Análisis de opciones para recuperación de energía en campana de extracción de gases de un convertidor de acero de siderúrgica CAP.

Abstract

La problemática de la industria del acero en Chile radica en su baja competitividad a nivel global, lo cual obliga a la empresa nacional a buscar formas de reducir sus costos operacionales, siendo una alternativa de eficiencia energética. Esta tesis es el desarrollo de un proyecto que consiste en aprovechar la energía residual de los gases del proceso de oxidación del arrabio para cogeneración de energía (térmica y eléctrica). La investigación se focaliza en la modelación del sistema de captación de los gases de alta temperatura producidos por la inyección de oxígeno sobre el acero, para proponer un método de acumulación de energía mediante materiales de cambio de fase (Phase Change Material (PCM)), debido a que el proceso es intermitente. En la literatura especializada, se encuentran simulaciones donde se postula que la utilización de PCM podría producir ahorros del orden del 20% de la energía residual de los gases. Se desea verificar lo anterior para el caso de CAP S.A, Chile, donde se estima una recuperación energética de 16GJ en un período de 15 minutos, en la campana de gases del proceso, los cuales entran a temperatura máxima de 1700°C aproximadamente. El objetivo general del proyecto es realizar un análisis energético de los gases generados por la descarburación del arrabio, que circulan a través del sistema de campana extracción de gases de la siderúrgica CAP, a fin de proponer alternativas de recuperación energética a partir de los gases generados en el convertidor. En primera instancia realizando balance de energía de las campanas del sistema, cuantificando los flujos de calor transmitidos a través del proceso, para luego proponer y evaluar medidas de recuperación basadas en los resultados de la revisión y estudio energético. Luego, se modela el sistema, y por último se aplica y evalúa las medidas propuestas. En el estudio se realiza un modelo del sistema de refrigeración de campanas, el cual será validado y posteriormente modificado para la integración un dispositivo PCM. En una primera instancia se analiza el estado del arte y las propuestas derivadas para mejorar la eficiencia energética en este tipo de procesos. En una segunda parte, se caracterizan los componentes del sistema (domo, tubos, bombas, etc.) para luego plantear los Modelo. Además, se realizan experiencias en terreno para conocer el comportamiento de los gases y comparar algunas variables obtenidas de los modelos con las medidas, y así posteriormente validar el modelo. En la tercera parte, se proponen, aplican y evalúan alternativas de recuperación de energía de los puntos más conveniente del sistema, principalmente de los humos de escape del convertidor. A partir del balance de energía del Modelo Campana fija se estima una disponibilidad energética de 77 GJ en los humos al interior de la campana, durante los 15 minutos de soplado. Además, se detectan oportunidades de recuperación de energía, obteniendo entre 20%-30% de la energía residual del flujo de gases. Se estima una recuperación entre 10-20 GJ de la energía residual de los gases en la campana fija de extracción del convertidor de acero, mediante la incorporación de un dispositivo PCM. De esta forma, se podría generar un flujo de calor continuo durante todo el proceso para la generación de vapor, a través un sistema de refrigeración, con una potencia eléctrica a través de un Ciclo Rankine de 15 MW.