SIMULACION DE UN PROCESO DE REDUCCIONAPLICADO A UN MAPA TECNOLOGICO

J. Aguilar, R. Viramontes*

Universidad Autónoma de Nuevo LeónFacultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Doctorado en Ingeniería de Materiales*HYLSA S.A. de C.V.

Departamento de Investigación y Desarrollo

I. ABSTRACT

This project analyzes a reduction process into a fixed bed.It includes the aspects related to system response of operationprocess variables, which takes into consideration technologicaland business dimensions. This project is based mainly on HYL Iprocess, which includes three active reactors, but in this projectonly one reactor was used.

In order to evaluate the relationships between bothtechnological and business dimensions, a computer simulation modelwas developed. Finally, the curves obtained by the simulationmodel are presented on a technological map, in a way that it ispossible to evaluate technological and business views for newprocess alternatives.

II. RESUMEN

En este trabajo se analiza un proceso de reducción en lechofijo, cubriendo los aspectos que corresponden a la respuesta a lavariación de las condiciones de operación considerando dimensionesde tipo tecnológico así como de negocio. El trabajo está basado enmucha información del proceso HYL I con tres reactores activos queen aquí han sido integrados en uno solo.

Con el fin de poder obtener la relación entre las dimensionestecnológicas y de negocio, se utiliza un modelo de simulación porcomputadora. Finalmente se presentan las curvas de operaciónbasadas en el modelo de simulación y se presentan los resultadosen un mapa tecnológico, de manera que es posible evaluar puntos devista tecnológicos y de negocio de nuevas alternativas de proceso.

III. INTRODUCCION

El mapa tecnológico1 es una herramienta que permite evaluar,entre otros, el desempeño de un proceso frente a las dimensionesde proceso. Normalmente, todo proceso implica dos tipos dedimensiones, dimensiones tecnológicas y dimensiones de negocio.Las dimensiones de negocio son la respuesta del sistema, y lasdimensiones tecnológicas son las que pueden ser manipuladas enorden de obtener un resultado deseado.

Si se agrupan estos datos en una matriz, existe uncorrelación entre ambos tipos de dimensión, en ocasiones estarelación es directa y muy simple, pero en general, como es el casode un proceso industrial como la reducción directa, la relación es

más bien compleja.Dado que el mapa tecnológico es una herramienta que es útil

tanto para el tecnólogo como para el negociante, se requiere queesta contenga las dimensiones que en efecto son importantes parael proceso y la forma en que están relacionadas, con lo que esposible evaluar las alternativas tecnológicas que se presentan.

En este trabajo, dado que el proceso de reducción de mineralde hierro es más bien complejo, se recurre a un modelo encomputadora que simula al proceso y proporciona la informaciónnecesaria para el construir el mapa tecnológico.

IV. LA REDUCCION DE MINERAL DE HIERRO

En la actualidad existen dos rutas para la obtención de aceropartiendo de mineral de hierro: La ruta alto horno - convertidor,y la ruta reducción directa - horno de arco.

Ambas rutas parten de mineral de hierro, pero la diferenciabásica se encuentra en la forma de reducción. En la ruta de altohorno la reducción a hierro metálico es por fusión utilizandocarbón y aire para suministrar el calor necesario y generar gasreductor para la reducción desde hematita, que es el estado demayor oxidación hasta la wustita que es el estado de menoroxidación.

En la ruta de reducción directa la reducción se lleva a cabocon un gas reductor generado a partir de la reformación de gasnatural, el proceso se ejecuta sin fusión desde la hematita hastael hierro metálico. El calor se proporciona calentando el gasreductor en un intercambiador de calor.

Existen varios procesos de reducción directa, pero la granparte del mercado la manejan solo dos; el proceso Midrex y elproceso HYL.

El proceso HYL se divide además en un proceso de lecho fijollamado HYL I y un proceso de lecho móvil llamado HYL III.

V. DESCRIPCION DEL PROCESO

El proceso HYL I consiste en una serie de cuatro reactores enlos cuales se lleva a cabo la reducción mediante el paso de un gasreductor.

En la figura 1 se muestra un diagrama general del proceso quemuestra los equipos que lo componen y las corrientes de gas deacuerdo a la nomenclatura del propio diagrama.

El equipo número 3 es el reformador que recibe vapor de aguay gas natural para ser reformado, a la salida del reformador elgas es deshidratado (4), y en algunos casos decarbonatado (5).Este gas es calentado (7) y en algunos casos se le puede inyectaraire (8) y se introduce al reactor primario (9, P), el gas quesale de este reactor es deshidratado y calentado (10 y 11) eintroducido al reactor secundario (13, S) de donde sale para sernuevamente deshidratado y calentado (14 y 15) y pasa a un reactorllamado terciario (17, T) de donde sale como gas agotado hacia loscabezales de combustión.

Con esto se describe el ciclo del gas reductor, ahora elmineral de hierro se encuentra en el reactor terciario, recibiendo

el gas con el menor poder reductor, después de cierto tiempo,mediante maniobras con válvulas, el reactor terciario se convierteen secundario y el mineral parcialmente reducido recibe un gas demayor poder reductor que en la parte terciaria, después de ciertotiempo, el reactor secundario se convierte en primario, donde elmineral más reducido recibe el gas de mayor poder reductor. Cuandola reducción se ha completado, el reactor primario se convierte enreactor de enfriamiento (E) al cual se le inyecta gas natural conla finalidad de enfriar y controlar el contenido de carbón en elproducto (llamado hierro esponja), este control se lleva a cabomediante mezcla de gas natural y recirculación de gas deenfriamiento caliente, el exceso (8) es llevado al calentador delreactor primario (7) y mezclado con el gas reformado. Al finalizarel ciclo de enfriamiento se extrae el hierro esponja y se cargacon mineral para reducir.

Figura 1. Diagrama general del proceso

En todo este ciclo se entiende que cuando el reactorterciario se convierte en secundario, el reactor que se encontrabaen secundario se convierte en primario, y el reactor que seencontraba en primario pasa a etapa de enfriamiento, mientras esteúltimo pasa a maniobras de carga/descarga y terciario.

Cabe aclarar que el tiempo de ciclo (cada vez que hay uncambio) es fijo y que la parte terciaria abarca un tiempo demaniobras, durante este tiempo el gas que sale del reactorsecundario es llevado a cabezales de combustión (19).

El producto que se obtiene tiene un perfil de reducción, pero

al final es mezclado, por lo que se obtiene un grado demetalización (porcentaje de reducción) y un contenido de carbónpromedio.

Este proceso tiene como desventaja que no es continuo y quelos reactores son calentados y enfriados en cada ciclo.

VI. SIMULACION DEL PROCESO

Con la finalidad de poder analizar la respuesta del procesoante algunas variables, se desarrollo un modelo simplificado parasimular la reducción de mineral de hierro en lecho fijo. Seconsidera un solo reactor en que se lleva a cabo la reducción delmineral con el fin de lograr ajustar y probar el modelo, con esteresultado será posible agrupar los cuatro reactores para unanálisis más completo.

Este modelo está basado en las ecuaciones diferenciales quegobiernan la transferencia de calor en la pared del reactor, en elmineral y en el gas, además se tienen ecuaciones diferenciales quegobiernan el poder reductor del gas y la generación/absorción decalor en el lecho debido a las reacciones de reducción del mineraly de oxidación del gas.

Para manejar la parte de reducción se tiene una ecuación quegobierna la cinética de reducción, por lo que con este modelo esposible analizar la sensibilidad a:

- Las dimensiones del reactor- El material del cual está construido el reactor- El poder reductor del gas- La temperatura del gas reductor- El flujo de gas reductor- La temperatura inicial del lecho- La ganga en el mineral- El grado de pre-reducción del mineral

y de acuerdo al tipo de ecuación que gobierna la reducción:

- La reducibilidad del material- La presión del sistema

Para ajustar el modelo se realizaron pruebas de en elLaboratorio de Reducibilidad y en la planta piloto de HYLSA,Departamento de Investigación y Desarrollo, y como el modeloincluye las dimensiones del reactor en sus variables, se puedeextrapolar a reactores de tamaño industrial.

VII. EL MODELO

En este modelo se considera un reactor cilíndrico con paredrefractaria, el gas reductor pasa a través del lecho de mineral ylo reduce.

La energía necesaria para que el proceso se lleva a cabo esproporcionada por el propio gas reductor que ha sido calentadopreviamente, por lo tanto el gas reductor tiene la tarea decalentar y reducir.

En cuanto a la cinética de reducción del mineral de hierro,se acepta que la reacción: H2O + CO = H2 + CO2 ocurre, con lo quese acepta también que la reducción es vía hidrógeno.

Lo primero que se hace es determinar si el gas tiene lacapacidad termodinámica para reducir al lecho en todo momento,para esto se hace necesario evaluar la calidad del gas reductor encuanto a su poder reductor y para esto se proponen los parámetrossiguientes.

- Grado de oxidación del gas (x)- Presión de hidrógeno (pH2)- Presión de hidrógeno al equilibrio (pH2

+)

El grado de oxidación del gas corresponde a la relación entreel oxígeno que contiene el gas y el oxígeno que se requiere paracombustión completa, así este parámetro vale 1 para un gascompletamente combustionado.

La presión de hidrógeno se obtiene calculando el equilibriotermodinámico de un gas específico a diferentes temperaturas ygrados de oxidación, y mediante regresión múltiple se evalúan loscoeficientes de una relación del tipo:

T x D + T C + x B + A = pH 2 1

Mientras que para la presión de hidrógeno al equilibrio seconsidera el mínimo valor que debe tener este parámetro adiferentes temperaturas para considerar que el gas es reductor,con esto se tiene un criterio que permite conocer la calidad de ungas en cuanto a su capacidad reductora, al compararlo con pH2 sinnecesidad de conocer la relación de presiones hidrógeno/agua.

Mediante regresión lineal múltiple se calculan loscoeficientes para pH2

+;

T A = pH B+2 2

La etapa de reducción requiere integrar tanto ecuaciones detransferencia de calor como de cinética de reducción, en estetrabajo lo que se hace es introducir cierta cantidad de gas alreactor, y seguir el gas a lo largo del lecho evaluando sucapacidad reductora, su temperatura hasta salir del lecho2.

También se determina el grado de reducción del mineral por elcual este gas ha pasado. Cuando el gas reductor ha salido, seintroduce más gas reductor sucesivamente hasta que el mineral seha reducido por completo, o alguna condición que se haya impuestose cumpla.

La formulación parte de un balance de calor que proporcionalas ecuaciones que gobiernan al sistema:

)T - T( L H - )T - T( L H- = z

T C G rgrrpgppg

gg ∂∂

3

)T - T( L H = t

T C M rgrrr

rr ∂∂

4

tR]

RQ

M - xQ

N[ + )T - T( L H = t

T C M pp

go

pgppp

pp ∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

β5

En donde;Gg es el gasto de gasesC es el calor específicoT es la temperaturaL es el área por unidad de longitud de reactor

subíndices g (gas), r (refractario o pared), y p (pelet omineral)

Mr es la masa de refractario por unidad de longitud de reactorMp es la masa de pelet por unidad de longitud de reactorNo es el oxígeno removible del peletβ es el oxígeno necesario para combustión completaHp es el coeficiente de transferencia de calor gas - peletHr es el coeficiente de transferencia de calor gas - refractario

En el trabajo 3 se llega a que:

K 5a +

H1

1 = H

p

p 6

y;

K 3e +

H1

1 = H

r

r 7

con;

H = A Gg0.7

donde;

A es una constante geométricaa es el radio del peletKp es el coeficiente de conducción del peletKr es el coeficiente de conducción del refractarioe es el espesor de la pared refractaria

En cuanto a la capacidad calorífica del mineral y del gas,estas varían con relación al grado de reducción y con el grado deoxidación respectivamente.

El término:

xQg

∂∂

8

que representa a la variación del calor de reacción del gas conrespecto al grado de oxidación se calcula utilizando el equilibriotermodinámico a diferentes grados de oxidación y temperaturas.

Por otra parte:

RQ p

∂∂

9

corresponde a la variación de calor con respecto al grado dereducción. De la referencia 4 se obtienen la expresión para estetérmino.

En cuanto a;

tR

∂∂

10

debe ser evaluada experimentalmente.

De acuerdo a la literatura 5;

)pH - pH( v = tR +

22∂∂

11

tomando al hidrógeno como reductor, aún en el caso de que existaCO y otros gases, porque se supone que cinéticamente la reducciónse lleva a cabo, como se mencionó anteriormente, vía hidrógeno.

Ahora,

1) - R) - ((1B + R) - (1 A

1 = v31-

32-

12

con:

)T R

Q( a = A aexp 13

y;

)T R

Q( b = B bexp 14

las cuales son evaluadas mediante pruebas de reducibilidad.El método de solución consiste en partir de un perfil

termoquímico del pelet, térmico del reactor y con la temperaturade entrada del gas reductor, para un tiempo dado se calcula elperfil de Tg con respecto a z, luego con este perfil se calculanlas temperaturas de refractario y de pelet en el tiempo, como sonincrementos, los valores que resultan de un ciclo son utilizadoscomo valores iniciales del siguiente ciclo.

Al utilizar el modelo anterior con datos típicos para laspropiedades del pelet, refractario y gas, y mediante ajuste conpruebas de planta piloto y en laboratorio 6,7 se encuentran valorespara las constantes que reproducen el comportamiento general delproceso.

VIII.RESULTADOS

Como se indicó anteriormente, en este trabajo se simplificael proceso utilizando un solo reactor para la reducción total,esto es debido a que el modelo que se utiliza se prueba y seajusta con pruebas de un solo reactor en lecho fijo, y que laposterior integración del modelo sería la unión de más reactorescon diferente gas de alimentación.

En este trabajo se analizan la influencia del flujo de gasreductor, lecho precalentado y lecho pre-reducido.En la figura 2 se muestra la influencia del flujo de gas reductorsobre el tiempo de ciclo, considerando al ciclo como el tiempo quetranscurre desde que el mineral entra al reactor terciario hastaque el mineral reducido sale del reactor primario, es decir hastael inicio de la etapa de enfriamiento.

Al comparar la curva del proceso normal, es decir cargandomineral frío (curva marcada "Cal. y Red.") con la curva delmineral precalentado (curva marcada "Reducción") se observa que eltiempo durante el cual se inyecta el gas reductor es menor cuandoel mineral se precalienta, aunque esto se presenta más bien aflujos relativamente pequeños, estos flujos son normales enprocesos industriales.

Para el caso del precalentamiento se considera que el lechocompleto ha sido calentado a 900oC.

La manera en que se puede precalentar el lecho escombustionando gas natural con aire en exceso, de manera que latemperatura adiabática de combustión no sea tan alta que llegue asinterizar al mineral.

Además del precalentamiento del lecho, si éste se realizaracon un gas que tuviera cierto poder reductor, ya sea con gascombustionado en condiciones subestequiométricas o gas reformadoempobrecido, entonces se tendría un grado de pre-reducción inicial(lo cual ocurre con los reactores secundario y terciario).

Ahora, al tomar en cuenta el precalentamiento se tiene otraposibilidad de análisis, por ejemplo, si se considera que el

proceso de precalentamiento se lleva 30 minutos y que en estetiempo el lecho se ha transformado completamente de hematita amagnetita, y más aún, que la magnetita ha sido reducidalinealmente desde la entrada del gas hasta la salida,completamente reducida a wustita en la entrada y sin reducir en lasalida, y se supone que esta operación precalentó el lecho a900oC, es decir que el pre-reducido está caliente. Se tienenentonces datos para el mapa tecnológico.

En la figura 3 se muestran las curvas para reducción normal(curva marcada "Cal. y Red.") y la curva de pre-reducción (curvamarcada "Reducción") y se observa que en general la curva deprereducción tiene el mismo comportamiento que la curva deprecalentamiento, pero es más marcada la disminución en tiempo dereducción a los mismos valores de flujo que la curva de pre-calentamiento.

Figura 2. Comparación entre los tiempos requeridos para lareducción como función del flujo de gas reductor y del pre-calentamiento

Figura 3. Comparación entre los tiempos requeridos para lareducción como función del flujo de gas reductor y la pre-reducción

Con la información de las figuras 2 y 3 se genera la figura4, que corresponde al consumo específico de gas natural, aquí seconsidera el flujo de gas reductor, el tiempo que dura el procesoy la relación dada por el volumen de gas reductor que proporcionaun volumen de gas natural.

Figura 4. Consumo específico de gas natural en función de lasopciones de proceso

En esta figura se observa que el menor de los consumoscorresponde al esquema de pre-reducido, seguido del esquema deprecalentamiento y finalmente el esquema normal.

XI. MAPA TECNOLOGICO

En la figuras 5 y 6 se muestran los mapas tecnológicosbasados en los datos del programa de simulación.

- Las dimensiones tecnológicas son:PrecalentamientoPre-reducciónFlujo

- Las dimensiones de negocio son:El tamaño y materiales de que esta construido el reactorEl poder reductor del gas

La temperatura de entrada del gasLa temperatura inicial del lechoLa reducibilidad del mineralLa presión del sistema

En este caso no se toman todas estas dimensiones porque elinterés es aplicar el modelo a un mapa tecnológico con lasdimensiones más obvias, es decir analizar la respuesta del sistemaal flujo, precalentamiento y pre-reducción como dimensionestecnológicas, sobre el consumo de gas natural (en la reducción) yla productividad como dimensiones de negocio. Esto no excluye quecuando se desee analizar cualquier otra dimensión simplemente seincluya, la limitante en realidad es la capacidad que se tengapara analizar la dimensión que se incluye, es decir, si es posiblemanipular la variable que gobierna a la dimensión en el modelo quese proponga, o si se dispone de información suficiente comocurvas, diagramas o tablas.

Con los datos que se obtienen de la simulación se determinaque el precalentamiento tiene una relación débil con el consumo ycon la productividad, la pre-reducción tiene una relación mediacon el consumo y la productividad y el flujo tiene una relaciónfuerte con el consumo y la productividad.

El mapa tecnológico que se muestra en la figura 5acorresponde a un flujo de 127 MCNH/T (de gas reductor) sinprecalentamiento, y por supuesto, sin pre-reducción, en este casoel consumo específico es 479 MCN/T (de gas natural) y laproductividad es de 1.53 ciclos/día.

En la figura 5b se toma un flujo de 210 MCNH/T sinprecalentamiento ni pre-reducción y da un consumo específico de660 MCN/T y una productividad de 1.81 ciclos/día.

Figura 5a. Mapa tecnológico para la opción sin pre-calentamientoni pre-reducción, flujo 127 MCNH/T

Figura 5b. Mapa tecnológico para la opción sin pre-calentamientoni pre-reducción, flujo 210 MCNH/T

Si se considera ahora el precalentamiento sin pre-reducciónpara el flujo de 210 MCNH/T (figura 6a), el consumo es 632 MCN/T yla productividad es 1.82 ciclos/día, para el esquema de pre-reducción (en el mapa se hace enfásis en que es otro esquema almarcar "NO") con el mismo flujo de 210 MCNH/T (figura 6b) elconsumo es 567 MCN/T y la productividad es 2.02 ciclos/día.

Figura 6a. Mapa tecnológico para la opción con pre-calentamiento,sin pre-reducción, flujo 210 MCNH/T

Figura 6b. Mapa tecnológico para la opción sin pre-calentamientocon pre-reducción, flujo 210 MCNH/T

Con los valores adecuados de costo de gas natural, costo deltiempo de reactor, costo del método de precalentamiento y pre-reducción, se pueden comparar fácilmente cada uno de los esquemasque se propongan.

X. CONCLUSION

De los mapas tecnológicos es posible obtener informaciónexpresada en términos comparativos claros, aunque la construccióndel mapa en sí no siempre es sencilla. En este caso, al observarlos mapas tecnológicos se detecta que la productividad no es muysensible, esto es porque se considera que el tiempo deprecalentamiento y pre-reducción invaden al tiempo normal deciclo, pero si se incluye este tiempo dentro de la parte destinadaa enfriamiento y maniobras, (en el caso de más reactores) es decirque el enfriamiento, las maniobras, el precalentamiento yprereducción sean realizadas en el mismo tiempo en el quenormalmente se hacen solamente las maniobras y enfriamiento,entonces la productividad en los esquemas de la figura 7 pasan de1.82 a 1.88 ciclos/día y de 2.02 a 2.12 ciclos/día.

Con esto es posible analizar dentro de un mapa tecnológicouna gran cantidad de esquemas, siempre y cuando las correlacionesentre las dimensiones tecnológicas y las dimensiones de negocio

sean bien conocidas.En este caso, la relación es de naturaleza compleja, y aunque

el modelo considera la reducción en una sola etapa para los tresóxidos de hierro, esta simplificación proporciona de modo generallas correlaciones entre las dimensiones del mapa tecnológico.

XI. AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan su agradecimiento a la empresa HYLSA porlas facilidades prestadas a través del Departamento deInvestigación y Desarrollo, y al Consejo Nacional de Ciencia yTecnología por el Apoyo brindado durante el desarrollo de estetrabajo.

XII. REFERENCIAS

1- King (B.).- Better Designs in Half the Time, Implementing QFDQuality Function Deployment in America. GOAL/QPC, 1987.

2- Aguilar (J.), Fuentes (R.), Viramontes (R.).- Reducción depelet de mineral de hierro en lecho fijo. Segundo CongresoIberoamericano de Metalurgia e Ingemiería de Materiales,México D.F., 8 al 14 de octubre de 1992.

3- Fuentes (R.), Aguilar (J.), Núñez (C.), Farías (R.).- HeatTransfer and Reduction to Wustite of a Bed of HematitePelets. Reporte DIM/10/02/40 FIME-HYLSA, junio 1989.

4- Fuentes (R.), Aguilar (J.), Farías (R.).- MathematicalModeling Of The Behavior Of Different Gases For ReductionFrom Hematite To Wustite In The HYLSA Pilot Fixed Bed Plant.Reporte DIM/10/02/73 FIME-HYLSA, diciembre 1989.

5- Bogdandy (L.), Engell (H.J.).- The Reduction of Iron Ores.-New York: Springer-Verlag, 1971, p.576

6- Montes (A.).- Reporte sobre evaluación de ahorro en consumode energía para el proyecto 2PCO2 referidos al consumoactual. HYLSA, Gerencia de Ingeniería de Procesos,Subdirección de Reducción Directa, agosto 1989.

7- Guerra (T.).- Comunicación Privada. HYLSA, Departamento deInvestigación y Desarrollo, diciembre 1990.