecnoeconómico de la implementación de este sistema en los BF-BOF del Reino Unido podría reducir las emisiones del sector siderúrgico en un 88% y al mismo tiempo aumentar la competitividad de costos del acero del Reino Unido en el mercado global mediante la reducción de costos.

El Sistema TC-BF-BOF con flujos másicos necesarios para producir 1 Tonelada de acero líquido. Kildahl et al.

Las propuestas actuales para descarbonizar el sector siderúrgico se basan en la eliminación gradual de las plantas existentes y la introducción de hornos de arco eléctrico alimentados con electricidad renovable. Sin embargo, construir una planta de horno de arco eléctrico puede costar más de mil millones de libras esterlinas, lo que hace que este cambio sea económicamente inviable en el tiempo que queda para cumplir el Acuerdo Climático de París. El sistema que proponemos se puede adaptar a las plantas existentes, lo que reduce el riesgo de que los activos se bloqueen, y tanto la reducción de CO2 como el ahorro de costes se notan de inmediato.

La mayor parte del acero del mundo se produce mediante altos hornos que producen hierro a partir del mineral de hierro y hornos de oxígeno básico que convierten ese hierro en acero.

El proceso es intrínsecamente intensivo en carbono y utiliza coque metalúrgico producido por destilación destructiva del carbón en un horno de coque, que reacciona con el oxígeno del chorro de aire caliente para producir monóxido de carbono. Este reacciona con el mineral de hierro en el horno para producir CO2. El gas superior del horno contiene principalmente nitrógeno, CO y CO2, que se quema para elevar la temperatura del aire hasta 1200 a 1350 °C en una estufa caliente antes de ser soplado al horno, donde el CO2 y el N2 (que también contienen NOx) emitido al medio ambiente.

El novedoso sistema de reciclaje captura el CO2 del gas superior y lo reduce a CO utilizando una red mineral cristalina de perovskita. El material se eligió porque las reacciones tienen lugar dentro de un rango de temperaturas (700-800 °C) que pueden alimentarse de fuentes de energía renovables y/o generarse mediante intercambiadores de calor conectados a los altos hornos.

Bajo una alta concentración de CO2, la perovskita descompone el CO2 en oxígeno, que se absorbe en la red, y CO, que se devuelve al alto horno. La perovskita se puede regenerar a su forma original en una reacción química que tiene lugar en un ambiente con poco oxígeno. El oxígeno producido se puede utilizar en el horno de oxígeno básico para producir acero.

La producción de hierro y acero es el mayor emisor de CO2 de todos los sectores industriales de base y representa el 9% de las emisiones globales. Según la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), se debe lograr una reducción del 90% de las emisiones de aquí a 2050 para limitar el calentamiento global a 1,5°C.

University of Birmingham Enterprise ha presentado una solicitud de patente que cubre el sistema y su uso en la producción de metales y está buscando socios a largo plazo para participar en estudios piloto, implementar esta tecnología en la infraestructura existente o colaborar en futuras investigaciones para desarrollar el sistema.

Recursos

Harriet Kildahl, Li Wang, Lige Tong, Yulong Ding (2023) “Descarbonización rentable de la producción de acero con horno de alto horno y horno de oxígeno básico mediante el acoplamiento del sector termoquímico”, Journal of Cleaner Production, doi: 10.1016/j.jclepro.2023.135963.

Publicado el 26 de enero de 2023 en Emisiones, Fabricación, Antecedentes del mercado, Materiales | Enlace permanente | Comentarios (1)