Il carbone verde e l’utilizzo delle biomasse in siderurgia

In questo lavoro sono presentati alcuni risultati dell’attività di R&S finalizzate allo sviluppo di una tecnologia di pirolisi che utilizza char e syngas da biomasse in sostituzione del carbone e del gas naturale in forno elettrico ad arco per la produzione di acciaio da rottame.

La siderurgica è un’industria fortemente energivora. Per ridurre i consumi di combustibili fossili e le emissioni di CO2 è da tempo orientata a sviluppare tecnologie a maggiore efficienza energetica e l’uso di combustibili alternativi e rinnovabili. In quest’ottica, l’uso di char e syngas da biomassa è vista come un’importante e innovativa alternativa tecnologica.

In particolare, il char da biomassa ha già un impiego significativo in alcuni altoforni in Brasile, dove esiste la possibilità di piantagioni di alberi appositamente coltivati. In Italia più del 60% dell’acciaio si fabbrica con il forno elettrico ad arco, con la fusione di rottame di acciaio. Per ridurre il consumo di energia elettrica, durante il processo di fusione si usano anche combustibili fossili.

Il processo di fusione può essere schematicamente suddiviso in due fasi:

1. La prima fase è finalizzata alla fusione del rottame solido. La seconda fase ha lo scopo di ottenere la temperatura e la composizione obiettivo. Nella fase di fusione è pratica comune utilizzare bruciatori a metano di ausilio all’arco elettrico, per velocizzare la fusione e ridurre il consumo di energia elettrica.
2. Nella seconda fase si utilizza invece carbone (normalmente antracite caricata in pezzatura insieme al rottame o insufflata in polvere) che, reagendo con ossigeno, produce CO favorendo lo schiumeggiamento dello strato di ossidi liquidi (scoria) che protegge il bagno di acciaio fuso.

La schiuma copre l’arco elettrico, riducendo le perdite termiche, aumentandone l’efficienza, e protegge i refrattari riducendo il costo totale del processo. Il CO prodotto può essere anche combusto con altro ossigeno (post-combustione). Nell’ambito di un progetto internazionale denominato GREENE AF1, supportato dal Fondo Ricerca Acciaio e Carbone, il CSM insieme a Ferriere Nord e Tecnocentro ha investigato la possibilità di utilizzare char e syngas, ottenuti dalla pirolisi di biomasse residui agricoli, nel forno elettrico per la produzione di acciaio da fusione di rottame.

L’obiettivo primario del progetto è di dimostrare la convenienza della sostituzione del metano e del carbone, rispettivamente con syngas e char ottenuti dalla pirolisi di biomasse. L’uso di syngas e char in un forno elettrico richiede vincoli di qualità, di questi prodotti, inferiori a quelli richiesti per applicazione in caldaie industriali o in combustori a turbina, e riduce significativamente le emissioni di CO2 da combustibili fossili.

Oggi un tipico forno elettrico da 100 t/ora consuma tra 500 e 1500 kg/ora di carbone e tra 500 e 1000 kg/ora di gas naturale, con una produzione corrispondente di 3-8 t/ora di CO2. Perché la sostituzione di combustibili fossili con prodotti da biomassa sia efficace è necessario che il syngas e il char abbiamo prestazioni confrontabili con quelle dei corrispondenti combustibili fossili. Per questo è necessario caratterizzare e selezionare le biomasse più adatte, fra quelle disponibili, e mettere a punto il processo di pirolisi, in modo da ottenere rese che rendano la produzione conveniente e le appropriate caratteristiche qualitative dei prodotti.

Il processo di pirolisi è stato messo a punto con una microreattore da laboratorio e con campagne sperimentali su un impianto pilota. L’impianto pilota di pirolisi è un tamburo rotante, che può essere alimentato con una portata di biomassa fino a 200 kg/ora. L’energia per la pirolisi è fornita da un bruciatore a gas con potenza massima di 500 kW. La concentrazione di O2 all’interno del tamburo è dell’ordine di 1-2%. Per mezzo della variazione di potenza termica del bruciatore, è possibile variare la temperatura di pirolisi, monitorata in continuo da un pirometro. La velocità di rotazione del tamburo pirolizzatore è variabile, con un inverter, nell’intervallo x-y giri/minuto. Durante le prove il syngas prodotto è campionato e analizzato in termini di componenti maggiori e per la misura del tar. Nell’impianto pilota il syngas viene purificato in una sezione di raffreddamento e lavaggio con acqua, e quindi inviato a una torcia.Il char è scaricato tramite un sistema a vite e pesato. Le prove sono state condotte con portate di biomassa di 100 kg/ora, a temperature comprese fra 450 °C e 650 °C, e con tempi di pirolisi compresi fra 30 e 50 minuti. Durante le prove, char, syngas prodotto e tar nel syngas sono stati campionati per analizzare l’influenza delle variazioni dei parametri di processo sulla loro percentuale in peso e sulle loro caratteristiche energetiche e composizione chimica.

Il processo di pirolisi deve essere condotto per massimizzare la resa in syngas oppure la resa in char. La biomassa coltivata è il candidato migliore per la produzione di syngas, mentre la biomassa da tagli boschivi è il più adatto a produrre char. Se la pirolisi è finalizzata a produrre syngas, il processo deve essere progettato per ottenere il valore piu’alto possibile del potere calorifico, in modo da poterlo usare in un bruciatore in sostituzione del metano. Questi risultati indicano che le potatature di vite, pirolizzate a 500 °C, sono un buon compromesso, perché consentono di ottenere, con buone rese sia char che syngas di buona qualità. Questa biomassa è anche quella maggiormente disponibile nell’intorno del sito produttivo italiano che partecipa al progetto. Utilizzazione del syngas nel forno elettrico ad arco Il syngas ottenuto dalla pirolisi di potature della vite ha un potere calorifico inferiore a quello del metano (26 MJ/m3 contro 34 MJ/Nm3).

Per dimensionare i bruciatori in modo da ottenere con syngas prestazioni confrontabili con quelle del metano sono state eseguite simulazioni termofluidodinamiche di riscaldo di rottame. In particoalre sono state simulate diverse configurazioni di bruciatori con diverse portate e miscele metano/syngas. La figura 4 mostra un esempio di campo di temperatura nel gas e nel rottame posto di fronte a un bruciatore a synags e i grafici dell’andamento dell’efficienza (potenza fornita al rottame/potenza del bruciatore) in funzione della potenza del bruciatore, sia per un bruciatore a metano che a syngas. La composizione ed il potere calorifico del syngas utilizzati nelle simulazioni sono stati ricavati dalla sperimentazione fatta sull’impianto pilota di pirolisi. Le simulazioni in figura 4 si riferiscono a syngas ottenuto dalla pirolisi di residui della potatura della vite, pirolizzata a 500 °C (vedi Tabella 4).: I risultati hanno messo in evidenza che con i vincoli impiantistici imposti dal produttore non è possibile utilizzare 100% sysngas.

E’ stato quindi necessario individuare la miscala metano/syngas che consentisse di utilizzare la massima portata di combustibile ammissibile dall’impianto esistente ed ottenere le stesse prestazioni dei bruciatori a metano. Sulla base di ciò è stato possibile valutare il conseguente risparmio di metano. I risultati in tabella 3 indicano che una miscela di syngas e metano di opportuna portata garantisce la stessa potenza fornita al rottame, quindi uguali tempi di trattamento, con un risparmio del 42% di metano. Utilizzazione del char nel forno elettrico Nel caso si voglia produrre principalmente char questo deve avere: una reattività con ossigeno confrontabile con quella del carbone in polvere, normalmente utilizzato, per produrre la scoria schiumosa e nel forno elettrico; quantità e composizione delle ceneri tali da non modificare significativamente le caratteristiche della scoria nel forno elettrico. Ciò al fine di sostituire il carbone senza modificare sostanzialmente i criteri di conduzione e controllo del processo.

Egidio Zanin – Project Leader energy & transport presso Centro Sviluppo Materiali