El proceso de coquización como vía de reciclado de residuos de polietileno

Resumen

El siglo XXI se enfrenta a una transición hacia la sostenibilidad, con la conciencia de proteger las reservas de combustibles fósiles, emplear tecnologías más limpias y reducir la huella ambiental de la actividad humana. En este escenario, la gestión de residuos se contempla como uno de los desafíos de la sociedad, y, especialmente, la reducción de los residuos en vertedero es una prioridad, ya que éste debe ser un destino marcado por un tiempo limitado de almacenamiento, que permita alcanzar el concepto sostenible de cero-residuos en vertedero. Así, surge la utilización de residuos plásticos procedentes del sector doméstico u otros sectores de consumo, en la industria siderúrgica integral, como una opción complementaria a otras promovidas en la gestión de plásticos: inyección en el horno alto para la obtención de arrabio y adición a mezclas de carbón para la producción de coque. A esta última ruta, con implantación industrial en algunas plantas de coquización en Japón, se dirige esta investigación. El objetivo actual es incrementar la cantidad de 1% de residuo plástico, sin poner en peligro la integridad de los hornos y sin deteriorar la calidad del coque producido. La primera parte de esta memoria se centra en el estudio del efecto de dos tipos de residuos plásticos -polietileno de baja densidad (LDPE) del sector de la agricultura, y polietileno de alta densidad (HDPE) de envases domésticos-, que se adicionan en una proporción de 1 y 3%, a una mezcla de carbones, realizando las co-carbonizaciones en hornos a escalas semi-industrial, piloto y semipiloto, y evaluando la calidad del coque mediante ensayos normalizados utilizados por la industria siderúrgica -resistencia mecánica y reactividad frente al CO2-. El efecto de ambos polietilenos (PE) esequivalente, y la calidad del coque se mantiene prácticamente constante. Sin embargo, con el 1% de adición se produce un aumento de la presión interna del gas, que puede llevar a problemas en el deshornado e, incluso, dañar el refractario de las paredes de los hornos, acortando la vida útil de las baterías. Como complemento a la evaluación de la calidad del coque, se evalúa el alquitrán, como subproducto del proceso, pero, también, como materia prima indispensable en la industria carboquímica, para la producción de brea destinada a diferentes aplicaciones y sectores industriales. La composición y el comportamiento térmico del alquitrán y de la brea obtenidos, se estudian mediante técnicas espectroscópicas, cromatográficas y termogravimétricas, concluyendo que, en general, la incorporación de residuos de PE produce alquitranes y breas que contienen HAPs de mayor grado de condensación. En una segunda parte, la investigación realizada a escala semipiloto se amplía a un estudio comparativo del efecto de los residuos de PE y de su tamaño de grano/escama, con los causados por otros tipos de residuos plásticos -PET y una mezcla HDPE:PET-, biomasa del sector del olivar y un carbón no coquizable. El PET se confirma como un inhibidor-regulador de la generación de presión durante el proceso. Los parámetros de calidad del coque se ven ligeramente afectados con alguno de los aditivos, pero se encuentran aún dentro del rango óptimo definido para coques siderúrgicos de buena calidad. Dada la relevancia de la termoplasticidad del carbón en la producción del coque, el efecto de los cinco termoplásticos, que dominan el sector de envases, sobre la fluidez del carbón, fue objeto de un examen más exhaustivo. Se seleccionaron plásticos individuales, mezclas binarias y ternarias, y residuos multicomponente. Todos ellos producen una reducción de la fluidez del carbón, en un grado diferente para cada plástico. Se desarrolló un modelo basado en la regresión lineal múltiple para predecir la fluidez de una mezcla dopada con un residuo multicomponente, resultando que la solución numérica del modelo está de acuerdo con el valor experimental obtenido en un plastómetro Gieseler. The 21st century is undergoing a transition from the use of fossil fuels to more sustainable and cleaner technologies and the global mitigation of the environmental footprint of human activity. Within this scenario, waste management is seen as one of the challenges facing society and, among them, the reduction of wastes in permanent landfill sites is a priority, in favour of destinations with restricted storage time, as a way to achieve the goal of zero-waste landfill. To this end the integrated steel industry could contribute by recycling plastic wastes as a complementary option to other methods of disposal. For example plastics could be used in the blast furnace as fuel and reducing agent or as a minor component in the coal blends for cokemaking. It is the latter option, already industrially implemented by the Japanese steel industry in some coking plants, that this research work addresses. The current goal is to increase the amount added to the coal blend by 1%, without compromising the safety of the coke-ovens and without causing any deterioration of the quality of the blast-furnace coke. The first part of this research study is focused on the effect of two types of plastic waste, low-density polyethylene from agricultural greenhouses (LDPE) and high-density polyethylene (HDPE) from domestic packaging upon the coking process. The addition rate of plastics to a coal blend ranges from 1 to 3% w/w, allowing co-carbonization in ovens at semi-industrial, pilot and semi-pilot scale and an assessment of the quality of the resultant cokes in terms of their mechanical strength and CO2 reactivity by means of the standard tests applied by the steel industry. The effect of the addition of the two polyethylenes (PE) on the coke quality is the same in both cases and does not imply any significant change in relation to the reference coke. However, when 1% PE is added, an adverse effect can be observed. Both plastics increase the internal gas pressure, which may lead to coke-pushing problems or may damage the refractory of the coke-oven walls, shortening the useful life of the batteries. Apart from the evaluation of coke quality, tar is evaluated as a by product of the process, and at the same time as an essential raw material in the carbochemistry industry for the production of pitch for a wide variety of applications and industrial sectors. The tars and pitches have been characterized by spectroscopic, chromatographic and thermogravimetric techniques. From the results it has been concluded that polyethylene promotes the formation of HAPs with a high degree of condensation. In the second part of this research work, the semipilot plant was used for a comparative study of the effect of 2% PE wastes and the grain size, and the inclusion of other types of plastic wastes -PET and a HDPE:PET mixture-, biomass from the olive sector and a non-coking coal. PET has been confirmed as an inhibitor-regulator in the generation of the pressure during the coking process. Although coke quality parameters were undermined for some additives, they still fall within the optimum range defined for good metallurgical coke quality. Given the importance of the thermoplasticity of coking coal for the production of a good-quality coke, the effect of the addition of five thermoplastics from the packaging sector, binary and ternary mixtures and municipal wastes upon Gieseler fluidity was evaluated. All the plastics caused a reduction in fluidity, which is dependent on the structure and thermal stability of the polymers. In an attempt to predict Gieseler fluidity, a multivariant linear regression model was constructed. The predicted fluidity values are in agreement with those experimentally obtained in a Gieseler plastometer