Reattore ARA: Sveliamo i Segreti della Conversione per un Acciaio Più Verde!

Ehilà, appassionati di scienza e innovazione! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore della produzione dell’acciaio, o meglio, in come stiamo cercando di renderla più sostenibile. Parliamoci chiaro: l’industria siderurgica è fondamentale, ma ha un impatto ambientale notevole, soprattutto in termini di emissioni di CO2. Ecco perché la ricerca di alternative più “verdi” è diventata una priorità assoluta. E qui entriamo in gioco noi, con il nostro studio sulla conversione degli agenti riducenti alternativi (ARA).

Ma cosa sono questi ARA e perché sono così importanti?

Nella produzione tradizionale dell’acciaio in altoforno, il coke metallurgico è il re indiscusso, agendo come agente riducente principale. Tuttavia, la sua produzione e il suo utilizzo sono altamente emissivi. Gli ARA, come il carbone polverizzato (PC) o il biochar (un tipo di carbone vegetale), possono sostituire parzialmente il coke, riducendo così l’impronta di carbonio del processo. Pensateci: meno coke, meno emissioni! Ma c’è un “ma”. Per usare efficacemente questi ARA, dobbiamo capire a menadito come si comportano nelle condizioni estreme dell’altoforno, in particolare nella zona della “raceway”, un vero e proprio inferno di temperature e reazioni chimiche.

La sfida: sbirciare nell’inferno dell’altoforno

Capire la conversione degli ARA è cruciale per valutarne l’effettiva applicabilità. Avere dati affidabili sui tassi di conversione e sui parametri cinetici è fondamentale per scegliere gli ARA giusti. Il problema è che le condizioni nella raceway dell’altoforno sono talmente proibitive (temperature altissime, flussi turbolenti) che effettuare misurazioni dirette è praticamente impossibile. Immaginate di dover mettere dei sensori in un vulcano attivo: ecco, la sfida è simile!

La nostra soluzione: un reattore speciale e il suo gemello digitale

Per superare questo ostacolo, in una fantastica collaborazione tra voestalpine Stahl, voestalpine Stahl Donawitz, K1-MET e la Technische Universität Wien (Istituto di Ingegneria Chimica, Ambientale e delle Bioscienze), abbiamo sviluppato qualcosa di unico: un reattore ARA sperimentale. Questo gioiellino, situato presso la TU Wien, è progettato per ricreare le condizioni simili a quelle dell’altoforno, permettendoci di studiare la reattività e il comportamento di conversione degli ARA in un ambiente controllato.
Ma non ci siamo fermati qui! Per scrutare ancora più a fondo, abbiamo sviluppato un modello CFD (Computational Fluid Dynamics) del reattore. Cos’è il CFD? Immaginatelo come un potentissimo simulatore al computer che ci permette di visualizzare e analizzare i campi di flusso, il trasferimento di calore e le reazioni chimiche che avvengono all’interno del reattore. È come avere una telecamera virtuale capace di vedere l’invisibile!

Il reattore ARA è un sistema piuttosto complesso, un reattore a flusso trascinato pressurizzato. Ecco i suoi componenti chiave, per darvi un’idea:

• Un’unità di dosaggio: per un flusso costante di particelle (circa 1-2 g/min).
• Un riscaldatore di flusso: preriscalda il flusso principale fino a 1100 °C.
• Un bruciatore a idrogeno: crea una zona ad alta temperatura e un flusso di calore radiante per il riscaldamento delle particelle.
• Una zona di reazione: un tubo ceramico lungo 0.9 m, riscaldato elettricamente, dove avviene la magia. Ci sono ben sedici porte per campionamento o accesso ottico!
• Un sistema di quench (raffreddamento rapido): per bloccare le reazioni diluendo con azoto e raffreddando.
• Un ciclone e un filtro: per separare i residui solidi.

L’idea è iniettare le particelle di ARA (come il carbone bituminoso che abbiamo usato nei test, con il 32% di materia volatile e il 73% di carbonio) attraverso la lancia del bruciatore, che è raffreddata per evitare intasamenti. Queste particelle poi attraversano la zona di reazione calda.

Il bello della sinergia: esperimenti e simulazioni a braccetto

La combinazione di esperimenti reali nel nostro reattore e simulazioni CFD è potentissima. I dati sperimentali ci aiutano a validare e affinare il modello CFD, mentre il modello ci offre una comprensione più profonda di ciò che accade all’interno, permettendoci di esplorare scenari diversi e identificare trend che sarebbero difficili da cogliere solo con gli esperimenti. È un vero e proprio lavoro di squadra tra mondo reale e virtuale! Questo approccio combinato ci porta a una comprensione molto più completa del comportamento degli ARA, consentendoci di prendere decisioni più informate sulla loro applicazione nell’altoforno.

I risultati parlano chiaro: il modello funziona!

Ebbene sì, i risultati sono entusiasmanti! Abbiamo confrontato i dati di un esperimento condotto nel reattore ARA (senza il bruciatore a idrogeno attivato, in questa fase specifica) con le previsioni del nostro modello CFD. Le temperature all’interno del reattore, il tempo di residenza calcolato delle particelle (circa 0.31 secondi, un valore ragionevole considerando la resistenza aerodinamica e la turbolenza) e il burnout (cioè la frazione di combustibile convertito) mostrano un ottimo accordo tra simulazione ed esperimento. Ad esempio, il burnout medio nelle simulazioni è stato di 0.87, molto vicino al burnout determinato sperimentalmente di 0.901 (calcolato con il metodo del tracciante di ceneri e analisi TGA).
Le simulazioni CFD ci hanno anche confermato che il reattore raggiunge le condizioni di reazione desiderate, con temperature del gas e delle particelle che arrivano fino a 1600 K (oltre 1300 °C!). Inoltre, il modello CFD ci ha permesso di verificare che il nostro reattore è in grado di raggiungere l’elevatissimo rateo di riscaldamento delle particelle necessario, nell’ordine di 10⁵ K al secondo! Questo è fondamentale per simulare correttamente ciò che accade nell’altoforno.

Cosa significa tutto questo per il futuro?

Lo sviluppo del reattore ARA e del relativo strumento di simulazione CFD rappresenta un passo avanti significativo nella comprensione dei processi di conversione degli ARA in condizioni simili a quelle dell’altoforno. Il modello digitale non solo ci fornisce informazioni aggiuntive rispetto ai processi sperimentali, ma ci permette anche di ottimizzare in modo sofisticato le condizioni sperimentali future. Possiamo ottenere distribuzioni spazialmente risolte di velocità, temperatura e specie chimiche, migliorando così le routine di valutazione sperimentale.
In pratica, questo lavoro ci avvicina a un utilizzo più efficiente e mirato degli agenti riducenti alternativi, spianando la strada verso una produzione di acciaio con minori emissioni di CO2. È un piccolo, ma importante, tassello nel grande puzzle della sostenibilità industriale. E noi siamo orgogliosi di farne parte!

Fonte: Springer