thumb|x300px|Llama debida a la combustión de gas de alto horno en la antorcha. Esta llama de color azul claro solo es visible por la noche
El gas de alto horno es una mezcla gaseosa generada durante la fabricación del acero. Es recuperada a la salida de los altos hornos, y contiene monóxido de carbono y dihidrógeno, cuya combustión permite precalentar el aire inyectado en los propios altos hornos. El excedente se utiliza para producir coque, y para generar vapor de agua que se transforma en electricidad mediante turbinas.
Aunque su poder calorífico es bajo (una décima parte del poder del gas natural), las características ligadas al funcionamiento casi continuo de los altos hornos hacen que el gas se produzca de forma regular, en grandes cantidades y durante varias décadas. Su valorización es por tanto interesante, y la única contaminación significativa ligada a su combustión consiste en la emisión de gas de efecto invernadero.
Seguridad en el manejo del gas de alto horno Pese a que el gas de alto horno es menos calorífico que otros gases utilizados como combustible, es un gas de tipo inflamable, por lo cual, el aumento acumulado de los niveles de gas de alto horno va aumentando también su peligrosidad, y así este gas podría llegar a ser tratado como una fuga peligrosa de gas inflamable, y requerir las reacciones correspondientes a una fuga de gas.
Historia El poder calorífico del humo de los altos hornos, que se enciende espontáneamente al salir por el respiradero, era un hecho ampliamente conocido, pero el tema no interesó a nadie hasta el final del :
Ya en 1814, el francés Aubertot recogió el gas emitido por un alto horno para calentar algunos hornos adicionales en su fábrica. De hecho, el interés de estos humos consiste en la presencia de una pequeña proporción (alrededor del 20% en ese momento) de monóxido de carbono, un gas tóxico pero combustible. En 1837, el alemán Faber du Faur desarrolló el primer calentador de aire, tubular, que funcionaba con gas de alto horno tomado antes de que saliera de la carga. James Palmer Budd presentó una patente similar en 1845, pero propuso un método práctico para capturar los gases: estos se tomaban de debajo de la parte superior y se bajaban al fondo del alto horno por medio de chimeneas laterales.p.28 ; 116-117
Alrededor de 1850, el desarrollo de la boca superior del alto horno en forma de campana, entonces llamada “Cup and Cone”, por George Parry, en la fábrica de Ebbw Vale, proporcionó una solución satisfactoria al problema de la captura de los gases de alto horno. Las mejoras posteriores son numerosas, pero la más destacable es la del estadounidense McKee, que desarrolló un sistema de esclusas de aire que permite presurizar el alto horno. Al mismo tiempo, se fueron desarrollando las técnicas de purificación del gas. Estos gases, que han pasado a través de la carga, deben ser limpiados de polvo para no obstruir los hornos: los botes de polvo, los ciclones y los filtros se encargan de purificar estos humos hasta un contenido de polvo de unos pocos miligramos por normo metro cúbico.p.191 Además, estas instalaciones tienen en cuenta los condicionantes asociados a la gestión de un gas tóxico producido en grandes cantidades.
Características mini|250px|Para evitar depósitos de polvo o lodos en las tuberías, hasta la década de 1970 se daban fuertes pendientes a las tuberías de gas mini|250px|Alto horno de Uckange: se puede ver la tubería de gas bajando al ciclón, y luego yendo a la purificación secundaria (a la derecha)
Pretratamiento Generación Al salir por la parte superior del alto horno, el gas (llamado gas crudo o gas no purificado) arrastra una gran cantidad de coque y polvo de mineral. La cantidad de polvo es muy variable y depende tanto del funcionamiento del alto horno como de la calidad de los materiales alimentados. El gas contiene entre 5000 y 30000 mg/Nm³ de polvo, lo que corresponde a entre por tonelada de hierro fundido producido.p.305-306 El gas de un alto horno moderno, cargado con cribas vibrantes y materiales optimizados, como aglomerados o briquetas, generalmente contiene una cantidad de polvo inferior a 10 g/Nm³.
Este nivel de limpieza del gas recuperado se considera suficiente para su consumo. De hecho, los precalentadores, que absorben alrededor de un tercio del gas producido, son sensibles a la obstrucción: para funcionar de manera sostenible, requieren un contenido máximo de de polvo. Los motores de gas necesitan un gas más limpio: entre de polvo.Purificación (de gas de alto horno) Las turbinas, que las sucedieron desde la década de 1970, son aún más sensibles y requieren un gas muy puro, con menos de de polvo, y en ocasiones, dependen de una purificación adicional específica. Al comienzo de , la salida de depuración suele requerir un contenido de polvo como máximo igual a , o incluso inferior a .
Purificación en seco
En Europa, la limpieza moderna de gases de alto horno generalmente se lleva a cabo en dos etapas: una etapa en seco con botes de polvo y ciclones, y una etapa húmeda con lavaderos.
Llevado al pie del alto horno por grandes conductos, el gas pasa por una primera etapa de depuración en separadores estáticos. De hecho, la presión, la temperatura y el contenido de polvo del gas pueden fluctuar muy rápidamente, por lo que se necesitan tecnologías simples y robustas: se utilizan botes de polvo y ciclones, que pueden retirar hasta el 85% del polvo del gas.
El equipo se conecta directamente a la parte superior. Están por tanto protegidos de sobrepresiones catastróficas (generalmente debidas a inestabilidades debidas al sobrecalentado del gas y su expansión) por los sangradores, unas válvulas de seguridad situadas en la parte superior del alto horno.Bleeder
Purificación húmeda o secundaria El gas semipurificado se trata luego en la purificación secundaria que combina tres funciones:Laveur venturi Limpiar el gas hasta que contenga menos de 10 mg/Nm³ de polvo (miligramos por "normo metro cúbico"), para que su combustión no ensucie los aparatos (particularmente precalentadores) que lo utilizan Regular la presión en la parte superior (desde ), abriendo más o menos un obturador de regulación (un tubo de Venturi, una válvula o una clapeta) Enfriar el gas, especialmente en caso de un aumento inesperado de su temperatura
Estas tres funciones se pueden realizar simultáneamente en un lavador húmedo, un dispositivo que rocía agua cuando se descomprime el gas. Esta tecnología se ha generalizado con los altos hornos trabajando a alta presión en la apertura superior de los altos hornos.
Cuando el gas pasa a través de una etapa de depurador húmedo, no solo está saturado de vapor de agua, sino que también contiene gotitas que los desnebulizadores instalados en la salida del depurador húmedo mantienen por debajo bde .
También se han equipado grandes altos hornos con un turbo alternador que puede producir hasta de electricidad recuperando energía de la descompresión de gases. p.325; 348-349 En este caso, la purificación mediante un lavador húmedo es más difícil porque el proceso ya no puede aprovechar la descompresión del gas. Además, como es ventajoso mantener el gas caliente para aprovechar su mayor volumen, las purificaciones secundarias secas han reaparecido desde la década de 2000, particularmente en Asia.
Composición química El gas, que contiene monóxido de carbono e hidrógeno, tiene un poder calorífico bajo ( por Nm3 para un alto horno moderno) pero representa una fracción significativa (≈30 %) del balance térmico del alto horno.
El monóxido de carbono y el hidrógeno son los agentes reductores del mineral de hierro, que se forman y reaccionan a altas temperaturas. Un alto horno moderno tiene sensores que analizan continuamente la composición y la temperatura del gas en toda la parte superior, para detectar cualquier asimetría de funcionamiento. Un contenido de hidrógeno anormalmente alto también puede indicar una entrada de agua dentro del alto horno, debido a una fuga en el sistema de enfriamiento.
El nitrógeno proviene del aire inyectado en las boquillas: atraviesa la carga sin reaccionar significativamente. En cuanto al oxígeno, proviene tanto del aire como de la reducción de los óxidos de hierro del mineral. El cloro es característico de la inyección de carbón, y el azufre proviene principalmente del coque.
+ Composición del gas de un alto horno (operación a alta tasa de inyección de carbón)CO(% Vol)CO2(% Vol)(% Vol)(% Vol)(mg/m3)(mg/m3)(mg/m3)Cl(mg/m3)NO3(mg/m3)HCNLa presencia de cianuro de hidrógeno en el gas del alto horno es característica de una alteración de la marcha. De hecho, este compuesto químico, creado en la parte inferior del horno, se consume a medida que sube en la cuba. (mg/m3)20–2520–251–550-5810–4020-505-255-15
La composición del gas en la parte superior del horno fluctúa según su funcionamiento. Sus variaciones en la composición química pueden complicar su proceso de combustión. Por ejemplo, cuando su contenido de hidrógeno supera el 5%, los motores de gas pueden presentar fenómenos de autoencendido.Gaz de haut-fourneau ; Allumage anticipé
Propiedades físicas + Principales propiedades del gas de alto hornoComposición de referenciaPCI(Th/Nm3)Volumen de aire estequiométrico(Nm3aire/Nm3) estequiométrico(Nm3humo/Nm3)Temperatura Densidad relativa(respecto al aire)Viscosidad dinámica(10-6 Pa s)Límites de explosividadCOGas(15 °C)Gas(500 °C)LISLIE21,122,13,453,40,7250,5831,461120513521,06416,583371
En la década de 1960, el aumento del porcentaje de materiales preparados en forma de aglomerados en la carga provocó una disminución del poder calorífico del gas y en ocasiones era necesario enriquecerlo para uno u otro de sus usos.Gaz enrichi ; P.C.I. De hecho, el sinterizado reducía las necesidades de coque, y el gas era menos rico en monóxido de carbono.Gaz de haut-fourneau
Por el contrario, en la década de 1980, la generalización del enriquecimiento con oxígeno en el aire, necesario para los elevados índices de inyección de combustible en las toberas, provocó un descenso del contenido de nitrógeno en los gases que circulan por la cuba, y por lo tanto, un aumento del poder calorífico del gas de alto horno.
Valorización del gas de alto horno Uso en precalentadores El horno de precalentamiento del aire inventado por Cowper (Edward-Alfred Cowper presentó en mayo de 1857 una patente titulada Mejoras en hornos para calentar aire y otros fluidos compresibles)Cowper supuso la culminación de las numerosas investigaciones realizadas hasta entonces para poder insuflar aire en el horno a casi 1000 °C de forma económica. De hecho, es capaz de recuperar los gases de alto horno con una buena eficiencia (>85 %), garantizando al mismo tiempo un costo de mantenimiento muy bajo. Algunas mejoras posteriores, como los quemadores, no cambiaron fundamentalmente el principio de estos hornos, que son simplemente llamados "cowpers" en francés. Los primeros precalentadores Cowper se construyeron en las fábricas Clarence en 1860.
En una acería, un tercio del gas producido por un alto horno se reutiliza directamente para alimentar sus propios precalentadores.p.23}} La baja temperatura de la llama de este gas suele requierir un enriquecimiento con otro gas, generalmente gas de alumbrado, gas de convertidor, o incluso gas natural.p.21 De hecho, un alto horno moderno necesita un flujo de aire a 1200 °C, que no se puede obtener con gas de alto horno cuya temperatura de llama está entre 1100 y 1300 °C.
Uso en hornos cercanos a los altos hornos mini|upright=1.2|Red de Lorena de gasoductos de gas de alto horno en la década de 1960, conectando acerías. En verde, la red gestionada por la central térmica de Richemont, en violeta, las redes internas de las fábricas. La interconexión de los altos hornos flexibilizó su funcionamiento. Las redes internas alimentan las plantas de coque y algunos hornos anexos