Cálculo termodinámico del rendimiento de Fe metálico y las emisiones de CO2 en el proceso de reducción directa en horno de criba alimentado por gas

Convertir gas residual en metal útil

El acero sostiene la vida moderna, pero su producción libera grandes cantidades de dióxido de carbono. En China, donde se produce más de la mitad del acero mundial, reducir las emisiones es esencial para cumplir los objetivos climáticos. Este estudio explora cómo un subproducto infrautilizado de las plantas de coquización, llamado gas de horno de coquización, podría convertirse tanto en combustible como en agente químico para producir hierro de forma más eficiente en un tipo de reactor conocido como horno de criba, al tiempo que reduce la contaminación por carbono.

Por qué importan las chimeneas del acero

La producción de acero suele depender del carbón en altos hornos, que conllevan altas emisiones de carbono. Al mismo tiempo, las plantas de coquización que preparan el carbón para la fabricación de acero liberan grandes volúmenes de gas ricos en hidrógeno y metano. Gran parte de este gas se quema o se desaprovecha. Dado que tiene un impacto climático por unidad de energía similar al del gas natural, usar este subproducto de forma más inteligente podría ayudar a sustituir combustibles fósiles que necesitan ser extraídos o importados. La cuestión que plantean los autores es hasta qué punto el gas de horno de coquización puede abastecer hornos de criba basados en gas que transforman el mineral de hierro en hierro sólido, y qué implicaciones tendría eso para las emisiones de dióxido de carbono.

Construir una fábrica virtual de hierro

En lugar de operar costosos pilotos, los investigadores crearon un modelo termodinámico detallado, una especie de fábrica virtual fundamentada en las leyes de conservación de la energía y la materia. Siguieron el gas de horno de coquización mientras se calienta y reforma en un horno separado para crear una mezcla rica en hidrógeno, que luego se envía al horno de criba donde extrae oxígeno de las peletizadas de mineral de hierro. El modelo rastrea cuánto hierro metálico se produce, cuánto gas se consume en reacciones químicas y para calor, y cuánto dióxido de carbono sale con los gases de escape. Al variar entradas clave como el contenido de hierro del mineral, la fracción de hierro convertida completamente a metal y la temperatura a la que se forma el hierro metálico, pudieron ver cómo cada elección afecta tanto al rendimiento como a las emisiones.

La calidad del mineral vence al ajuste fino

Un resultado claro es que el grado de hierro del mineral es la palanca principal. Cuando el contenido de hierro aumenta desde un mineral relativamente pobre al 45% hasta uno más rico al 70%, la masa de hierro metálico producida por una cantidad fija de gas de horno de coquización aumenta en más del 60%. Al mismo tiempo, el dióxido de carbono liberado por tonelada de metal cae bruscamente, de aproximadamente 1,2 toneladas a cerca de 0,74 toneladas. Esto ocurre porque el mineral más rico contiene menos material no metálico que debe calentarse pero nunca se convierte en hierro. Menos roca inútil en la mezcla significa menos gas quemado únicamente para proporcionar calor, y más del gas puede destinarse a reducir óxidos de hierro a metal.

Ajustar las condiciones del horno

El equipo también examinó dos perillas operativas dentro del horno de criba: qué tan completamente el mineral se transforma en metal y la temperatura a la que se produce el paso final de reducción. Incrementar el grado de metalización tiende a aumentar tanto el rendimiento de hierro como el dióxido de carbono por tonelada de producto sólido, pero reduce las emisiones por tonelada de metal puro porque la misma cantidad de gas genera más hierro útil. Elevar ligeramente la temperatura de formación del hierro metálico reduce el rendimiento de metal e incrementa las emisiones, ya que operar a mayor temperatura exige gas adicional para calor. En conjunto, estos factores importan, pero mucho menos que comenzar con mineral de mayor ley.

Reciclar gases calientes para reducir residuos

El modelo muestra que el balance térmico, no solo las reacciones químicas, controla en gran medida cuánto gas necesita el sistema. Cuando los gases calientes de escape en la parte superior del horno de criba se queman en el horno de calentamiento, solo alrededor de una quinta parte de ese gas depurado es necesaria para cubrir la demanda de calefacción. Las otras cuatro quintas partes pueden, en principio, despojadas de dióxido de carbono y reintroducidas en el sistema como gas reductor fresco. En un ejemplo práctico usando gas procedente de una coquización que produce gas a partir de 1,2 millones de toneladas de coque al año, el gas disponible podría sostener la producción de aproximadamente 4,9 millones de toneladas de hierro metálico anuales en un horno de criba, manteniendo las emisiones anuales de dióxido de carbono fijadas por la cantidad de gas producido y reduciendo así las emisiones por tonelada de hierro.

Qué implica esto para un acero más limpio

Para los lectores interesados en una industria más climáticamente responsable, la conclusión es que el uso cuidadoso del gas subproducto existente y una mejor calidad del mineral pueden reducir de forma notable la huella de carbono de la fabricación de hierro. El estudio no promete emisiones cero, pero traza los límites termodinámicos de lo que pueden lograr los hornos de criba basados en gas de horno de coquización. Priorizando minerales de alto contenido de hierro, reciclando la mayor parte del gas de escape caliente y evitando el sobrecalentamiento innecesario, los productores de acero podrían obtener más metal con el mismo combustible mientras emiten menos dióxido de carbono a la atmósfera.

Cita: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Palabras clave: gas de horno de coquización, horno de criba, hierro reducido directo, descarbonización del acero, modelización termodinámica