BR112015007442B1

BR112015007442B1 - Método para operar um forno de cuba de combinação de reforma e redução de alta pressão

Info

Publication number: BR112015007442B1
Application number: BR112015007442-1A
Authority: BR
Inventors: Travis Wright; Steve Montague
Original assignee: Midrex Technologies, Inc
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2023-10-31
Also published as: US9175910B2; NZ706644A; BR112015007442A2; EA201590677A1; WO2014055479A1; EP2904122B1; EP2904122A4; TWI493043B; UA111685C2; CN104870658B; CA2887019A1; MY176933A; KR20150060956A; CA2887019C; ZA201502881B; PE20151043A1; TW201514318A; MA20150408A1; MA38059B1; MX2015004229A

Abstract

forno de cuba de combinação de reforma/redução de alta pressão, e, método para prover um forno de cuba de combinação de reforma/redução de alta pressão. a presente invenção provê um forno de cuba de combinação de reforma/redução para a produção de ferro diretamente reduzido que utiliza um ou mais intensificadores de uniformidade de leito de fusão, tais como um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos, um ou mais auxiliares de fluxo estacionários, uma ou mais estruturas/variações de parede, um ou mais agitadores, ou similares para garantir reforma e redução homogêneas no forno de cuba na largura e por toda a profundidade do leito de fusão no forno de cuba.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se no geral a sistemas para a redução direta de ferro, tais como aqueles que utilizam os processos Midrex ou HYL ou similares. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a dispositivos e métodos para melhorar a uniformidade do leito de fusão em um forno de cuba de combinação de reforma/redução, tal como aquele utilizado sem reforma externa, ou com mínima reforma externa do gás redutor antes da redução direta de ferro no forno de cuba.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Convencionalmente, o gás redutor utilizado em um forno de cuba para a redução direta de ferro é primeiro reformado fora do forno de cuba (por exemplo, em um reformador). Mais recentemente, entretanto, tem havido uma tendência no sentido de utilizar um reformador zero, nenhum reformador, ou processo sem reformador que elimina ou reduz substancialmente a necessidade de reforma externa, optando, em vez disso, por reformar no próprio forno de cuba, combinado com o processo de redução direta. Uma certa quantidade de reforma externa pode, entretanto, ocorrer fora do forno de cuba, mas tal reforma externa é frequentemente mínima e somente para suplementar a necessidade de gás de reforma.

[003] Um problema inerente com esta abordagem é a ineficiência na criação de uma uniformidade do leito de fusão regular dentro do forno de cuba ou reator tal como é criada com reforma externa, de maneira tal que a reforma seja maximizada e a redução direta ocorra uniformemente. Tipicamente, em um forno de cuba, o fluxo descendente alimentado por gravidade do leito de fusão é mais rápido através do centro do forno de cuba do que é ao longo dos lados, por exemplo. Isto resulta tanto em reforma indesejável e inconsistente quanto em gradientes de redução direta. Este problema é composto à medida que o diâmetro do forno de cuba aumenta.

[004] Em sistemas de redução direta convencionais, utilizando uma alimentação exclusiva de óxido de ferro, reformador externo, no topo do forno de cuba, uma pluralidade de eixos de mistura rotativos ou similares, e/ou um auxiliar de fluxo estacionário são usados no forno de cuba para eliminar gradientes de redução direta indesejáveis, minimizar agitação do leito de fusão, etc., isto é, promover características físicas e químicas desejáveis. Até hoje, entretanto, tais mecanismos não foram usados em um processo com reformador zero, nenhum reformador, sem reformador, ou mínimo reformador nas zonas de reforma e/ou redução direta. Esses mecanismos são o objeto da presente invenção.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[005] Em várias modalidades exemplares, a presente invenção fornece um forno de cuba de combinação de reforma/redução para a produção de ferro diretamente reduzido que utiliza um ou mais intensificadores de uniformidade do leito de fusão, tais como um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos, um ou mais auxiliares de fluxo estacionários, uma ou mais estruturas de parede/variações, um ou mais agitadores, ou similares para garantir que a reforma e redução no forno de cuba ocorrem uniformemente através da largura e de toda a profundidade do leito de fusão no forno de cuba. A presente invenção encontra aplicabilidade mais ampla em processos de redução direta de alta pressão (isto é, maior que 0,5 mPa (5 atm)), entre outras aplicações.

[006] Em uma modalidade exemplar, a presente invenção provê um forno de cuba de combinação de reforma/redução de alta pressão para a produção de ferro diretamente reduzido, incluindo: um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão dispostos em uma porção interior do forno de cuba; em que o um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão são dispostos em uma ou mais da zona de reforma e da zona de redução na porção interior do forno de cuba, e em que um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão são operáveis para agitar o leito de fusão de maneira tal que uma ou mais de reforma e redução ocorra uniformemente por todo o leito de fusão. Um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão compreendem um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos, um ou mais auxiliares de fluxo estacionários, uma ou mais estruturas de parede, ou um ou mais agitadores. Um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos compreendem uma pluralidade de estruturas protuberantes que, quando rotada, mistura o leito de fusão. Opcionalmente, um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos cobrem uma largura do forno de cuba. Um ou mais auxiliares de fluxo estacionários obstruem o fluxo de uma porção central do leito de fusão através do forno de cuba, por meio disto reduzindo-o. Um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão garantem que a reforma e redução no forno de cuba ocorre uniformemente através da largura e de toda a profundidade do leito de fusão no forno de cuba.

[007] Em uma outra modalidade exemplar, a presente invenção provê um método para prover um forno de cuba de combinação de reforma/redução de alta pressão para a produção de ferro diretamente reduzido, incluindo: prover um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão dispostos em uma porção interior do forno de cuba; em que um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão são dispostos em uma ou mais da zona de reforma e da zona de redução na porção interior do forno de cuba, e em que um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão são operáveis para agitar o leito de fusão de maneira tal que uma ou mais de reforma e de redução ocorram uniformemente por todo o leito de fusão. Um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão compreendem um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos, um ou mais auxiliares de fluxo estacionários, uma ou mais estruturas de parede, ou um ou mais agitadores. Um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos compreendem uma pluralidade de estruturas protuberantes que, quando rotadas, misturam o leito de fusão. Opcionalmente, um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos cobrem uma largura do forno de cuba. Um ou mais auxiliares de fluxo estacionários obstruem o fluxo de uma porção central do leito de fusão através do forno de cuba, por meio disto reduzindo-o. Um ou mais dispositivos de intensificação de uniformidade do leito de fusão garantem que reforma e redução no forno de cuba ocorrem uniformemente através da largura e de toda a profundidade do leito de fusão no forno de cuba.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[008] A presente invenção é ilustrada e descrita aqui com referência aos vários desenhos, nos quais números de referência iguais são usados para denotar componentes do sistema/etapas do método iguais, da maneira apropriada, e em que: a FIG. 1 é um diagrama esquemático ilustrando uma modalidade exemplar do forno de cuba de combinação de reforma/redução incluindo um ou mais intensificadores de uniformidade do leito de fusão da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[009] Novamente, em várias modalidades exemplares, a presente invenção provê um forno de cuba de combinação de reforma/redução para a produção de ferro diretamente reduzido que utiliza um ou mais intensificadores de uniformidade do leito de fusão, tais como um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos, um ou mais auxiliares de fluxo estacionários, uma ou mais estruturas/variações de parede, um ou mais agitadores, ou similares para garantir que a reforma e redução no forno de cuba ocorrem uniformemente através da largura e de toda a profundidade do leito de fusão no forno de cuba.

[0010] Referindo-se agora especificamente à FIG. 1, em uma modalidade exemplar, o forno de cuba 10 da presente invenção inclui uma pluralidade de tubos de entrada de glóbulo ou aglomerado 12 que seletivamente introduz glóbulos ou aglomerados de minério de ferro para ser diretamente reduzidos e um ou mais tubos de entrada de ventilação de gás 14 que seletivamente introduzem um gás de ventilação a ser reformado e diretamente reduzem os glóbulos de minério de ferro. Tais estruturas são bem conhecidas pelos versados na técnica. O gás redutor usado pode ser derivado de gás natural, gás de coqueria, gás de síntese, etc. Os glóbulos ou aglomerados de minério de ferro formam um leito ou leito de fusão 16 no forno de cuba 10. Como anteriormente aludido, sem os preceitos da presente invenção, o fluxo descendente do leito de fusão 16 pode ser mais rápido através do centro do forno de cuba 10 do que ao longo dos lados, por exemplo, criando grandes variâncias nas características físicas e químicas do gás redutor e ferro diretamente reduzido.

[0011] Preferivelmente, para remediar este problema, o forno de cuba 10 inclui um ou mais eixos de mistura rotativos/alternativos 18. Esses eixos de mistura 18 podem incluir, por exemplo, eixos que cobre toda ou uma porção do forno de cuba 10 e incluem uma pluralidade de estruturas protuberantes, cames ou similares, todos projetados para agitar o leito de fusão 16. O forno de cuba 10 pode também incluir um ou mais auxiliares de fluxo estacionários 20 que suportam, desviam e controlam uma porção do leito de fusão 16, de maneira tal que o fluxo no seu centro é reduzido, por exemplo, e, em decorrência disto, o fluxo relativo nas suas bordas é acelerado, por exemplo. Esses auxiliares de fluxo estacionários 20 podem ser localizados por todo o forno de cuba 10, ou concentrados em uma porção particular do forno de cuba 10. Essencialmente, os auxiliares de fluxo estacionários 20 incluem uma ou mais estruturas de interrupção de fluxo de qualquer geometria desejada. O forno de cuba 10 pode adicionalmente incluir uma ou mais estruturas de parede (não ilustradas) que promovem a uniformidade do leito de fusão 16. Por exemplo, podem ser utilizadas geometrias de parede que aceleram o fluxo do leito de fusão perto das paredes, especialmente quando usadas em conjunto com os auxiliares de fluxo estacionários 20. O forno de cuba 10 pode ainda adicionalmente incluir um ou mais agitadores (não ilustrado) que promovem a uniformidade do leito de fusão 16 perturbando-o e causando agitação.

[0012] Em geral, a uniformidade dos dispositivos de leito de fusão da presente invenção assegura que a reforma e redução no forno de cuba ocorrem uniformemente através da largura e por toda a profundidade do leito de fusão 16 no forno de cuba 10. Isto é especialmente importante nas zonas de reforma e redução direta do forno de cuba 10, incluindo a porção superior do forno de cuba 10, a porção inferior do forno de cuba 10, e a zona de transição disposta entre estas.

[0013] Deve-se notar que várias referências abordaram auxiliares de fluxo e várias configurações de parede (vide, por exemplo, US 6.200.363 e US 4.886.097), mas nunca no contexto peculiar de um sistema de redução direta de mínima reforma externa e alta pressão, que leva em conta diferentes considerações. Como foi notado com relação a sistemas de redução direta convencionais, o problema de alcançar um fluxo de partículas satisfatório de compartimentos, tremonhas, silos e outros vasos de contenção e retenção foi o objeto de vários estudos. Frequentemente, quando o volume de partículas a ser lidado é grande, gravidade é levada em conta para fazer com que as partículas escoem para fora do armazenamento. Embora tempo e dinheiro tenham sido gastos com variados graus de sucesso para desenvolver vasos de contenção para tais materiais, o problema se um dado sólido escoará ou não para fora de um dado recipiente, uma vez que ele é realmente construído, ainda persiste.

[0014] Sempre que um recipiente é projetado para ter tanto um fluxo de massa quanto um fluxo de funil, inúmeros fatores têm que ser considerados, particularmente quando resultados de teste ou experiência mostram que o material a ser manuseado tende a aderir, formar torta, formar arco, travar ou solidificar com o tempo. O projetista de um recipiente de armazenamento eficiente tem que estar a par dos problemas que podem surgir tanto durante o armazenamento quanto durante o fluxo dos sólidos a ser manuseados. Consequentemente, as propriedades de fluxo do sólido a ser manuseado têm que ser medidas para projetar um recipiente adequado. É conhecido que o comportamento de sólidos particulados com diferentes características de fluxo é muito difícil de prever e muitos problemas surgem quando tais partículas são manuseadas dentro de um vaso de confinamento. Quando tais propriedades de fluxo mudam, por causa de mudanças na temperatura, teor de umidade, etc., têm que ser feita provisões para compensar tais mudanças na estrutura do recipiente. Consequentemente, tais variações nas propriedades de fluxo podem tornar o fluxo de sólidos tanto complexo quanto crítico. Um recipiente indevidamente fabricado tenderá desenvolver inúmeras características de sólidos volumosos desfavoráveis que impedem o fluxo de partículas.

[0015] As principais causas conhecidas de interrupções e paradas de fluxo são empacotamento, ligação, e fenômeno de formação de ratoeira. As origens de tais fenômenos não são bem conhecidas ou definidas. Empacotamento é um resultado inevitável de uma grande quantidade de partículas pressionando para baixo em direção à saída ou saídas do vaso de tratamento. Ligação ou formação de arco ocorre quando as partículas são travadas e empacotadas pela coluna de pressão de cima, formando um arco forte o bastante para suportar toda a carga do material no vaso. Formação de ratoeira ocorre quando um pequeno volume cilíndrico do material escoa para baixo para a saída, levando o corpo principal do material a ficar suspenso na parede do vaso de tratamento.

[0016] Existem diversas abordagens gerais empregadas pelos versados na técnica quando estudam a fluidez de sólidos particulados. Essas envolvem a determinação de certos parâmetros de fluidez submetendo uma amostra das partículas a uma ação de cisalhamento, mas previsão do comportamento de partícula não é sempre precisa ou completa.

[0017] Inúmeras soluções foram propostas e são conhecidas pela literatura técnica. Essas soluções caem principalmente em duas classes. Primeiro, existem aquelas que estão relacionadas com a própria estrutura do recipiente e que visam promover um fluxo de massa, um fluxo de funil, ou um fluxo combinado, modificando as características físicas do recipiente, por exemplo, o tipo de parede, sua forma, o material do qual ela é feita, o uso de suportes internos, e a natureza de suas entradas e saídas. A segunda classe de soluções propostas está relacionada com dispositivos ou métodos auxiliares para promover o fluxo de material. Essas podem ser internas ou externas e podem ser vibradores mecânicos anexados na parede do recipiente, revestimentos de deslizamento internos, agitadores, injeção de gases para fluidizar ou de outra forma facilitar o fluxo de partícula, bem como produtos químicos para ajudar na solução de problemas específicos.

[0018] Foi proposto no passado a fim de solucionar os problemas de fluxo em compartimentos e outros vasos similares fazer tais recipientes com ângulos de parede muito acentuados, bem como evitar qualquer obstrução ou irregularidade de fluxo nas paredes de forma que a superfície lisa impeça paradas e em alguns casos usar também algum tipo de auxiliar ou promotor de fluxo.

[0019] Um recipiente ou compartimento com este construído para uso em redução direta convencional, por exemplo, tem uma parede convergente para baixo de uma entrada até uma saída. A parede do recipiente é assim formada de maneira que compreenda uma superfície contígua interna com um degrau contínuo em forma de espiral ou helicoidal interno invertido que projeta para fora com relação ao compartimento. O degrau provê um alargamento da área seccional transversal do compartimento, definida pela borda interna, e também causa uma assimetria da superfície interna do compartimento, que tende desestabilizar as ligações que de outra maneira seriam formadas pelas partículas sólidas coesivas.

[0020] Este degrau invertido interno pode ser formado do topo até a base do compartimento, ou, em alguns casos, somente ao longo de uma porção do compartimento, em particular, naquelas regiões onde o diâmetro interno do compartimento faz com que as partículas sólidas liguem ou formem uma cúpula de acordo com suas características de fluxo. O ângulo tangencial que o degrau faz com a horizontal varia entre cerca de 30 e 40 graus. Também, a largura do degrau, isto é, a distância entre bordas, pode ser variada e adaptada a qualquer aplicação particular dependendo dos tamanhos de partícula, das características das partículas coesivas, e da geometria do compartimento. A largura do degrau é maior que a espessura da parede da chapa metálica. A parede do recipiente em alguns usos a alta temperatura tem um isolamento exterior na forma de uma parede que é mais espessa que o degrau. O ângulo de convergência pode permanecer o mesmo ou pode diminuir progressivamente ao longo do degrau espiral de um ângulo mais acentuado da parede acima do degrau para um ângulo menos acentuado da parede abaixo do degrau para qualquer dado ponto ao longo do dito degrau. O degrau espiral circunda a parede convergente do recipiente cônico cerca de 1 a 1/2 vezes. É bem conhecido na técnica que o ângulo de convergência do compartimento é selecionado de acordo com as características do material sólido que está sendo manuseado, as características do material da parede, e o tipo de fluxo de sólidos desejado.

[0021] Novamente, entretanto, este tipo de configuração não faz nada para promover a uniformidade do leito de fusão exigida em um sistema de redução direta de reforma externa mínima, assegurando que tanto reforma quanto redução no forno de cuba ocorrem uniformemente através da largura e por toda a profundidade do leito de fusão 16 no forno de cuba 10 - especialmente importante é a porção central do leito de fusão. Isto é adicionalmente em especial importante nas zonas de reforma e redução direta do forno de cuba 10, incluindo a porção superior do forno de cuba 10, a porção inferior do forno de cuba 10, e a zona de transição disposta entre estas.

[0022] Embora a presente invenção tenha sido ilustrada e descrita aqui com referência a modalidades preferidas e seus exemplos específicos, ficará facilmente aparente aos versados na técnica que outras modalidades e exemplos podem realizar funções similares e/ou alcançar resultados iguais. Todas tais modalidades e exemplos equivalentes estão dentro do espírito e escopo da presente invenção, são contemplados por esta, e devem ser cobertos pelas reivindicações seguintes.

Claims

1. Método para operar um forno de cuba de combinação de reforma e redução de alta pressão (10) para a produção de ferro diretamente reduzido, compreendendo: manter uma porção interior de um forno de cuba (10) em uma pressão maior que 5 atm; dispor um ou mais dispositivos intensificadores de uniformidade de leito de fusão dentro de uma porção interior do forno de cuba (10), em que o um ou mais dispositivos intensificadores de uniformidade de leito de fusão compreendem um ou mais eixos de mistura rotativos ou alternativos (18), um ou mais auxiliares de fluxo estacionários (20), uma ou mais estruturas de parede, ou um ou mais agitadores, em que o um ou mais dispositivos intensificadores de uniformidade de leito de fusão são dispostos dentro de ambas uma zona de reforma e uma zona de redução dentro da porção interior do forno de cuba (10); caracterizado pelo fato de que compreende ainda: bater um leito de fusão (16) disposto dentro da porção interior do forno de cuba (10) e exposto a uma pressão maior que 5 atm usando o um ou mais dispositivos intensificadores de uniformidade de leito de fusão disposto dentro de ambas a zona de reforma e a zona de redução dentro da porção interior do forno de cuba (10) de tal modo que ambas a reforma de um gás redutor e a redução de ferro ocorram simultânea e uniformemente por todo o leito de fusão (16) disposto dentro da porção interior do forno de cuba (10).

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais eixos de mistura rotativos ou alternativos (18) compreendem uma pluralidade de estruturas protuberantes que, quando rotadas, misturam o leito de fusão (16).

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o um ou mais eixos de mistura rotativos ou alternativos (18) abrange a largura do forno de cuba (10).

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o um ou mais auxiliares de fluxo estacionários (20) obstruem o fluxo de uma porção central do leito de fusão (16) através do forno de cuba (10), assim retardando-o.