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Acero verde: acero de acoplamiento con producción de metanol


Se informa un análisis tecnoeconómico para seis escenarios diferentes de reducción de emisiones de dióxido de carbono en la fabricación de acero.


Hace mucho calor dentro de una acería. El horno metalúrgico de cuchara que se muestra en la Figura 1 opera a más de 1500 ° C, y este calor proviene inevitablemente del carbón, el gas natural o el hidrógeno renovable. La reducción química a alta temperatura del mineral de hierro ( p . Ej. , Fe 2 O 3 ) a hierro metálico (Fe), su posterior conversión a diferentes tipos de acero ( p . Ej. , Carbono, aleación, herramienta, inoxidable) y su colada descendente en miles de Las formas de losas, láminas, alambrón y alambre también son habilitadas por carbón, monóxido de carbono, gas natural o hidrógeno. Además, los hornos de arco eléctrico empleados para fundir, por ejemplo, arrabio o chatarra, requieren una gran cantidad de electricidad, a menudo procedente de instalaciones de cogeneración de combustibles fósiles in situ.


Figura 1. Horno metalúrgico de cuchara típico dentro de una acería.



No es sorprendente que los métodos tradicionales de producción de acero se enfrenten a desafíos en forma de alta demanda de energía, problemas de procesamiento de varios pasos, complejos problemas de gestión del calor y del gas, todo lo cual contribuye a una gran huella de carbono. Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), la industria del acero representa cerca del 30% de las emisiones directas de dióxido de carbono (CO 2 ) del sector industrial, lo que corresponde al 7% de las emisiones globales de CO 2 (datos de 2014) . En la actualidad, la reducción de la huella de carbono de una acería se produce mediante mejoras incrementales de eficiencia diseñadas para causar una interrupción mínima en su producción; estas actualizaciones dependen principalmente de la viabilidad económica y el riesgo asociado de su implementación. Almacenamiento de CO 2Las emisiones en los embalses subterráneos están perdiendo apoyo político y público, mientras que la conversión del CO 2 en portadores de energía química está ganando interés en los círculos gubernamentales, industriales y académicos. Utilizar y valorizar el CO 2 presenta una oportunidad económica más allá de simplemente eliminarlo de los gases de combustión industriales y almacenarlo bajo tierra.



Sin embargo, una vez generado, convertir el CO 2 nuevamente en combustibles sintéticos o químicos es costoso en términos de energía. Además, dado que la energía renovable puede ser más costosa en el futuro, su uso eficiente es clave tanto para el clima amigable como para las operaciones industriales económicamente viables, incluida la fabricación de acero.


El mineral de hierro se reduce más comúnmente a través de reacciones carbotermales usando carbón (C) o usando gases como monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H 2 ), gas de síntesis (o "syngas", una combinación de CO y H 2 ), o metano (CH 4 ), representado por los siguientes procesos de reacción:

Fe 2 O 3 + 3 C → 2 Fe + 3 CO

Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2

Fe 2 O 3 + 3 H 2 → 2 Fe + 3 H 2 O

4 Fe 2 O 3 + 3 CH 4 → 8 Fe + 3 CO 2 + 6 H 2 O


Los procesos de captura y utilización de carbono (CCU) en una acería convencional de alto horno podrían, en principio, hacer uso de las grandes cantidades de calor residual, carbón, coque y vapor disponibles para transformar el CO 2 en productos químicos de valor agregado como el metanol. Además de sus aplicaciones directas (como combustible, disolvente, precursor químico, etc. ), el metanol se puede procesar más para producir el prometedor sustituto del combustible diésel verde, el éter de oximetileno (OME). Se están realizando importantes esfuerzos de investigación y desarrollo para explorar la viabilidad técnica y económica de CCU en ese contexto. Un ejemplo destacado es el proyecto insignia alemán Carbon2Chem ® de 100 Mio € . Una vez más, sin embargo, las instalaciones técnicas necesarias para capturar CO 2de tales acerías y convertirlo en productos de valor agregado sería costoso y requeriría la importación de grandes cantidades de energía renovable (para lograr emisiones netas negativas de CO 2 ).



Como resultado, la gestión inteligente del carbono puede implementar procesos alternativos para generar hierro metálico, como los procesos de reducción directa que utilizan gas natural como se mencionó anteriormente. Cuando se usa gas natural como reductor, se puede generar gas de síntesis como subproducto, que luego se puede convertir en metanol y otros productos derivados.


En este contexto, Michael Bender y sus compañeros de trabajo en BASF SE, Ludwigshafen en Alemania, han informado recientemente sobre un análisis tecnoeconómico para seis escenarios diferentes de reducción de emisiones de CO 2 en la fabricación de acero, utilizando como ejemplo una acería ubicada en Duisburg, Alemania.


Un análisis detallado de materiales, energía y economía presentado por los autores determina los beneficios de los equipos integrados y los flujos de energía. El potencial de reducción estimado de los costos operativos y de capital y el CO 2 potencial de reducción y CO 2 costes de evitación se calculan.


Para apreciar el impacto que tendría un proceso de este tipo, y sin profundizar demasiado en los detalles involucrados, la Figura 2 muestra los flujos de masa y energía de una posible operación acoplada de acero y productos químicos, en la que pueden tener lugar tanto el procesamiento del acero como la utilización de CO 2. en tándem. El cuadro rojo delinea el límite del núcleo metalúrgico de la acería. Fuera de este núcleo, la acería integrada comprende además una planta de coque y dos plantas de energía, ambas alimentadas por gases de acería.




Figura 2. Diagrama de flujo simplificado de las operaciones en la planta de acería de Thyssenkrupp en Duisburg, Alemania. 2. Reproducido con autorización: Michael Bender, Thomas Roussiere, Heiner Schelling, Sabine Schuster, Ekkehard Schwab, Chem. En g. Tech., 2018, 90, No. 11, 1–25.


Los autores describen tres escenarios adaptables a una acería convencional, cada uno con un grado diferente de recuperación de energía y utilización de energía renovable. En tres escenarios adicionales, los autores comparan sus hallazgos con la fabricación de acero mediante el empleo de procesos alternativos de reducción de mineral de hierro, a saber, un proceso de “hierro de reducción directa” (DRI) basado en gas natural y un proceso similar basado en gas hidrógeno. Los parámetros económicos como las cifras de gastos operativos y de capital se reunieron cuidadosamente para los seis escenarios.

En una acería convencional, las impurezas orgánicas e inorgánicas que pueden estar contenidas en las corrientes de gas son potencialmente perjudiciales para los procesos catalíticos posteriores, como la producción de metanol. Después de esfuerzos significativos hacia la gestión creativa del calor residual y el procesamiento químico de los gases de la acería, se demostró que el gas de síntesis podría potencialmente actualizarse a la relación estequiométrica deseada y la calidad necesaria para la producción de metanol, aunque a un costo monetario enorme.



Por el contrario, un proceso DRI basado en gas natural ya posee una huella de carbono significativamente menor que la producción de hierro basada en altos hornos, si se opera como una instalación independiente. Los autores encuentran que el proceso DRI podría emplearse para generar una composición de gas de síntesis bastante cercana a la requerida para la producción de metanol. La combinación de DRI y un proceso de metanol podría reducir potencialmente la emisión general de CO 2 a niveles por debajo de lo que es posible para ambas unidades independientes. Al mismo tiempo, se encontró que los ahorros de costos específicos de CO 2 eran los más bajos entre los escenarios que permiten una “descarbonización” cuantitativa profunda de la fabricación de acero.

La ecuación de reacción efectiva que resume este escenario de descarbonización es la siguiente:

Fe 2 O 3, (s) + 3 CH 4, (g) → 2 Fe (s) + 3 CH 3 OH (g) Δ H m ° = +445 kJ / mol


La energía necesaria para alimentar esta reacción se puede suministrar de una manera respetuosa con el medio ambiente mediante la combustión de la unidad de reforma catalítica de forma convencional (utilizando gas natural). Sin embargo, en el futuro, el proceso combinado quedará prácticamente libre de CO 2 si se utiliza energía renovable.


La combinación de dos cadenas de valor previamente independientes podría ayudar a permitir sinergias energéticas que ya estaban latentes en el pasado, pero probablemente pasadas por alto porque la eficiencia energética y la compatibilidad con el clima de la producción industrial simplemente carecían de importancia en ese momento.

Este impresionante análisis tecnoeconómico que cubre el acoplamiento de la producción de acero y productos químicos proporciona un camino viable para la descarbonización de la industria del acero y el futuro logro de la producción de acero neutro en carbono.

Más allá del acero, en otros sectores industriales se han desarrollado ideas similares para convertir las emisiones de CO 2 en un recurso valioso para el uso en cascada del carbono fósil. En este contexto, la asociación industrial CO 2 Value Europe establecida recientemente tiene como objetivo promover la aplicación industrial de las tecnologías CCU en Europa para ayudarla a alcanzar sus ambiciosos objetivos de reducción de CO 2 y, al mismo tiempo, convertir el CO 2 en una valiosa materia prima. material para una futura economía del carbono. Esto tiene que ser lo más "circular" posible, diferente del enfoque "lineal" actual de tomar recursos fósiles, fabricar productos que contienen carbono y liberar CO 2 como desecho a la atmósfera.


Fuente: advancedsciencenews


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