Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 3, N° 1, 1983

Reductores Sólidos como Insumo Alternativo para la Reducción Directa enVenezuela

Alfonso Pryor

Departamento de Ciencia de Materiales, Instituto de Investigaciones Metalúrgicas, Universidad SimónBolívar, Caracas 1080A, Venezuela,

Se presenta una apreciación preliminar global de las posibilidades de utilización de carbón y coque de petróleo como insurnoen el proceso de red ucció n directa(R. D.) de minerales de hierro. Se contempla la utilización del carbón tanto sólido como gasi-ficado, mientras en el caso del coque se considera útil únicamente al gasífícarlo. Se comentan los principales problemas quepresentan la utilización de reactores rotatorios y estacionarios que utilizan reductor sólido y también los ajustes en composí-ción al gas reductor generado con ambos insumos, para poder ser utilizados en unidades existentes Midrex y HyL.

Solid Reductor as Alternative Input for the Direct Reduction in Venezuela

An appreciation of the possibilities of using coal and petroleum coke as an input in Direct Reduction ofIron ore (DRI), is pr e-sented. Coal could be used as a solid as well as gasified, while coke must be gasified previously. A commentary is made on themain problems involved in using rotary and stationary beds for direct reduction, using a solid reductor and also the need toadjust the composition of the gas obtained from coal and coke to be used in Midrex or HyL uníts.

INTRODUCCION

El objetivo de la R. D. es obtener un productometalizado a partir de óxido de hierro, al estado só-lido (entre 500-1.200° C), incorporando una canti-dad controlada de carbono.

o Desde principios de siglo se han ensayado más de300 procesos diferentes, pero solamente una docenade ellos han alcanzado escala industrial; siendo aque-llos basados en gas natural los que han obtenido máséxito comercial. Sin embargo, la falta de este reduc-tor y/o la disponibilidad económica de carbón, hanpermitido el desarrollo de procesos basados en estemineral y aún mantienen el interés en su utili-zación.

Por otro lado, a partir de la crisis energética de1973, los esquemas de precio del gas han variadonotablemente, [Butanopropano $/T.M. 133 (1976) a345 (1980)], de manera de hacerse conveniente pen-sar en su reemplazo a mediano y largo plazo dandocon ello una utilización más acorde y productiva algas natural, si las condiciones de desarrollo del país yel avance tecnológico así lo permiten.

Disponibilidad de redactores sólidosEl gradual agotamiento de petróleos livianos y

medianos en el país, ha presentado la necesidad deexplotar yacimientos de hidrocarburos pesados, locual hace necesario un "alívianamiento" parasu utili-zación comercial. Esto ha traído y traerá como resul-tado la creciente disponibilidad de residuos carbo-nosos (coque de petróleo).

El proceso "Flexicoking" instalado en Amuaypor Lagoven, produce coque en forma de finos y ungas de bajo poder calorífico que eventualmente po-drían tener utilización en siderurgia corno reducto-res y combustibles. Este gas tiene entre 90-130BTU!ft 3, lo cual hace que sea considerado corno po-bre, si se compara con gas de coquería (536 BTU/ft 3)o gas natural (1.482 BTU/ft 3); además contiene azu-fre, nitrógeno y partículas sólidas; sin embargo, estosniveles no son considerables como para calificarlocomo insatisfactorio, de acuerdo a las más estrictasregulaciones ambientales.

La explotación de la Faja también traerá consigola producción de enormes cantidades de coque, decomposición semejante a la que se obtiene enAmuay, aunque de características por determinar, deacuerdo al proceso de producción que se escoja paraestos hidrocarburos.

Los depósitos de carbón en Venezuelas~n mo-destos a nivel mundial y latinoamericano; sin embar-go, no dejan de ser considerables, ya que las reservasmedidas e indicadas alcanzan a 486.X 106 Ti M,; y lastotales a 5.333 X 106 T.M. [1]. Esto hace necesarioconsiderar el carbón como combustible de relevo alfinalizar el siglo, ya que su tecnología de produccióny utilización están a nuestro alcance.

En general, puede decirse que cualquier tipo decarbón puede ser utilizado en procesos de R.D.,siempre que éstos cumplan ciertos requisitos míni-mos, valga mencionar: reactividad, porcentaje ypunto de fusión de cenizas, contenido y forma en quese encuentra presente el azufre dentro del mineral.Las características de varios carbones nacionales apa-recen en la Tabla I.•

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TABLA Z- ANALISIS APROXIMADO y PODER CALORIFICODE VARIOS CARBONES EN VENEZUELA (1)

Los Caballos Sur Curamiehate Taguay Sta. Mar(a Lobatera Guasare NaricualLara Falcón Falcón Aragua Guórico Táchira Zulia AllZoátegui

Humedad 5.91% 2.79 11.50 9.7 37·12 1.9 8.34 1.90

Mat.Volátil 10·26% 46.79 34.20 42.64 29.85 44.7 41.67 45.46

Azufre 0·44% 2.32 2.6 1.9 0·5 1·17 0.81

Cenizos 26.62% 2.71 20. 7.3 10.97 6.1 3.99 2.71

P.C.(col) 5.490 2.200 8.300 7.300 7.850

C.F. 62.12 47.71 50.1 22.06 55·3 54.34 51.12

Reducción por Carbón

Se lleva a cabo mediante CO, así:

Fe203 + 3CO = 3Fe + 3C02C02+ C= 2CO

La cantidad de gas reductor la determina (2) y deinmediato resalta la importancia de las propiedadesdel s6lido en su reacci6n con C02. La figura 1 pre-senta la variación de la reactividad para diferentesreactantes s6lidos.

Experimentalmente se ha demostrado que lasreacciones de R.D. tales como:

Fe203 + 3C= Fe + 3CO

son lentas y parecen limitadas probablemente por lossucesivos pasos de reducci6n a Magnetita- Wustita;sin embargo, juega un papel importantísimo ya queconstituye el fulminante para la reacción (1), pues elCO producido en ésta se consume allí. Para proseguirla reacción, el C02 resultante en la misma es consu-mido por la Reacci6n de Bouduard (2). Este compor-tamiento podría ser la exp lícacióri de la forma de lascurvas en la figura 2, donde se observa un inicio lento[podría corresponder a (3)] para proseguir luegorápidamente. El punto de inflexi6n correspondeaproximadamente al 5% de Reducción, que podríaequivaler al inicio de las reacciones para obtenerFe304- FeO- Fe y (2), las que son aceleradas por lapresencia de partículas metálicas [3].

Reducción Directa con redactores sóltdos

Estos procesos se difieren de acuerdo a la formaen la cual el calor es generado por/ o para el proceso.Los métodos Krupp, SLlRN y ACCAR entre otros,utilizan calor generado dentro del reactor por lasreacciones que se suceden mientras los otros proce-sos (Kinglor-Metor, Midrex-electrotérmico) utilizancalentamiento externo; bien sea mediante consumode combustibles' líquidos o por resistencias eléc-tricas.

(1)(2)

(3)

neaucaon en Reactores Kotatorios (SLlR~ ACCAR,KRUPP) [4-10]

Utilizan hornos cilíndricos, tipo Kiln, que reci-ben la carga, mezcla de mineral peletizado con car-bón, y la voltean continuamente en su movimientodescendente desde el extremo" de alimentaci6n hastaser descargada. La calefacción, como se señaló arriba,se asegura por la combustión del eo generado delhidrógeno proveniente de la materia volátil y de cual-quier otro combustible auxiliar que sea inyectado(Proceso ACCAR)

CH4 + FeO = CO + 2H2 + Fe (4)Normalmente la carga ocupa entre 15-20% del volu- .men total del horno, cuya pendiente y altura de ba-rreras refractarias de retención se calculan y diseñande tal manera que permitan, junto con la velocidad derotación, controlar el tiempo de residencia.

Cualquier tipo de carbón puede ser utilizado enestos reactores, desde lignito hasta antracita (Kruppprefiere lignitos para combusti6n). Los problemascon este tipo de reactores se asocia con:

-Flujo de gas a 10 largo del horno, particular-mente su velocidad, con el objeto de permitir latransferencia térmica.

-Control de la temperatura, la cual debe estardentro de límites, uno inferior q~e permita lareaccíórr de Bouduard y otro superior para queno se ocasione el ablandamiento v fusi6n de lacarga.

Reducción en Reactores Verticales(Kinglor Metor-Mídrex Electrotérmico)[11-15]

La carga contiene carb6n y mineral mientras elcalentamiento se realiza bien sea directamente (me-diante resistencia eléctrica -Midrex) o indirecta(mediante combustión de gases o líquidos -KM).Además, el lecho puede ser estático (Hoganas) o móvil (Echeverría, KM, Midrex).

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REACTIVIDAD DEL CARBON [2]1200r---------------------------------~~--1

1000

u~ 800..:a::::::J1--<:[ 600a:;wel.

~ 4001--

__ ---,40

200Coque de petrÓleo(colcinodo).

4 6TIEMPO DE ENSAYO (hr)

8 10

Figura 1.

El Mídrex parece atractivo ya que el carbón esutilizado solamente como reductor y el problema decalentamiento es resuelto en forma independiente;parte del monóxido liberado por la reacción (1) sedesplaza hacia arriba en contracorriente con los sóli-dos, lo cual permite reducción en cierta forma similaral alto horno. Mejora aún más su posibilidad econó-mica mediante la recirculación de gases y podríareducir a la mitad los requerimientos térmicos (1 a0.5 Gcal/ton Fe).

Sin embargo, estos procesos tienen el problemade que las dimensiones del reactor deben mantenerselimitadas por problemas de transferencia de calor.

Observaciones sobre la calidad de las materias primas

Los requerimientos en el mineral de hierro sonsemejantes a todos los procesos de R. D.

Sin embargo, es importante analizar las carac-terísticas a la fragmentación térmica del mineral,pues esto trae consigo una tendencia a la producciónde adherencias y anillos [16].

La utilización de carbones con alto volátil pre-senta el inconveniente del alquitrán sin quemar, elcual se deposita en los paños de filtro (KRUPP) limi-tando su capacidad. Esto puede obviarse instalandoquemadores que utilicen el gas de desecho para gene-rar vapor a la salida del horno.

Las cenizas de los carbones deben tener una tem-peratura de ablandamiento entre 100-2000 C por en-cima de las temperaturas de operación. La cantidadde ceniza de los carbones nacionales no representaproblema en ninguno de los procesos.

Observaciones sobre Energía

La Tabla II muestra el consumo de energía en losdiferentes procesos.

80

En comparacion con los procesos basados engases, es más alta en los procesos basados en reductorsólido, excepto el Electrotérmico Mídrex, Estas ci-fras dependen de la naturaleza del carbón. La cifra deACCAR (Carbón-Petróleo) es muy favorable (2.75-3.25 Gcal/Ton Fe).

El uso de oxígeno enriquecido en los reactoresrotatorios hará decrecer el consumo energético ypermitirá un mejor control del horno y la posibilidadde incorporar generadores de vapor con gas de de-secho es muy atractiva, ya que un sistema de estospuede generar hasta 2.) ton de vapor/ton Fe [16].

60

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Problemas con los Procesos

De acuerdo a sus características, pueden divi-dirse en:

-Problemas con diseño y equipos.

-Problemas operativos.

Problemas con diseño y equipos

Los reactores rotatorios presentan problemasmecánicos, más notables, a medida que el horno au-menta en dimensiones, principalmente en los siste-mas de tracción. También presentan problemas conel refractario, sistemas de evacuación y tratamientode gases de desecho.

Los hornos fueron rediseñados para mejorarcondiciones de velocidad de gas, partículas sólidas ensuspensión, deposición de destilados sobre pañosfiltro. El reactor SLlRN (mina griffith) modificó lasbarreras de retención a fin de mejorar el grado de lle-nado y de metalización; obteniéndose indirectamen-te, mejoras con los factores señalados antes. Los ma-teriales para los quemadores deben ser adecuada-mente seleccionados para evitar fallas por termo-fluencia.Problemas operatiuos [17- 21]

Adherencias

Se forman cuando los trozos de mineral o las pe-llas se fragmentan térmicamente generando cantidadconsiderable de finos, que van a depositarse sobre losrefractarios del horno formando compuestos de bajopunto de fusión. A esta fragmentación se añade lapresencia de finos «45fL), generados durante la pre-paración del mineral y su recobro de las pilas delalmacenamiento. La situación empeora con carbo-nes cuyas cenizas tienen punto de fusión bajo y lamala operación que ocasiona calentamientos localesde la carga. Una vez formada la adherencia, elcrecimiento para formar el anillo puede ser expo-nencial.

Generalmente se está de acuerdo en que la frag-mentación ocurre con los cambios volumétricos quese suceden en el cambio de fase Fe203 - Fe304. Situa-ción que puede agravarse con carbones con muy altovolátil, durante su desgasifícación.

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El hinchamiento anormal, causado por el creci-miento de filamentos de hierro durante la reducciónde wustita a hierro, ocasiona también adherenciaspor medio de ligaduras metálicas directas o por inter-conexión de filamentos. Los altos contenidos deceniza, y su carácter ácido, también coadyuvan eneste problema.

TABLA 11- CONSUMO ENERGETlCO EN PROCESO R.D

~IOREXMIDREX

PROCESO H1L SL I RN KRUPP ACCAR KM ELECTRO-gOl TERMICO

En.rQí~, poro 3.3-~("¡

<:::,C;I;:n Ft12.6 2.1- 3.1 3.3-~(*) 3.3-5(.) :2..7:)-3,2:5 3.S - 4.3 2.0-2.3(**)

(ll.u.)

Poteneia13!! 100 3!! 40 4!! 88 100eee'ctrico

(k_hlton FI)

Total 2.S 3.0 -3.4 3.3.~ 3.3.5 3.3.5 4.3 2.8(G cal/ton Fe)

ht) O.~,.nd. d. la naturaleza del reductor .olido

(fUI) Dep.nde dI la opción, del proceso eteooidCl. e' combustible 00 •• 010 producidocomo subproducto varIa

(Jl ••_) Con inyección de fue' oil

REDUCCION DE WUSTITA CON GRAFITO EN POLVO[5]60

55 1200·C 119~ 1073 C

I I

II~I

le 50·C

j -:

/ V/

/ II /

/ 1/1//V ) /¿ -' -'~ ..-

50

~ 45ozwzouu~elWa:Weloel<a:~

15

40

35

30

25

20

10

5

o 50 100 150 200 250 300 350 400TI E MPO EN MIN

Figura 2.

• Pellas O trozos.

Arracimados

Este es un fenómeno que aparece cuando el ma-terial se pega, formando racimos que impiden el flujouniforme del gas reductor, con lo cual el descensouniforme de la carga, en procesos como KM y Elec-trotérmico Midrex, se verá restringido.

La temperatura de operación en esos procesoses cercana a 1.000° C, la cual unida a las caracterís-ticas de la carga ya las propiedades de la materia pri-ma, pueden ser las causas de la presentación deracimos.

De acuerdo a los experimentos de Narita [22], elfenómeno es diferente dependiendo de la forma delmineral cargado, * esto fue conseguido haciendo unseguimiento del proceso (a 910° C), comparando ladisminución de volumen con respecto al grado dereducción. Su conclusión es que los fenómenos dearracimado deben ser apreciados como sinterizacióncausada por difusión superficial. Esta tendenciapuede modificarse con adiciones de CaO y MgO alas pellas.

Gasificacidn de reductores solidos y Sil

utilización en R.D. [23-29]

La gasificación de carbón y coque puede con eltiempo llegar a tener unlugar en R.D. en Venezuela,bien como reemplazo de hidrocarburos gaseosos ocomo base para nuevos procesos.

La Tabla III muestra la composición química delgas natural reformado utilizado en los diversos pro-cesos. Dependiendo del proceso de gasificación y deltipo de carbón y/o coque utilizado, puede conse-guirse una variedad de composiciones en las gasesreductores que difieren de los aquí presentados.

Las plantas con más éxito comercial: Midrex yHyL, han contemplado la posibilidad de utilizar pro-cesos de gasificación en sus esquemas de producción.Midrex parece la más decidida existiendo una serie deestudios de factibilidad y propuestas concretas algobierno de Alemania Federal para la implementa-ción de una unidad, incorporando gas generado a par-tir de carbón. .

Procesos de gasifi"caciónEl objetivo de la gasificación es copverrrr la ma-

yoría de la materia carbonosa en gas, dejando comoresiduo sólido, cenizas y una pequeña cantidad de és-ta. Los procesos de gasificación conocidos por mu-chos años, han tomado nuevo auge a partir de 1973, Yde los estudios estratégicos sobre el agotamiento decombustibles líquidos y gaseosos y su reemplazo porcarbón hacia finales de siglo, lapso en que este mine-ral servirá de puente con las nuevas fuentes de ener-gía hoy en desarrollo.

Venezuela es un caso sui géneris, ya que ademásdel carbón, generará también significativas cantida-des de coque de petróleo con el desarrollo de los cru-dos de la Faja del Orinoco.

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PROCESO MIDREX ACOPLADO A GASIFICADORDE LECHO DE ARRASTRE[30]

A LA CALDERA CONGAS DE DESECHO

CONDENSADOR

PROCESO MIDREX ACOPLADO A GASIFICADOR DE LECHO FLUIDIZADO

CZAGUA COMPRESOR

LIMPIADORDE LA ZONA

DE ENFRIAMIENTO

A LA CALDERA CONGAS DE DESECHO

UNIDADDESMINERAUZADORA

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Latin/itnerican ¡oumal o/ Metallurgy and MaterialJ, Vol. 3, N° 1, 1983

La mayoría de los procesos para gasificación decarbón utilizan oxígeno (aire) y vapor, como mediogasificante, y de acuerdo al método de contacto de losreactantes pueden agruparse:

h f·· {Presión normal Productor de gasLec o 1)0 Alta presión Lurgi

Lecho fluidizado WinklerLecho arrastrado Koppers-totzek

Los lechos fijo y fluidizado son convenientespara tratar carbones poco o no cornpactantes, concenizas cuya fusión sea a alta temperatura(> 1.200° C); aunque se ha desarrollado reciente-mente un gasificador que puede operar a más altatemperatura, el cual opera a 1.820° C en lugar de1.100° C, esto hace posible trabajar con cualquiercarbón, no importando la temperatura de fusión desus cenizas ya que trabaja bajo condiciones de deseo-riado de éstas. Los gasificadores de arrastre puedenprocesar cualquier clase de carbón.

Los dos últimos procesos son los que han reci-bido la atención de la Midrex (ver figura 3), propor-cionan un gas con contenido de CH4 menor de 3% Jpueden operar continuamente.

Los lechos fluidizados no son sensitivos a las va-riaciones en el contenido de cenizas, lo cual permitee! uso de carbones de diferentes análisis y la obten-ción de altos rendimientos. El proceso está limitadopor la temperatura de fusión de las cenizas y la reactí-vidad del combustible. La gasificación no es comple-ta, por lo cual existirá un poco de semicoque queeventualmente podría ser utilizado en la generaciónde vapor.

Los lechos de arrastre son muy confíables, pue-den utilizar carbones de cualquier característica decompactación y su desgaste mecánico es mínimocomparado con los otros procesos. Sin embargo, suimportancia para el país radica en que el tamaño departícula exigido puede darle cabida a los finos decoque del proceso flexicoking.

TABLA J/l COMPOSICION QUIMICA DE GAS NATURALREFORMADO (% Vol)

PROCESO H CO CO H20 (CH4+N2)

HyL 75 14 8 - 3

MIDREX 53 35 2 5 5

PUROFER 47 45 2 3 3

ARMCO 68 20 2 9 1

HIB

FlOR 89.0 2.1 9.6 31 (4.6)CH4

Aunque en e! presente, e! costo. calculado porkilo caloría de gas a partir de carbón es más de dosveces el del gas natural, existen una serie de desarro-llos tecnológicos que estarán probablemente enmarcha para la próxima década y que pueden hacerque el costo de gasificación, por un lado y los aumen-tos en los costos de producción en los procesos de gasnatural por otro, hagan competitiva su utilización.

OBSERVACIONES GENERALES

1. Cualquier tipo de los carbones existentes en elpaís pueden ser utilizados en reducción directabien sea como reductor sólido o gaseoso, tenien-do ciertas ventajas como bajo contenido de ceni-zas y buenas velocidades de gasificación por tra-tarse de ·carbones jóvenes. El azufre tampocopresenta mayor problema ya que únicamente unmanto de Naricual presenta valores altos eneste elemento.

2. Sin duda alguna los coques de petróleo que even-tualmente se producirán como residuos de desti-lación, también podrán ser empleados para lageneración de gases reductores. Sin embargo, nose conocen completamente sus características.Esto podría dar lugar a tratamientos previos a sugasificación con e! objeto de separar elementosnocivos (p.e.: azufre, metales pesados).Tampoco existen datos sobre gasifícación deeste material y por las apreciaciones formuladasantes, esto podría dar lugar a diseños específicospara sus gasifícadores.

3. Los reactores rotatoríos tienen la desventaja fun-damental de que e! 65% del combustible sólidoes co nsurn ido en combustión para mantener laalta temperatura de! horno. Solamente e!35% desu valor es disponible para reducción; además, e!calor sensible en los gases de desecho usual-mente no es recuperado.

4. Una combinación de reductores a gas con gasífi-cación de carbón presenta también una desven-taja térmica, ya que entre el 30/50% del corn-bustible sólido es consumido en combustión enel gasificador, y solamente e! restante se encuen-tra disponible como reductor. Esta combinaciónrequiere casi dos veces la energía de un reactorvertical basado en gas natural.

5. Aquellos procesos que utilizan una fuente ex-terna de calentamiento (K-M y electro térmicoMidrex), pueden crear gradientes térmicos en lacarga a medida que aumentan de capacidad, locual influenciará la uniformidad de! producto.

6. El proceso SL/RN es e! más desarrollado a escalaindustrial, de los que utilizan reductor sólido. Lautilización de oxígeno enriquecido mejoramucho su eficiencia térmica, aumenta su posibi-lidad de control y productividad. La inyección dehídrocarburos en la zona de descarga del horno

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lo habilitan para cargar directamente la esponja ala unidad de fusión. Claro está que este sistema estérmicamente muy favorable para la economíaglobal del proceso siempre y cuando se dispongade un medio confiable para recarburizar el bañometálico a fin de provocar un enérgico" carbonboíl" .

7. La relación H2/CO en los gases reductores es de1,5: 1 para Midrex y 5: 1 para HyL (basados en gasnatural). Esta relación es 1: 1 en los gasificadoresLurgí y Koppers-totzek, y mayor de 2:1 paraWinkler. Estos gases podrían ser utilizados gene-ralmente en Midrex sin mayores problerrias,pero para su uso en HyL, si las condiciones dereducción se mantuvieran equiparables a las ac-tuales, debería sufrir un aumento en hidrógenomediante un enriquecimiento por desplaza-miento.

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