BR112016011093B1 - complexo de usinas para produção de aço e método para operar o complexo de usinas - Google Patents

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Peter Schmöle
Ralph Kleinschmidt
Matthias Patrick Krüger
Denis Krotov
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Abstract

COMPLEXO DE USINAS PARA PRODUÇÃO DE AÇO E MÉTODO PARA OPERAR O COMPLEXO DE USINAS. A invenção se refere a um complexo de usinas para produção de aço que compreende um alto-forno (1) para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço (2) para produzir aço bruto e um sistema de condução de gás para gases que ocorrem na produção de ferro-gusa ácido e/ou na produção de aço bruto. De acordo com a invenção, o complexo de usinas tem adicionalmente uma usina química ou biotecnológica (11) conectada ao sistema de condução de gás e uma usina (21) para produzir hidrogênio. A usina (21) para produzir hidrogênio é conectada ao sistema de condução de gás por uma linha de transporte de hidrogênio. Ademais, o assunto da invenção é um método para operar o complexo de usinas.

Description

COMPLEXO DE USINAS PARA PRODUÇÃO DE AÇO E MÉTODO PARA OPERAR O COMPLEXO DE USINAS
[001] A invenção se refere a um complexo de usinas para produção de aço e a um método para operar o complexo de usinas.
[002] O complexo de usinas para produção de aço compreende pelo menos um alto-forno para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço para produzir aço bruto e um sistema de condução de gás para gases que ocorrem na produção de ferro-gusa ácido e/ou na produção de aço bruto. O complexo de usinas também pode ter uma usina de geração de energia para geração de eletricidade, que é projetada como uma usina de geração de energia de turbina a gás ou usina de geração de energia de turbina a gás ou de turbina a vapor e é operada com um gás que compreende pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno e/ou uma quantidade parcial do gás de conversor que ocorre na usina conversora de aço.
[003] O ferro-gusa ácido é obtido no alto-forno a partir de minérios de ferro, aditivos e também coque, e outros agentes redutores como carvão, óleo, gás, biomassas, dejetos plásticos reciclados ou outras substâncias que contêm carbono e/ou hidrogênio. O CO, o CO2, o hidrogênio e o vapor d'água ocorrem inevitavelmente como produtos das reações de redução. Além dos constituintes supracitados, um gás de topo do alto-forno extraído do processo de alto-forno muitas vezes tem um alto teor de nitrogênio. A quantidade de gás e a composição do gás de topo do alto-forno são dependentes da matéria-prima e do modo operacional, e sofrem oscilações. Tipicamente, entretanto, o gás de topo do alto-forno contém 35 a 60% em volume de N2, 20 a 30% em volume de CO, 20 a 30% em volume de CO2 e 2 a 15% em volume de H2. Em torno de 30 a 40% do gás de topo do alto-forno produzido na produção do ferro-gusa ácido é em geral usado para aquecer o ar quente para o processo de alto-forno em aquecedores de ar; a quantidade remanescente de gás de topo pode ser usada externamente em outras áreas das usinas para propósitos de aquecimento ou para geração de eletricidade.
[004] Na usina conversora de aço, que é disposta a jusante do processo de alto-forno, o ferro-gusa ácido é convertido em aço bruto. Através do sopro de oxigênio sobre o ferro-gusa ácido líquido, impurezas prejudiciais como carbono, silício, enxofre e fósforo são removidas. Visto que os processos de oxidação ocasionam um desenvolvimento intenso de calor, a sucata é muitas vezes adicionada em quantidades de até 25% em relação ao ferro-gusa ácido como um refrigerante. Adicionalmente, cal viva é adicionada para formar escória e um agente de ligação. Um gás de conversor que tem um alto teor de CO e também contém nitrogênio, hidrogênio e CO2 é extraído do conversor de aço. Uma composição típica de gás de conversor tem 50 a 70% em volume de CO, 10 a 20% em volume de N2, cerca de 15% em volume de CO2 e cerca de 2% em volume de H2. O gás de conversor é queimado ou, no caso de usinas de aço modernas, capturado e passado para ser usado para o fornecimento de energia.
[005] O complexo de usinas pode ser opcionalmente operado em combinação com uma usina de coqueificação. Nesse caso, o complexo de usinas descrito anteriormente compreende adicionalmente uma usina de coqueria, na qual o carvão é convertido em coque por um processo de coqueificação. Na coqueificação de carvão para formar coque, ocorre um gás de coqueria, o qual contém um alto teor de hidrogênio e quantidades consideráveis de CH4. Tipicamente, o gás de coqueria contém 55 a 70% em volume de H2, 20 a 30% em volume de CH4, 5 a 10% em volume de N2 e 5 a 10% em volume de CO. Além disso, o gás de coqueria tem frações de CO2, NH3 e H2S. Na prática, o gás de coqueria é usado em várias áreas das usinas para propósitos de aquecimento e no processo de geração de energia para geração de eletricidade. Além disso, é conhecido o uso de gás de coqueria junto com gás de topo do alto-forno ou com gás de conversor para produzir gases de síntese. De acordo com um método conhecido a partir do documento WO 2010/136313 A1, o gás de coqueria é separado em uma corrente de gás rica em hidrogênio e uma corrente de gás residual que contém CH4 e CO, em que a corrente de gás residual e é alimentada no processo de alto-forno e a corrente de gás rica em hidrogênio é misturada com gás de topo do alto-forno e processada adicionalmente formando um gás de síntese.
[006] É conhecida a partir do documento EP 0 200 880 A2 a mistura de gás de conversor e gás de coqueria e o uso dos mesmos como um gás de síntese para síntese de metanol.
[007] E m uma usina metalúrgica integrada que é operada em combinação com uma usina de coqueificação, aproximadamente 40 a 50% dos gases brutos que ocorrem como gás de topo do alto-forno, gás de conversor e gás de coqueria são usados para processos de engenharia química. Aproximadamente 50 a 60% dos gases produzidos são alimentados na usina de geração de energia e usados para geração de eletricidade. A eletricidade produzida na usina de geração de energia supre a demanda de eletricidade para a produção de ferro-gusa ácido e aço bruto. Idealmente, o equilíbrio de energia é fechado, de modo que, além dos minérios de ferro e carbono na forma de carvão e coque como fontes de energia, nenhuma entrada de energia adicional seja necessária e, além de aço bruto e escória, nenhum produto deixa o complexo de usinas.
[008] Contra esses antecedentes, a invenção é baseada no objetivo de aprimorar adicionalmente a economia do processo como um todo e de fornecer um complexo de usinas com o qual é possível reduzir os custos para a produção de aço.
[009] A partir de um complexo de usinas para produzir aço que compreende um alto-forno para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço para produzir aço bruto e um sistema de condução de gás para gases que ocorrem na produção de ferro-gusa ácido e/ou na produção de aço bruto, de acordo com a invenção, uma usina química ou biotecnológica conectada ao sistema de condução de gás e uma usina para produzir hidrogênio são fornecidas, em que a usina para produzir hidrogênio é conectada ao sistema de condução de gás por uma linha de transporte de hidrogênio. Ajustes vantajosos do complexo de usinas de acordo com a invenção são descritos nas reivindicações de patente 2 a 6.
[010] Ademais, o assunto da invenção é um método, conforme definido na reivindicação 7, para operar um complexo de usinas para produzir aço que tem pelo menos um alto-forno para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço, uma usina química ou usina biotecnológica e uma usina para produzir hidrogênio. De acordo com o método de acordo com a invenção, pelo menos uma quantidade parcial de um gás de topo do alto-forno que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno e/ou uma quantidade parcial de um gás de conversor que ocorre na produção de aço bruto é usada após uma operação de condicionamento de gás como um gás útil para produzir produtos químicos em uma usina química ou usina biotecnológica. O gás útil aqui, antes de ser usado como gás de síntese, é enriquecido com hidrogênio que é formado na usina para produzir hidrogênio. O gás de conversor ou gás de topo do alto-forno, ou um gás misturado formado a partir de gás de topo do alto-forno e gás de conversor, pode gerar gases de síntese que consistem essencialmente em CO e H2, dos quais a composição é coordenada com um processo subsequente na usina química ou na usina biotecnológica. Uma adição específica de hidrogênio que é produzido dentro do complexo de usinas torna possível que a razão de CO e hidrogênio seja ajustada muito precisamente e variada por uma ampla faixa de parâmetro.
[011] Na usina química, produtos químicos podem ser produzidos a partir de gases de síntese que contêm respectivamente os componentes do produto final. Os produtos químicos podem ser, por exemplo, amônia ou metanol ou ainda outros compostos de hidrocarboneto.
[012] Para produzir amônia, um gás de síntese que contém nitrogênio e hidrogênio na razão correta precisa ser fornecido. O nitrogênio pode ser obtido a partir de gás de topo do alto-forno. O gás de topo do alto-forno ou gás de conversor pode ser usado como a fonte de hidrogênio, em que o hidrogênio é produzido pela conversão da fração de CO por uma reação de deslocamento de água-gás (CO + H2O ⇌ CO2 + H2). Para produzir compostos de hidrocarboneto, por exemplo, metanol, é necessário fornecer um gás de síntese que consiste substancialmente em CO e/ou CO2 e H2 que contém os componentes monóxido de carbono e/ou dióxido de carbono e hidrogênio na razão correta. A razão é muitas vezes descrita pelo módulo (H2 - CO2) / (CO + CO2). O hidrogênio pode ser produzido, por exemplo, pela conversão da fração de CO no gás de topo do alto-forno por uma reação de deslocamento de água-gas. O gás de conversor pode ser usado para fornecer CO. O gás de topo do alto-forno e/ou gás de conversor pode servir como uma fonte de CO2.
[013] No caso dos conceitos descritos acima, entretanto, não é possível que o teor de C ou teor de N do gás misturado seja usado por completo, uma vez que há uma limitação de hidrogênio. Para que seja possível que o teor de C ou o teor de N dos gases que ocorrem durante a produção de ferro-gusa ácido e/ou a produção de aço bruto sejam usados por completo para produzir produtos químicos, a invenção fica no hidrogênio que é formado em uma usina para produzir hidrogênio. O hidrogênio é produzido, de preferência, por eletrólise de água, em que a eletrólise de água é operada convenientemente por energia elétrica que foi produzida a partir de energia renovável. A eletrólise de água também produz oxigênio que pode ser usado no alto-forno para produzir ferro-gusa ácido e/ou na usina conversora de aço para produzir aço bruto.
[014] Ademais, está incluído no escopo da invenção que o gás de síntese seja produzido a partir de gás de conversor e enriquecido com hidrogênio. O enriquecimento com hidrogênio que é produzido dentro do complexo de usinas, de acordo com o requisito de hidrogênio, torna possível ajustar o teor de H2 do gás de conversor para qualquer valor desejado.
[015] Também é possível usar gás de topo do alto-forno e gás de conversor para produzir um gás misturado que, após uma operação de condicionamento de gás e enriquecimento com hidrogênio, é usado como gás de síntese para produzir produtos químicos. É conveniente que o hidrogênio seja produzido por eletrólise de água com o uso de eletricidade obtida a partir de energia renovável.
[016] Dentro do escopo da invenção, uma usina biotecnológica pode também ser usada em vez de uma usina química para produzir produtos a partir de gás de síntese. A usina em questão é uma usina para a fermentação de gás de síntese. O gás de síntese é usado bioquimicamente por meio de um processo de fermentação, sendo possível produzir produtos como álcoois (etanol, butanol), acetona ou ácidos orgânicos. Esses produtos, que são produzidos pela fermentação de gás de síntese, são também apenas mencionados por meio de exemplo no presente caso.
[017] De acordo com uma modalidade preferencial da invenção, o complexo de usinas compreende adicionalmente uma usina de coqueria. Se a produção de ferro-gusa ácido e a produção de aço bruto forem operadas em combinação com uma usina de coqueificação, uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno que ocorre na produção de ferro-gusa ácido e/ou uma quantidade parcial do gás de conversor que ocorre na usina conversora de aço podem ser misturadas com uma quantidade parcial do gás de coqueria que ocorre na usina de coqueria e o gás misturado pode ser usado como um gás útil. Uma mistura de gás de coqueria e gás de topo do alto-forno ou um gás misturado que compreende gás de coqueria, gás de conversor e gás de topo do alto-forno pode ser usado como um gás útil para produzir um gás de síntese, por exemplo, para síntese de amônia. Um gás misturado que compreende gás de coqueria e gás de conversor ou um gás misturado que compreende gás de coqueria, gás de conversor e gás de topo do alto-forno é adequado para produzir compostos de hidrocarboneto. Os produtos químicos descritos que podem ser produzidos em uma usina química a partir de gás de topo do alto-forno, gás de conversor e gás de coqueria são apenas exemplos de aplicação para explicar as variações do método que são descritas nas reivindicações de patente.
[018] Os gases brutos - gás de coqueria, gás de conversor e gás de topo do alto-forno - podem ser condicionados individualmente ou em combinações como um gás misturado e, então, alimentados na usina química como gases de síntese. O condicionamento de gás de coqueria, em particular, compreende uma limpeza do gás para separar conteúdos problemáticos, em particular, alcatrão, enxofre e compostos de enxofre, hidrocarbonetos aromáticos (BTX) e hidrocarbonetos com alto ponto de ebulição. Uma operação de condicionamento de gás é também necessária para produzir o gás de síntese. No curso do condicionamento de gás, a proporção dos componentes CO, CO2 e H2 dentro do gás bruto é alterada. O condicionamento de gás compreende, por exemplo, adsorção com oscilação de pressão para separar e enriquecer H2 e/ou uma reação de deslocamento água-gás para conversor CO em hidrogênio e/ou um reformador de vapor para conversor a fração de CH4 em CO e hidrogênio no gás de coqueria.
[019] De acordo com uma modalidade preferencial da invenção, o complexo de usinas compreende uma usina de geração de energia para geração de eletricidade que é projetada como uma usina de geração de energia de turbina a gás ou usina de geração de energia de turbina a vapor ou turbina a gás com um gás que compreende pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno e/ou uma quantidade parcial do gás de conversor que ocorre na usina conversora de aço. A usina de geração de energia para geração de eletricidade e a usina química ou usina biotecnológica são conectadas em paralelo, como visto em relação ao guia de fluxo dos gases. Os vapores de gás que são alimentados na usina de geração de energia, por um lado, e na usina química ou biotecnológica, por outro lado, podem ser controlados.
[020] No caso do método de acordo com a invenção, pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno e/ou uma quantidade parcial do gás de conversor que ocorre na usina conversora de aço é usada como gás bruto, a fim de produzir produtos, ou seja, substâncias de valor, a partir dos mesmos por reações químicas em uma usina química ou por processos bioquímicos em uma usina biotecnológica. Como uma consequência do uso de parte desses gases, o complexo de usinas tem um déficit de eletricidade, que precisa ser obtido externamente. A eletricidade externamente obtida pode ser originada de usinas de geração de energia convencionais ou ser obtida a partir de fontes de energia renovável. De preferência, a eletricidade externamente obtida é obtida completamente ou pelo menos parcialmente a partir de energia renovável e se origina, por exemplo, de usinas de gerador de turbina eólica, usinas solares, usinas de geração de energia geotérmica, usinas de geração de energia hidrelétrica, usinas de geração de energia de marés e similares. Para alcançar a operação do complexo de usinas que é tão econômica quanto possível, em momentos de baixo preço de eletricidade, a eletricidade é adquirida e usada para suprir o complexo de usinas e a parte do gás útil que não é usada para produzir eletricidade é usada para produzir produtos químicos após uma operação de condicionamento de gás na usina química ou na usina biotecnológica. Em momentos de preços de eletricidade altos, por outro lado, o gás útil é completamente ou pelo menos em sua maior parte alimentado na usina de geração de energia a fim de produzir eletricidade para suprir o complexo de usinas. A usina química ou usina biotecnológica é correspondentemente operada em uma saída inferior em momentos de preços de eletricidade altos. O mesmo se aplica à eletrólise de água operada com energia elétrica. Se, no caso de preços de eletricidade altos, a usina química for operada em uma saída inferior, também é o caso em que o nível de hidrogênio requerido é baixo. Se, em contraste, no caso de preços de eletricidade baixos, a usina química for operada com uma alta saída de produção, também é possível que o hidrogênio seja produzido de forma econômica por eletrólise de água. Um sistema de controle de circuito fechado é fornecido para operar o método, estabelecendo a operação alternada da usina de geração de energia por um lado e a usina química ou usina biotecnológica por outro lado dependendo de um parâmetro de processo variável. O parâmetro de processo é, de preferência, determinado dependendo de uma função que inclui o preço para a eletricidade externamente obtida e dos custos para produzir a eletricidade da usina de geração de energia como variáveis.
[021] O método de acordo com a invenção torna possível que o complexo de usinas seja operado de forma econômica. Por meio disso, o método de acordo com a invenção também faz uso, em particular, do fato de que a eficiência de um processo de geração de energia para produzir eletricidade é pior do que a eficiência de uma usina química ou uma usina biotecnológica na qual os produtos químicos são produzidos por reações químicas ou por processos bioquímicos a partir de gás de síntese.
[022] A saída de energia da usina química ou da usina biotecnológica é controlada dependendo da quantidade de gás de síntese alimentado nessa usina. Um desafio principal para a usina química é o de encontrar uma maneira de operar dinamicamente com alteração de cargas de usina. A maneira de operar com a alteração de cargas de usina pode ser realizada, em particular, pela usina química que tem uma pluralidade de pequenas unidades dispostas em paralelo, que são individualmente ligadas ou desligadas dependendo da corrente disponível de gás útil.
[023] O uso de uma usina biotecnológica tem a vantagem de que uma usina biotecnológica é mais flexível em relação a alterações de carga do que uma usina química.
[024] A invenção também abrange o uso de uma usina química ou biotecnológica para acoplamento a uma usina metalúrgica de acordo com a reivindicação 18.
[025] A invenção é explicada abaixo com base em um desenho que representa meramente uma modalidade exemplificativa. Esquematicamente,
[026] a Figura 1 mostra um diagrama de blocos consideravelmente simplificado de um complexo de usinas para produzir aço que compreende um alto-forno para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço para produzir aço bruto, uma usina de geração de energia, uma usina química ou biotecnológica e uma usina para produzir hidrogênio,
[027] a Figura 2 mostra o diagrama de blocos consideravelmente simplificado de um complexo de usinas que, além de um alto-forno para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço para produzir aço bruto, uma usina de geração de energia, uma usina química ou biotecnológica e uma usina para produzir hidrogênio, também compreende uma usina de coqueria.
[028] O complexo de usinas para produção de aço que é representado na Figura 1 compreende um alto-forno 1 para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço 2 para produzir aço bruto, uma usina de geração de energia 3 para geração de eletricidade e uma usina química ou biotecnológica 11.
[029] No alto-forno 1, o ferro-gusa ácido 6 é obtido substancialmente a partir de minério de ferro 4 e agentes redutores 5, em particular, coque e carvão. As reações de redução ocasionam a produção de um gás de topo do alto-forno 7, que contém nitrogênio, CO, CO2 e H2 como os constituintes principais. Na usina conversora de aço 2, que é disposta a jusante do processo de alto-forno, o ferro-gusa ácido 6 é convertido em aço bruto 8. Através do sopro de oxigênio sobre o ferro-gusa ácido líquido, impurezas problemáticas, em particular, carbono, silício e fósforo, são removidas. Para resfriamento, a sucata pode ser adicionada em quantidades de até 25% em relação à quantidade de ferro-gusa ácido. Adicionalmente, cal viva é adicionada para formar escória e um agente de ligação. No topo do conversor, um gás de conversor 9 que tem uma proporção muito alta de CO é extraído.
[030] A usina de geração de energia 3 é projetada como uma usina de geração de energia de turbina a gás ou usina de geração de energia de turbina a gás ou de turbina a vapor e é operada com um gás que compreende pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno 7 que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno 1 e/ou uma quantidade parcial do gás de conversor 9 que ocorre na usina conversora de aço 2. Um sistema de condução de gás é fornecido para transportar os gases.
[031] De acordo com o equilíbrio geral representado na Figura 1, o carbono é alimentado no complexo de usinas como um agente redutor 5 na forma de carvão e coque e também minério de ferro 4. Ocorrendo como produtos estão aço bruto 8 e gases brutos 7, 9, que diferem em quantidade, composição, valor calorífico e pureza e são usados novamente em vários pontos no complexo de usinas. Em uma consideração geral, 40 a 50%, usualmente aproximadamente 45%, dos gases brutos 7, 9 são retornados novamente para o processo metalúrgico para produzir ferro-gusa ácido ou produzir aço bruto. Entre 50 e 60%, usualmente aproximadamente 55%, dos gases brutos 7, 9 podem ser usados para operar a usina de geração de energia 3. A usina de geração de energia 3 operada com um gás misturado 10 que compreende gás de topo do alto-forno 7 e gás de conversor 9 é projetada de maneira que possa cobrir a demanda de eletricidade do complexo de usinas.
[032] De acordo com a representação na Figura 1, uma usina química ou biotecnológica 11 é fornecida, conectada ao sistema de condução de gás e disposta em paralelo com a usina de geração de energia 3 em relação ao suprimento de gás. O sistema de condução de gás tem um derivador de gás operacionalmente controlável 12 para dividir as correntes de gás que são alimentadas na usina de geração de energia 3 e na usina química ou biotecnológica 11. Fornecido a montante do derivador de gás na direção de fluxo está um dispositivo de mistura 13, para produzir o gás misturado 10 que consiste em gás de topo do alto-forno 7 e gás de conversor 9.
[033] No caso do complexo de usinas representado na Figura 1, pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno 7 que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno 1 e uma quantidade parcial do gás de conversor 9 que ocorre na produção de aço bruto são usadas como um gás útil para operar a usina de geração de energia 3 e a usina química ou biotecnológica 11. A eletricidade externamente obtida 14 e a eletricidade da usina de geração de energia 15, que é produzida pela usina de geração de energia 3 do complexo de usinas, são usadas para cobrir a demanda de eletricidade do complexo de usinas. A proporção de eletricidade considerada pela eletricidade externamente obtida 14 em relação à demanda de eletricidade geral do complexo de usinas é estabelecida como um parâmetro de processo variável e a quantidade de gás útil N1 alimentado na usina de geração de energia 3 é determinada dependendo desse parâmetro de processo. A parte do gás útil N2 que não é usado para produzir eletricidade é usada após uma operação de condicionamento de gás como um gás de síntese para produzir produtos químicos 16 ou é alimentada após uma operação de condicionamento de gás na usina biotecnológica e usada para processos bioquímicos.
[034] A eletricidade externamente obtida 14 é, de preferência, obtida completamente ou pelo menos parcialmente a partir de energia renovável e se origina, por exemplo, de usinas de gerador de turbina eólica, usinas solares, usinas de geração de energia hidrelétricas e similares. O parâmetro de processo com base no qual a quantidade de gás útil N1 que é alimentada no processo de geração de energia é estabelecida é determinado dependendo de uma função que inclui o preço para a eletricidade externamente obtida e os custos para produzir a eletricidade de usina de geração de energia 15 como variáveis. Para alcançar a operação do complexo de usinas que é tão econômica quanto possível, em momentos de preços baixos de eletricidade, a energia elétrica é adquirida como eletricidade externa 14 e usada para suprir eletricidade para o complexo de usinas, em que a parte do gás útil N2 que não é usada para produzir eletricidade é alimentada na usina química ou biotecnológica 11 e usada para produzir produtos químicos 16 após uma operação de condicionamento de gás. Em momentos de preços de eletricidade altos, os gases brutos 7, 9 que ocorrem na produção de ferro-gusa ácido e na produção de aço bruto são alimentados na usina de geração de energia 3 a fim de produzir eletricidade para suprir para o complexo de usinas. A usina química 11 ou a usina biotecnológica alternativamente fornecida é correspondentemente operada em uma saída inferior em momentos de preços de eletricidade altos.
[035] Para que o teor de carbono e o teor de nitrogênio dos gases brutos que ocorrem durante a operação do complexo de usinas possam ser usados por completo para produzir produtos químicos, o hidrogênio precisa ser alimentado a fim de compensar uma limitação de hidrogênio. O complexo de usinas, portanto, tem adicionalmente uma usina 21 para produzir hidrogênio, que é conectada ao sistema de condução de gás por uma linha de transporte de hidrogênio 22. A usina 21 para produzir hidrogênio pode ser, em particular, uma usina de eletrólise para a eletrólise de água. Uma eletrólise de água usa intensamente energia para sua operação e é, portanto, principalmente colocada em operação em momentos de preços de eletricidade baixos, em que a usina química 11 ou a usina biotecnológica é também operada e a usina de geração de energia 3 é operada em uma saída inferior. O hidrogênio que é adicionalmente produzido é alimentado na usina química 11 junto com o gás útil como gás de síntese. Isso permite que a capacidade da usina química 11 seja aumentada significativamente. O mesmo se aplica correspondentemente se uma usina biotecnológica for fornecida em vez da usina química 11.
[036] Na modalidade exemplificativa da Figura 2, o complexo de usinas compreende adicionalmente uma usina de coqueria 17. Na coqueificação de carvão 18 para formar coque 19, o gás de coqueria 20 ocorre, contendo uma alta proporção de hidrogênio e CH4. Partes do gás de coqueria 20 podem ser usadas para o aquecimento dos aquecedores de ar no alto-forno 1. O sistema de condução de gás inclui uma distribuição de gás para o gás de coqueria 20. Fornecido a montante do derivador de gás 12 na direção de fluxo está um dispositivo de mistura 13, para produzir um gás misturado 10 que consiste em gás de topo do alto-forno 7, gás de conversor 9 e gás de coqueria 20. Com o derivador de gás 12, as correntes de gás que são alimentadas na usina de geração de energia 3 e na usina química ou biotecnológica 11 podem ser controladas.
[037] Durante a operação da usina representada na Figura 2, uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno 7 que ocorre na produção de ferro-gusa ácido e/ou uma quantidade parcial do gás de conversor 9 que ocorre na usina conversora de aço são misturadas com uma quantidade parcial do gás de coqueria 20 que ocorre na usina de coqueria 17. O gás misturado 10 é usado para operar a usina de geração de energia 3 e, após uma operação de condicionamento de gás e enriquecimento com hidrogênio, como gás de síntese na usina química 11 ou na usina biotecnológica.
[038] O gás de topo do alto-forno 7, o gás de conversor 9 e o gás de coqueria 20 podem ser combinados um com o outro de qualquer maneira desejada. A combinação de correntes de gás 7, 9, 20 depende do gás de síntese desejado ou do produto que deve ser produzido a partir do gás de síntese na usina química 11 ou na usina biotecnológica. Um enriquecimento adicional com hidrogênio, que é produzido, de preferência, por eletrólise de água na usina 21, ocorre aqui.

Claims (15)

  1. Complexo de usinas para produção de aço que compreende:
    um alto-forno (1) para produzir ferro-gusa ácido,
    uma usina conversora de aço (2) para produzir aço bruto,
    um sistema de condução de gás para gases que ocorrem na produção de ferro-gusa ácido e/ou na produção de aço bruto,
    caracterizado por o complexo de usinas compreender adicionalmente uma usina química (11) ou usina biotecnológica conectada ao sistema de condução de gás e uma usina (21) para produzir hidrogênio, em que a usina (21) para produzir hidrogênio é conectada ao sistema de condução de gás por uma linha de transporte de hidrogênio (22) , em que o complexo de usinas compreende adicionalmente uma usina de geração de energia (3) que é projetada como uma usina de geração de energia de turbina a gás ou usina de geração de energia de turbina a gás ou de turbina a vapor e é operada com um gás que compreende pelo menos uma quantidade parcial do gás de topo do alto-forno que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno (1) e/ou uma quantidade parcial do gás de conversor (2) que ocorre na usina conversora de aço, e o sistema de condução de gás compreender um derivador de gás conectável (12) para dividir as correntes de gás que são alimentadas na usina de geração de energia (3) e na usina química (11) ou usina biotecnológica.
  2. Complexo de usinas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a linha de transporte de hidrogênio (22) ser conectada a um dispositivo de mistura (13), que é disposto a montante da usina química ou biotecnológica (11), como visto na direção de fluxo, e na qual uma corrente de gás que é alimentada no dispositivo de mistura (13) é enriquecida com hidrogênio.
  3. Complexo de usinas, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a usina química (11) ou usina biotecnológica ser conectada a uma linha para gás de conversor, e por a linha de transporte de hidrogênio (22) ser conectada à linha de gás conversor, de modo que o gás de conversor, para uso na usina química (11) ou na usina biotecnológica, possa ser enriquecido com hidrogênio.
  4. Complexo de usinas, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a usina (21) para produzir hidrogênio ter uma usina de eletrólise para a eletrólise de água.
  5. Complexo de usinas, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a usina de eletrólise ser conectada ao alto-forno (1) e/ou a uma usina para produzir aço bruto por meio de um dispositivo de retorno de oxigênio.
  6. Método caracterizado por servir para operar um complexo de usinas que tem um alto-forno (1) para produzir ferro-gusa ácido, uma usina conversora de aço (2), uma usina química (12) ou usina biotecnológica e uma usina (21) para produzir hidrogênio,
    • a) pelo menos uma quantidade parcial de um gás de topo do alto-forno que ocorre na produção de ferro-gusa ácido no alto-forno (1) e/ou uma quantidade parcial de um gás de conversor que ocorre na produção de aço bruto que é usado, após uma operação de condicionamento de gás, como um gás útil para produzir produtos químicos (16),
    • b) em que o gás útil, antes de ser usado como gás de síntese, é enriquecido com hidrogênio que é formado na usina (21) para produzir hidrogênio,
    em que uma parte do gás útil é alimentada em uma usina de geração de energia (3) e usada para geração de eletricidade, em que a usina de geração de energia (3) e a usina química ou biotecnológica (11) são conectadas em paralelo, e em que as correntes de gás que são alimentadas na usina de geração de energia (3), por um lado, e na usina química ou biotecnológica (11), por outro lado, são controladas.
  7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o gás de síntese ser produzido a partir de gás de conversor e ser enriquecido com hidrogênio.
  8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o gás de topo do alto-forno e o gás de conversor serem usados para produzir um gás misturado que, após uma operação de condicionamento de gás e enriquecimento com hidrogênio, é usado como gás de síntese para produzir produtos químicos ou na usina biotecnológica para processos bioquímicos.
  9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado por o hidrogênio ser produzido por eletrólise de água.
  10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a eletrólise de água ser operada por energia elétrica que foi produzida a partir de energia renovável.
  11. Método, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado por o oxigênio formado durante a eletrólise de água ser usado dentro do alto-forno (1) para produzir ferro-gusa ácido e/ou na usina conversora de aço (2) para produzir aço bruto.
  12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 11, caracterizado por a quantidade de H2 produzida ser tal que toda a fração de carbono e nitrogênio no gás útil possa ser usada para conversão em produtos químicos.
  13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 12, caracterizado por 5% a 60% da quantidade de gás que ocorre como gás de topo do alto-forno durante a produção de ferro-gusa ácido e/ou como gás de conversor na usina conversora de aço (2) ser alimentado na usina química ou biotecnológica (11) e usado para produzir produtos químicos (16).
  14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 13, caracterizado por o gás de coqueria ser misturado por adição com o gás útil.
  15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 14, caracterizado por a saída da usina de geração de energia (3) ser reduzida para operação de carga parcial ou de carga base, e a corrente de gás alimentada na usina de geração de energia (3) ser restrita correspondentemente, se o preço de eletricidade para energia elétrica obtida a partir de energia renovável for um fator predeterminado menor que os custos da energia produzida na usina de geração de energia (3).
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