Calcolo termodinamico della resa di Fe metallico e delle emissioni di CO2 nel processo di riduzione diretta in forno a shaft alimentato a gas

Trasformare il gas di scarto in metallo utile

L’acciaio sostiene la vita moderna, ma la sua produzione libera enormi quantità di anidride carbonica. In Cina, dove si produce oltre la metà dell’acciaio mondiale, ridurre le emissioni è essenziale per gli obiettivi climatici. Questo studio esplora come un sottoprodotto poco sfruttato delle industrie di cottura del carbone, chiamato gas da coke, possa essere trasformato sia in combustibile sia in agente chimico per produrre ferro in modo più efficiente in un tipo di reattore noto come forno a shaft, riducendo nel contempo l’inquinamento carbonioso.

Perché i camini dell’acciaio contano

La produzione dell’acciaio si basa in genere sul carbone in alti forni, che comportano elevate emissioni di carbonio. Allo stesso tempo, gli impianti di cottura del carbone che preparano il coke per la siderurgia rilasciano grandi volumi di gas ricchi di idrogeno e metano. Gran parte di questo gas viene bruciata o sprecata. Poiché ha un impatto climatico per unità di energia simile a quello del gas naturale, impiegare meglio questo sottoprodotto potrebbe aiutare a sostituire combustibili fossili che devono essere estratti o importati. La domanda che gli autori affrontano è fino a che punto il gas da coke possa essere utilizzato per far funzionare forni a shaft alimentati a gas che trasformano il minerale di ferro in ferro solido, e quali sarebbero le implicazioni per le emissioni di anidride carbonica.

Costruire una fabbrica virtuale di ferro

Invece di gestire costosi impianti pilota, i ricercatori hanno creato un dettagliato modello termodinamico, una sorta di fabbrica virtuale basata sulle leggi della conservazione dell’energia e della massa. Hanno seguito il gas da coke mentre viene prima riscaldato e riformato in un forno separato per ottenere una miscela ricca di idrogeno, quindi inviato nel forno a shaft dove sottrae ossigeno dalle pellet di minerale di ferro. Il modello traccia quanta massa di ferro metallico viene prodotta, quanto gas viene consumato per reazioni chimiche e per calore, e quanta anidride carbonica esce con i gas di scarico. Variando ingressi chiave come il tenore di ferro del minerale, la quota di ferro completamente convertita in metallo e la temperatura alla quale si forma il ferro metallico, è stato possibile vedere come ciascuna scelta influenzi resa ed emissioni.

La qualità del minerale conta più delle regolazioni

Un risultato chiaro è che il tenore di ferro del minerale è la leva principale. Quando il contenuto di ferro aumenta da un minerale relativamente povero al 45 percento a uno più ricco al 70 percento, la massa di ferro metallico prodotta per una quantità fissa di gas da coke aumenta di oltre il 60 percento. Allo stesso tempo, la CO2 rilasciata per tonnellata di metallo cala bruscamente, da circa 1,2 tonnellate a circa 0,74 tonnellate. Questo accade perché il minerale più ricco contiene meno materiale non metallico che deve essere riscaldato ma non si trasforma in ferro. Meno materiale inutile nella miscela significa meno gas bruciato esclusivamente per fornire calore, e più gas disponibile per ridurre effettivamente gli ossidi di ferro a metallo.

Regolare le condizioni del forno

Il gruppo ha inoltre esaminato due manopole operative all’interno del forno a shaft: quanto completamente il minerale viene convertito in metallo, e la temperatura alla quale avviene l’ultimo passo della riduzione. Aumentare il grado di metallizzazione tende ad aumentare sia la resa di ferro sia la CO2 per tonnellata di prodotto solido, ma riduce le emissioni per tonnellata di metallo puro perché la stessa quantità di gas produce più ferro utile. Aumentare leggermente la temperatura di formazione del ferro metallico riduce la resa e aumenta le emissioni, poiché un’operazione più calda richiede gas aggiuntivo per il calore. Complessivamente, questi fattori contano, ma molto meno che partire da un minerale di grado superiore.

Riciclo dei gas caldi per ridurre gli sprechi

Il modello mostra che l’equilibrio termico, non solo le reazioni chimiche, controlla in buona parte quanto gas il sistema richiede. Quando i gas caldi di scarico dalla sommità del forno a shaft vengono bruciati nel forno di riscaldamento, solo circa un quinto di quel gas depurato è necessario per coprire la domanda di riscaldamento. I restanti quattro quinti possono, in linea di principio, essere privati dell’anidride carbonica e reintrodotti nel sistema come gas riducente fresco. In un esempio pratico che usa un impianto di coke che produce gas da 1,2 milioni di tonnellate di coke all’anno, il gas disponibile potrebbe sostenere la produzione di circa 4,9 milioni di tonnellate di ferro metallico all’anno in un forno a shaft, mantenendo le emissioni annue di anidride carbonica fissate dalla quantità di gas prodotto e riducendo così le emissioni per tonnellata di ferro.

Che cosa significa per un’acciaieria più pulita

Per i lettori interessati a un’industria più amica del clima, la conclusione è che un uso attento del gas sottoprodotto esistente e una migliore qualità del minerale possono incidere in modo significativo sulla impronta carbonica della produzione di ferro. Lo studio non promette emissioni zero, ma traccia i limiti termodinamici di ciò che i forni a shaft alimentati a gas da coke possono raggiungere. Prioritizzando minerali con alto tenore di ferro, riciclando la maggior parte dei gas caldi di scarico ed evitando riscaldamenti inutili, i produttori di acciaio potrebbero ottenere più metallo dallo stesso combustibile riducendo la quantità di anidride carbonica emessa in atmosfera.

Citazione: 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

Parole chiave: gas da coke, forno a shaft, ferro ridotto diretto, decarbonizzazione dell’acciaio, modellizzazione termodinamica