DRI a carbone vs DRI a gas: quale processo per quale mercato

Il DRI a base carbone e il DRI a base gas riducono entrambi il minerale di ferro in ferro metallico solido al di sotto del punto di fusione, ma differiscono per materia prima, apparecchiature di processo, scala, metallizzazione, impronta di carbonio e fattibilità geografica in modi che determinano quale percorso si adatti a un determinato mercato e contesto di risorse. Nel 2024, la produzione mondiale di DRI ha raggiunto 140,8 Mt: i forni a tino (prevalentemente a base gas) hanno prodotto circa il 72% e i forni rotativi (prevalentemente a base carbone) circa il 24% [1]. L'India ha rappresentato 54,8 Mt della produzione globale nel 2024, di cui circa l'80% a base carbone [2][1]. Questo documento definisce il quadro decisionale per il confronto tra i due percorsi.

Due percorsi per lo stesso prodotto

Entrambi i percorsi partono da pellet di minerale di ferro o minerale in pezzatura e un agente riducente, ed entrambi mirano a rimuovere l'ossigeno dagli ossidi di ferro al di sotto del punto di fusione del ferro (~1.538°C per il ferro puro) per produrre un prodotto metallico solido. Il reattore, il riducente e la scala differiscono sostanzialmente.

Percorso a base carbone. Un forno rotativo cilindrico inclinato (tipicamente lungo 60-100 m, con un diametro di 4-6 m) riscalda un letto di minerale di ferro e carbone non cokizzabile. Il carbone brucia in modo controllato nello spazio libero (freeboard), generando un gas ricco di CO che penetra nel letto del minerale e riduce gli ossidi di ferro in un tempo di permanenza di 8-12 ore [3]. Il prodotto esce a circa 200-400°C in un raffreddatore rotativo. L'industria del DRI in India, che conta 285 impianti, è costruita quasi interamente su questa tecnologia, con capacità dei singoli forni di 50-500 t/g [3][4].

Percorso a base gas. I pellet di minerale di ferro o il minerale in pezzatura scendono attraverso un forno a tino verticale in controcorrente (configurazione Midrex o ENERGIRON/HYL). Un gas riformato caldo (CO + H2, tipicamente 90-92% di gas riducente) passa verso l'alto attraverso il minerale discendente, riducendolo in un tempo di permanenza di 5-8 ore [5][6]. Il prodotto viene scaricato caldo (HDRI, circa 700°C) per il caricamento diretto in EAF o raffreddato (CDRI) per la movimentazione e lo stoccaggio sfuso. La capacità del singolo modulo varia da 0,5 Mt/anno a 2,5 Mt/anno (ENERGIRON, Nucor Steel) [6].

Confronto del quadro decisionale

Il percorso a base carbone: perché l'India ha scelto il forno rotativo

L'India ha adottato il forno rotativo a base carbone perché il paese non dispone di forniture indigene commercialmente valide di carbone cokizzabile metallurgico (necessario per gli altiforni) ma possiede consistenti riserve di carbone non cokizzabile, e il forno rotativo è sufficientemente modulare per servire i piccoli e medi produttori di acciaio con forni elettrici che dominano il consumo di DRI in India [2][3][4].

L'India è il più grande produttore mondiale di DRI: 54,8 Mt nel 2024 (World Steel Association) [2], di cui circa l'80% a base carbone [3]. I 285 impianti di DRI in India operano principalmente forni da 100 t/g, rifornendo i clienti di forni a induzione e mini EAF nel settore siderurgico secondario [4]. Il processo SL/RN e i suoi adattamenti indiani rappresentano la tecnologia dominante.

Il consumo specifico di carbone per il percorso del forno rotativo è di circa 950-1.000 kg di carbone per tonnellata di DRI, con un consumo energetico specifico tipicamente di 4,1-5,3 Gcal/t-DRI (17-22 GJ/t-DRI) [4]. Questo valore è sostanzialmente più alto rispetto al percorso a base gas su base unitaria, riflettendo l'inefficienza intrinseca della combustione del carbone per generare sia calore di processo che gas riducente nello stesso recipiente.

Il vincolo di scala è fondamentale. Un singolo modulo di forno a tino Midrex o ENERGIRON da 1-2,5 Mt/anno non può servire economicamente il modello di domanda frammentato da 50-500 t/g del distretto dei forni a induzione indiano. La scala economica minima inferiore del forno rotativo (50 t/g) è una caratteristica abilitante per la struttura del mercato indiano.

Le conseguenze sulla qualità del percorso a base carbone sono trattate in produzione di ferro spugna a base carbone e controllo qualità del ferro spugna. Il compromesso chiave sulla qualità: il DRI a base carbone offre una metallizzazione dell'88-92% e lo 0,08-0,2% di carbonio, mentre quello a base gas offre una metallizzazione del 92-95% e un carbonio regolabile dell'1,0-2,5%. Per il processo di produzione del ferro spugna completo, si veda il documento fondamentale C9.

Il percorso a base gas: perché l'area MENA e gli sviluppatori di acciaio verde hanno scelto il forno a tino

Il DRI a base gas tramite forno a tino domina l'area MENA, l'Iran, la Russia, il Messico ed è il percorso preferito per i nuovi progetti di acciaio verde in Europa e Nord America, poiché queste regioni dispongono di gas naturale abbondante e relativamente economico, e il forno a tino a grande modulo offre una metallizzazione più elevata, un prodotto con carbonio regolabile e un percorso chiaro verso l'acciaio verde tramite l'idrogeno [1][5][6].

MIDREX è il principale licenziatario. I suoi impianti hanno prodotto 76,2 Mt nel 2024, il 54,1% di tutto il DRI prodotto a livello globale, segnando un nuovo record annuale [1]. Il forno a tino Super Megamod da 7,5 m di diametro produce 2,2 Mt/anno di DRI da un singolo modulo [5]. Il modulo da 5,0 m di Qatar Steel ha prodotto oltre 28,7 Mt di DRI cumulativo dal 1978 [1]. SULB (United Steel Company, Bahrain) gestisce un impianto combinato HDRI/CDRI da 1,5 Mt/anno e ha superato i 15 Mt di produzione cumulativa [1].

ENERGIRON (joint venture Tenova/Danieli). La più grande installazione ENERGIRON a modulo singolo è l'impianto da 2,5 Mt/anno di Nucor Steel negli Stati Uniti [6]. Il processo si distingue per la sua funzione di auto-riformazione: il reattore utilizza il letto di minerale come catalizzatore di riformazione, riducendo i costi di capitale rispetto ai progetti con riformatore esterno.

Il forno a tino a base gas è l'unico reattore DRI commercialmente provato in grado di passare alla riduzione a base di idrogeno. I design MIDREX Flex e ENERGIRON ZR possono miscelare proporzioni crescenti di idrogeno nel gas riducente man mano che i costi dell'idrogeno diminuiscono. Al 100% di H2, il funzionamento di MIDREX Flex riduce le emissioni di CO2 di circa il 97% rispetto alla produzione di acciaio tramite altoforno-BOF [8].

Il prodotto DRI a base gas trasporta anche più carbonio per tonnellata di prodotto: 1,5-2,5% di carbonio, regolato variando il contenuto di metano nel gas di raffreddamento. Ogni chilogrammo di carbonio che entra nel bagno EAF fornisce circa 2,3 kWh di energia chimica, riducendo la domanda di energia elettrica. Questo è un vantaggio qualitativo nella produzione dell'acciaio che il percorso a base carbone non può eguagliare strutturalmente.

Emissioni e transizione all'acciaio verde

Il DRI a base gas emette circa il 33-41% in meno di CO2 rispetto al DRI a base carbone con l'attuale mix di gas naturale; il divario si amplia a circa il 97% con il funzionamento a base di idrogeno [7][8].

Misurato come kg di CO2 per tonnellata di DRI prodotta:

Gli impianti DRI a base carbone dell'India affrontano una sfida strutturale di decarbonizzazione: il forno rotativo non può passare all'alimentazione a idrogeno. Qualsiasi transizione verso una produzione di ferro a basse emissioni per gli impianti indiani richiederà forni a tino greenfield a base gas o idrogeno, non il retrofit dei forni esistenti. Questo aspetto sta iniziando a emergere nelle discussioni del Ministero dell'Acciaio indiano su una tabella di marcia per l'acciaio a zero emissioni, sebbene la tempistica rimanga incerta.

Per gli operatori dell'area MENA ed europei, il percorso a base gas è già posizionato come veicolo di transizione: lo stesso impianto che oggi funziona a gas naturale può progressivamente miscelare idrogeno man mano che l'offerta di rinnovabili aumenta. Tale opzionalità è il principale vantaggio strategico del percorso a base gas al momento di una decisione di nuovo investimento.

Implicazioni della tenuta del forno per ciascun percorso

Entrambi i percorsi richiedono una tenuta efficace all'ingresso e all'uscita del reattore, ma le conseguenze di un guasto differiscono [10][11].

Forni rotativi a base carbone. Le tenute di ingresso e uscita del forno sono le barriere primarie contro l'ingresso di aria parassita e la riossidazione del prodotto. All'estremità di scarico (200-400°C), il ferro spugna è reattivo e poroso. Un guasto della tenuta sulla cappa di scarico o sull'interfaccia del raffreddatore causa una perdita diretta di metallizzazione: un ingresso persistente del 5-10% di aria parassita può ridurre la metallizzazione di 2-4 punti percentuali, portando il prodotto al di sotto della specifica Grado 1 della norma IS 15774:2018. L'integrità della tenuta negli impianti a base carbone è una questione di qualità del prodotto, non solo di efficienza energetica.

Forni a tino a base gas. Il forno a tino opera sotto pressione positiva del gas riducente, il che significa che è meno probabile che piccole perdite di aria ambiente penetrino nel letto del reattore. La tenuta allo scarico del gas, alla tramoggia di blocco dello scarico del prodotto e al circuito del gas di raffreddamento è critica dal punto di vista ingegneristico, ma il processo è intrinsecamente più tollerante verso piccoli contatti con l'aria atmosferica rispetto al forno rotativo a base carbone. Il meccanismo di controllo della qualità negli impianti a base gas è principalmente la composizione del gas CO/H2 piuttosto che la tenuta fisica dell'atmosfera.

Il sistema di tenuta duplex per forni è particolarmente applicabile ai forni DRI a base carbone, dove il funzionamento continuo tra le finestre di manutenzione pianificate crea un'esposizione prolungata al degrado della tenuta dovuto all'usura. Il design a doppia barriera mantiene l'integrità dell'atmosfera all'estremità di scarico anche quando la tenuta primaria si avvicina al limite di servizio. Oswal serve l'industria metallurgica con sistemi di tenuta sia per DRI che per altre applicazioni di forni nel settore. Per ulteriori informazioni specifiche sul caso della tenuta, si veda perché la tenuta del forno è importante negli impianti DRI.