Reducción del impacto ambiental del coque siderúrgico mediante briqueteado de carbón, biomasa y ligante

Abstract

La ruta del Horno Alto continúa siendo hoy en día el proceso más utilizado para la obtención del acero, constituyendo un 70% de la producción mundial. El coque es un material indispensable para llevar a cabo la fabricación de acero por la ruta del Horno Alto, ya que participa en la reducción del mineral de hierro y actúa como combustible y soporte físico dentro del horno. La industria siderometalúrgica es una de las mayores responsables de las emisiones industriales de CO2, aportando un 6% de las emisiones antropogénicas globales debido al uso intensivo de carbón. La incorporación de materias primas sostenibles como la biomasa se ha establecido como una de las principales vías para reducir las emisiones de CO2. Esta tesis se ha centrado en aumentar el conocimiento sobre el efecto del uso de biomasa en las propiedades del coque siderúrgico. Para ello se utilizaron diferentes tipos de biomasas y ligantes y dos carbones de distinto rango utilizados comúnmente en la industria siderúrgica. La combinación de estos aditivos con un carbón peligroso permitió determinar la capacidad de la biomasa para reducir la presión que se genera durante el proceso de coquización. Además, se evaluó la adición de biomasa en forma de briquetas, combinada con un carbón no coquizable y un ligante bituminoso. Este proceso permitió aumentar el porcentaje de aditivos sin empeorar la calidad del coque resultante. Sin embargo, el uso de ligantes bituminosos presenta la desventaja de que estos generan una gran cantidad de Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAHs) durante su carbonización. Por ello, se decidió comparar las emisiones de PAHs durante la carbonización de briquetas preparadas con ligantes bituminosos con otras que contenían un ligante de tipo biomásico y una parafina, lo que permitió comprobar que estos ligantes disminuyen las emisiones de PAHs. La utilización de un carbón alto en volátiles y con una elevada fluidez nos permitió evaluar la influencia de las biomasas y los ligantes sobre la fluidez del carbón. La biomasa redujo la fluidez drásticamente, siendo más significativa la reducción cuanto mayor es el rendimiento en sólido de dicha biomasa. Los ligantes bituminosos y la parafina consiguieron paliar en cierta medida el efecto de la biomasa sobre la pérdida de fluidez. Finalmente, se evaluó la resistencia mecánica y la reactividad frente a CO2 de los coques de las briquetas. La resistencia mecánica se pudo relacionar con su contenido en materia volátil, su densidad, y su composición textural. La reactividad también mostró buena relación con la composición textural. También se evaluó la existencia de sinergias en las mezclas, las biomasas fueron los aditivos que produjeron mayor sinergia con el carbón, en comparación con los ligantes no biomásicos, cuya sinergia fue menor y constante a lo largo de la carbonización.

The blast furnace route continues to be the process most widely used to obtain steel, which constitutes 70% of world steel production. Coke is an indispensable material for the manufacture of steel via the blast furnace route, since it is used for the reduction of iron ore and acts as a fuel and physical support inside the furnace. The iron and steel industry is one of the main generators of industrial CO2 emissions, contributing 6% of global anthropogenic emissions due to its intensive use of coal. The relatively recent incorporation of sustainable raw materials such as biomass has established itself as one of the chief ways to reduce CO2 emissions. This thesis aims to contribute to existing knowledge about the effect of using biomass upon the properties of metallurgical coke. To this end, different types of biomass and binders were employed in the preparation of briquettes together with two coals of different rank that are commonly used in the steel industry. By combining these additives with a dangerous coal it was possible to determine the capacity of the biomass to reduce the pressure generated during the coking process. In addition, the use of biomass in the form of briquettes, combined with a non-coking coal and a bituminous binder, was evaluated in order to assess whether an increase in the percentage of additives would lead to a deterioration in the quality of the resulting coke. It was found that the use of briquettes improved the properties of the resulting coke. However, bituminous binders generate Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) when carbonized. In this study, therefore, the emissions of PAHs during the carbonization of briquettes prepared with bituminous binders were compared with others that contained a biomasic binder and a paraffin binder. It was found that the latter binders reduced the emissions of PAHs. The use of a high volatile coal with a high fluidity allowed the effect of the biomass and binders upon the thermoplastic properties of coal to be evaluated. It was established that the biomass drastically reduced the fluidity, and that the greater the solid yield of the biomasses was, the greater the degree of reduction. It was also observed that the bituminous binders and the paraffin alleviated to a certain extent the effect of the biomass on fluidity. Finally, the mechanical resistance and the reactivity of the briquettes to CO2 were evaluated. Mechanical resistance depended on its volatile matter content, its density, and its textural composition. Reactivity also showed a clear relationship with textural composition. The presence of synergyes in the mixtures was also evaluated. Biomass was found to be the additive that showed the greatest synergy with the coal, whereas the synergy of non-biomassic binders was lower and constant throughout the carbonization process.