BR112016011580B1

BR112016011580B1 - método para a produção de gás de síntese em uma operação combinada com uma instalação metalúrgica

Info

Publication number: BR112016011580B1
Application number: BR112016011580-5A
Authority: BR
Inventors: Reinhold Achatz; Jens Wagner; Markus Oles; Peter Schmöle; Ralph Kleinschmidt; Denis Krotov; Olaf Von Morstein; Karsten Büker
Original assignee: Thyssenkrupp Ag
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2020-12-01
Also published as: CA2930463A1; EP3080307A1; KR20160097311A; MX2016006560A; CN113444849A; AU2014361206A1; EP3080307B1; TW201527512A; CN105980583A; TWI648390B; RU2661688C1; CA2930463C; US20160348196A1; UA119339C2; KR102298465B1; US10697032B2; WO2015086151A1; DE102013113933A1; AU2014361206B2; BR112016011580A2

Abstract

MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE GÁS DE SÍNTESE EM UMA OPERAÇÃO COMBINADA COM UMA INSTALAÇÃO METALÚRGICA. A invenção diz respeito a um método para a produção de gás de síntese em uma operação combinada com uma instalação metalúrgica (1), que compreende pelo menos um alto-forno (2) para produzir gusa, uma instalação de conversão de aço (3) e uma instalação com forno a coque (4). Parte do gás (6) do topo do alto-forno que é produzido na produção de gusa e/ou parte do gás (7) conversor que ocorre na instalação de conversão de aço (3) e/ou parte do gás (8) do forno a coque que é produzido na instalação de forno a coque (4) são misturados. Selecionando as correntes de gás que são misturadas para formar um gás misto e/ou alterando as proporções de mistura das correntes de gás que são misturadas, são produzidas pelo menos duas correntes de gás útil (13, 14), que são diferentes no que diz respeito à sua composição e preparadas, respectivamente, para formar correntes de gás de síntese.

Description

[001] A invenção diz respeito a um método para a produção de gás de síntese em uma operação combinada com uma instalação metalúrgica, que compreende pelo menos um alto-forno para a produção de gusa, uma instalação de conversão de aço e uma instalação com forno a coque.

[002] A gusa é obtida no alto-forno a partir de minérios de ferro, aditivos tais como coque e outros agentes redutores, tais como carvão, óleo, gás, biomassas, plásticos residuais reciclados ou outras substâncias que contêm carbono e/ou hidrogênio. CO, CO2, hidrogênio e vapor de água ocorrem, inevitavelmente, como produtos das reações de redução. Para além dos constituintes supramencionados, um gás de topo de alto-forno removido a partir do processo de alto-forno possui, frequentemente, um elevado teor em azoto. A quantidade de gás e a composição do gás de topo do alto-forno dependem da matéria-prima e do modo de funcionamento e são sujeitos a flutuações. No entanto, tipicamente, um gás de topo de alto-forno contém entre 35% e 60% em volume de N2, entre 20% e 30% em volume de CO, entre 20% e 30% em volume de CO2 e entre 25 e 15% em volume de H2. Cerca de 30% a 40% do gás de topo do alto-forno produzido na produção de gusa é normalmente utilizado para o aquecimento ao ar quente para o processo de alto-forno em aquecedores de ar; em que a quantidade restante do gás de topo pode ser utilizada em outras áreas do processo para fins de aquecimento ou para geração de eletricidade.

[003] Na instalação de conversão de aço, o qual é montado a jusante do processo de alto-forno, a gusa é convertida em aço bruto. Através da sopragem de oxigênio em gusa líquida, são removidas impurezas problemáticas, tais como carbono, silício, enxofre e fósforo. Uma vez que os processos de oxidação provocam um desenvolvimento elevado de calor, é frequentemente adicionada sucata em quantidades até 25%, no que diz respeito à gusa, como material de arrefecimento. Além disso, é adicionada cal viva para formar escória e um agente de formação de liga. Um gás conversor que possui um teor elevado de CO e que também contém azoto, hidrogênio e CO2 é removido a partir do conversor de aço. Uma composição de gás de conversão típica possui 50% a 70% em volume de CO, cerca de 10% a 20% em volume de N2, cerca de 15% em volume de CO2 e cerca de 2% em volume de H2. O gás conversor é queimado ou, no caso de instalações modernas de aço, capturado e transferido para ser utilizado para proporcionar energia.

[004] Na instalação de forno a coque, o carvão é convertido em coque através de um processo de cozimento. Assim sendo, ocorre um gás do forno de coque, que contém um teor elevado em hidrogênio e quantidades consideráveis de CH4. Tipicamente, um gás de forno a coque contém 55% a 70% em volume de H2, 20% a 30% em volume de CH4, cerca de 5% a 10% em volume de N2 e cerca de 5% em volume de CO. Além disso, o gás do forno a coque possui fracções de CO2, NH3 e H2S. Na prática, o gás do forno a coque é utilizado em várias áreas do processamento para fins de aquecimento e no processo de geração de energia para a geração de eletricidade. Além do mais, é conhecida a utilização de gás do forno a coque em conjunto com gás do topo do alto-forno ou com gás conversor para a produção de gases de síntese. De acordo com um método conhecido a partir do documento WO 2010/136313 A1, um gás do forno a coque é separado em uma corrente de gás rico em hidrogênio e uma corrente de gás residual que contém CH4 e CO, em que a corrente de gás residual é alimentada ao processo de alto-forno, sendo a corrente de gás rico em hidrogênio misturada com o gás do topo do alto-forno e processada para a obtenção de um gás de síntese. A partir do documento EP 0 200 880 A2 é conhecida a mistura de gás conversor e gás do forno de coque e a sua utilização como gás de síntese para a síntese de metanol.

[005] Em uma instalação metalúrgica integrada que funcione em combinação com uma instalação de cozimento, aproximadamente 40% a 50% dos gases brutos que ocorrem como gás de topo do alto-forno, gás conversor e gás do forno de coque são utilizados para processos de engenharia química. Aproximadamente 50% a 60% dos gases produzidos podem ser utilizados para a geração de eletricidade ou utilizados como gases brutos para a produção de gases de síntese. Através da utilização de gases para a produção de gases de síntese, a razão custo-eficácia de uma instalação metalúrgica pode ser melhorada. Em simultâneo, o equilíbrio de CO2 da instalação metalúrgica também é melhorado, visto que o carbono é ligado em produtos químicos e não é emitido sob a forma de CO2. No entanto, deverá ser aqui tomado em consideração que a quantidade de gás bruto que é possível utilizar para a produção de gás de síntese está sujeita a flutuações consideráveis ao longo do tempo.

[006] Tal é assim visto que desde que os gases brutos sejam utilizados para a produção de gás de síntese, a produção de eletricidade por meio de instalações geradoras de energia em funcionamento em combinação com uma instalação metalúrgica deverá ser reduzida e a eletricidade obtida a partir de fontes externas para cobrir as necessidades energéticas da instalação metalúrgica. Caso a eletricidade esteja disponível a um custo reduzido e em quantidades suficientes, por exemplo, a partir de fontes de energia renováveis, é possível utilizar uma grande quantidade de gases brutos para a produção de gás de síntese. Por outro lado, quando há um preço elevado para a eletricidade obtida externamente, é necessário, devido a considerações económicas, utilizar a quantidade utilizável de gás bruto que ocorre na instalação metalúrgica pelo menos predominantemente para a geração de eletricidade e reduzir a produção de gás de síntese. Com estes antecedentes, a invenção é baseada no objeto de proporcionar um método para a produção de gás de síntese em uma operação combinada com uma instalação metalúrgica através do qual é possível utilizar os gases brutos que ocorrem em quantidades variáveis e composição variável em uma instalação metalúrgica tão completamente quanto possível em processos eficazes sob o ponto de vista de custos.

[007] O objeto da invenção e a solução para alcançar este objeto é um método de acordo com a reivindicação 1. Refinamentos vantajosos do método de acordo com a invenção encontram-se descritos nas reivindicações 2 a 11.

[008] De acordo com a invenção, mistura-se parte do gás de topo do alto- forno que é produzido na produção de gusa e/ou parte do gás conversor que ocorre na instalação de conversão de aço e/ou parte do gás do forno a coque que é produzido na instalação de forno a coque. Selecionando as correntes de gás que são misturadas para formar um gás misto e/ou alterando as proporções de mistura das correntes de gás que são misturadas, são produzidas duas ou mais correntes de gás útil, que são diferentes no que diz respeito à sua composição e preparadas, respectivamente, para formar correntes de gás de síntese.

[009] A preparação das correntes de gás útil compreende, em particular, uma operação de limpeza de gás e uma operação de condicionamento de gás. Para o condicionamento do gás é possível utilizar, por exemplo, uma operação de reformação de vapor com vapor de água, uma oxidação parcial com ar ou com oxigênio e uma reação de conversão de gás em água para a conversão de uma fracção de CO. Os passos de condicionamento podem ser utilizados individualmente ou então em combinação.

[010] As correntes de gás de síntese produzidas pelo método de acordo com a invenção são misturas de gás que são utilizadas para síntese. O termo “gás de síntese” abrange, por exemplo, misturas de N2 e H2 para a síntese de amônia e, em particular, misturas de gás que contêm principalmente CO e H2 ou CO2 e H2 ou CO, CO2 e H2. A partir dos gases de síntese, podem ser produzidos produtos químicos que contenham respectivamente os componentes do reagente em uma instalação química. Os produtos químicos podem ser, por exemplo, amônia ou metanol ou então outros compostos hidrocarboneto.

[011] Para a produção de amônia, deverá ser proporcionado um gás de síntese que contenha azoto e hidrogênio na proporção correta. O azoto pode ser obtido a partir do gás de topo do alto-forno. O gás de topo do alto-forno ou o gás conversor podem ser utilizados, em particular, como fonte de hidrogênio, sendo o hidrogênio produzido por conversão da fracção de CO através de uma reação de conversão de gás em água (CO + H2O CO2 + H2). Também é possível utilizar uma mistura de gás do forno a coque e gás do topo do alto- forno ou um gás misto que compreende gás do forno a coque, gás conversor e gás do topo do alto-forno para a produção de um gás de síntese para a síntese de amônia. Para a produção de compostos hidrocarboneto, por exemplo, metanol, é necessário proporcionar um gás de síntese constituído substancialmente por CO e/ou CO2 e H2 que contenha os componentes monóxido de carbono e/ou dióxido de carbono e hidrogênio na proporção correta. A proporções é frequentemente descrita pelo módulo (H2 - CO2) / (CO + CO2). O hidrogênio pode ser produzido, por exemplo, por conversão da fracção de CO no gás de topo do alto-forno por meio de uma reação de conversão de gás em água. O gás conversor pode ser utilizado para proporcionar CO. O gás de topo do alto-forno e/ou o gás conversor podem servir como fonte de CO2. Um gás misto que compreende gás do forno a coque e gás conversor ou um gás misto que compreende gás do forno a coque, gás conversor e gás de topo do alto-forno também é adequado para a produção de compostos hidrocarboneto.

[012] No âmbito da invenção, é possível utilizar uma instalação biotecnológica em vez de uma instalação química para a produção de produtos químicos a partir de gás de síntese. A instalação referida é uma instalação para a fermentação de gás de síntese. Neste caso, o gás de síntese deverá ser entendido como incluindo misturas de CO e H2 com os quais é possível produzir álcoois, acetona ou ácidos orgânicos. No entanto, quando é utilizado um processo bioquímico, o hidrogênio provém substancialmente da água que é utilizada como meio na fermentação. De preferência, é utilizado gás conversor como fonte para o CO. A utilização de gás de topo do alto-forno ou de um gás misto que compreende gás conversor e gás de topo do alto-forno é igualmente possível. Pelo contrário, a utilização de gás do forno a coque é desfavorável para um processo biotecnológico. Em consequência, os produtos que contêm carbono proveniente da fracção de CO dos gases brutos que ocorrem em uma instalação metalúrgica e hidrogênio proveniente de água utilizada no processo de fermentação podem ser produzidos por meio de um processo biotecnológico.

[013] Com o método de acordo com a invenção, os gases brutos que ocorrem em uma planta metalúrgica na produção de gusa, na produção de aço bruto e na produção de coque podem ser utilizados para produzir, em simultâneo, correntes de gás de síntese, que são utilizadas em instalações químicas e em instalações biotecnológicas em funcionamento paralelo com estas para a produção de produtos químicos. A instalação química e a instalação biotecnológica são montadas em paralelo e podem funcionar em simultâneo ou então de um modo alternado. Tal faz com que seja possível que a instalação metalúrgica apresente um funcionamento de um modo eficaz em termos de custo, em particular, mesmo quando as quantidades de gás que podem ser utilizadas para a produção de gás de síntese estejam sujeitas a flutuações diárias.

[014] Um refinamento vantajoso do método de acordo com a invenção proporciona que uma primeira corrente de gás útil, que contém H2, seja formada e, por condicionamento de gás, seja transformada em um primeiro gás de síntese, que contém, por exemplo, CO e H2 ou N2 e H2, como constituintes principais, e que uma segunda corrente de gás útil, que esteja substancialmente isenta de H2 e que contém CO como constituinte principal, seja produzida. A segunda corrente de gás útil pode ser constituída, em particular, por gás conversor ou por gás de topo do alto-forno ou um gás misto formado a partir de gás conversor e gás de topo do alto-forno.

[015] Uma outra variante de uma forma de realização do método de acordo com a invenção proporciona que uma primeira corrente de gás útil seja formada por mistura de pelo menos duas correntes gasosas que ocorrem como gás de topo do alto-forno, gás conversor ou gás do forno a coque, e que uma segunda corrente de gás útil seja constituída apenas de gás de topo do alto- forno, gás conversor ou gás do forno a coque.

[016] O gás do forno a coque e/ou o gás de topo do alto-forno está, expedientemente, já limpo antes de ser utilizado como gás útil, em que a limpeza tem o efeito de remover, inter alia, negro-de-carvão, hidrocarbonetos de elevado ponto de ebulição, hidrocarbonetos aromáticos (BTX), enxofre e compostos de enxofre. Neste caso, as correntes de gás útil são limpas expedientemente antes de uma operação de condicionamento de gás.

[017] Um outro refinamento do método de acordo com a invenção proporciona que o teor em hidrogênio de pelo menos uma corrente de gás útil seja fixado por separação de hidrogênio, por exemplo, por meio de uma instalação de adsorção de modelação de pressão, ou por enriquecimento com hidrogênio. O hidrogênio necessário para o enriquecimento pode ser produzido na instalação metalúrgica, por exemplo, por eletrólise de água. Além do mais, o teor em hidrogênio de pelo menos uma corrente de gás útil pode ser fixado por conversão de CO em uma reação de conversão de gás em água ou por reformação de CH4.

[018] A invenção é a seguir explicado com base na figura, a qual representa meramente uma variante exemplificativa.

[019] O complexo da instalação representado na figura compreende uma instalação metalúrgica 1, a qual compreende pelo menos um alto-forno 2 para a produção de gusa, uma instalação de conversão de aço 3 e uma instalação de forno a coque 4.

[020] A gusa é obtida no alto-forno 2 substancialmente a partir de minério de ferro e de agentes redutores, em particular, coque e carvão, gás, biomassas e plásticos reciclados ou outros compostos que contenham carbono e/ou hidrogênio. Uma reação de redução provoca a produção de um gás 6 de topo do alto-forno, que contém como constituintes principais, azoto, CO, CO2 e uma pequena proporção de H2. Na instalação de conversão de aço 3, que está colocada a jusante do processo de alto-forno, a gusa é convertida em aço. Por sopragem de oxigênio na gusa líquida, são removidas impurezas problemáticas, em particular, carbono, silício e fósforo. No topo do conversor, é removido um gás 8 do conversor que possui uma proporção elevada de CO. A instalação metalúrgica 1 também compreende uma planta de forno a coque 4. No cozimento de carvão em coque, ocorre um gás 8 do forno a coque, o qual contém uma proporção elevada de hidrogênio e de CH4.

[021] De acordo com um balanço global representado na figura, o carbono 9 é alimentado ao complexo da instalação como agente redutor sob a forma de carvão e coque e também minério de ferro 10. Como produtos ocorrem aço impuro 11 e gases brutos 6, 7 e 8, que são diferentes em termos de quantidade, composição e pureza e são utilizados novamente em vários locais no complexo da instalação. Em uma consideração global, 40% a 50%, normalmente cerca de 45%, dos gases brutos 6, 7 e 8 são transportados novamente para a instalação metalúrgica 1 para a produção de gusa ou para a produção de aço bruto. Entre 50% e 60%, normalmente cerca de 55%, dos gases brutos 6, 7 e 8 podem ser utilizados para a produção de gás de síntese.

[022] De acordo com o diagrama da instalação representado na figura, mistura-se parte do gás 6 de topo do alto-forno que é produzido durante a produção de gusa e/ou parte do gás 7 conversor que ocorre na instalação de conversão de aço 3 e/ou parte do gás 8 do forno a coque que é produzido na instalação do forno a coque 4, selecionando as correntes de gás que são misturadas para formar um gás misto e/ou alterando as proporções de mistura das correntes de gás que são misturadas, são produzidas pelo menos duas correntes de gás útil 13, 14, que são diferentes no que diz respeito à sua composição e preparadas, respectivamente, para formar correntes de gás de síntese.

[023] De acordo com uma variante exemplificativa, uma primeira corrente de gás útil 13, que contém H2, é formada e, por meio de condicionamento de gás, é transformada em um primeiro gás de síntese 13', que contém, por exemplo, CO e H2 ou N2 e H2, como constituintes principais. Em uma instalação química 15, o gás de síntese 13’ é utilizado para a síntese de produtos químicos, por exemplo, amônia, metanol ou outros compostos hidrocarboneto. Além disso, uma segunda corrente de gás útil 14, que está substancialmente livre de H2 e que contém CO como constituinte principal, é produzida. A segunda corrente de gás útil 14 é constituída por gás 7, conversor ou gás 6 de topo do alto-forno ou por um gás misto formado a partir de gás 7, conversor e de gás 6 de topo do alto-forno. Em uma instalação biotecnológica 16, são produzidos produtos que contêm carbono a partir da fracção de CO dos gases mencionados e de hidrogênio. Neste caso, o hidrogênio é proveniente substancialmente da água que é utilizada como meio na fermentação. A instalação química 15 e a instalação biotecnológica 16 podem funcionar em paralelo ou então de um modo alternado. Na variante exemplificativa, estão colocadas em paralelo com uma instalação geradora de energia 17, que é concebida sob a forma de uma instalação geradora de energia por turbina a gás ou de uma instalação geradora de energia por turbina a gás e turbina a vapor e é operada com um gás 9 do forno a coque 8, gás 6 de topo do alto- forno ou um gás misto constituído por estes componentes de gás. A eletricidade obtida externamente e a eletricidade obtida pela instalação geradora de energia, que é produzida pela instalação geradora de energia 17 do complexo da instalação, são utilizadas para cobrir a necessidade de eletricidade do complexo da instalação. Para se alcançar um funcionamento do complexo de instalação que seja tão eficaz em termos de custo quando possível, em momentos de baixo custo de eletricidade a eletricidade é comprada e o funcionamento da instalação geradora de energia 17 é reduzido. De um modo correspondente, é possível utilizar uma corrente maior de gás bruto para a produção de gás de síntese. Caso a eletricidade externa, por exemplo, fontes de energia renováveis, não estejam disponíveis em uma quantidade suficiente e a preços aceitáveis, a produção de gás de síntese é reduzida e os gases brutos 6, 7, 8 são utilizados mais na instalação geradora de energia 17 para a geração de eletricidade.

Claims

1. Método para a produção de gás de síntese numa operação combinada com uma instalação metalúrgicas (1), caracterizado porcompreender pelo menos um alto-forno (2) para a produção de gusa, uma instalação de conversão de aço (3) e uma instalação com forno a coque (4), em que uma parte do gás (6) do topo do alto-forno que é produzido na produção de gusa e/ou uma parte do gás (7) conversor que ocorre na instalação de conversão de aço (3) e/ou uma parte do gás (8) do forno a coque que é produzido na instalação de forno a coque (4) são misturados, em que seleccionando as correntes de gás que são misturadas para formar um gás misto e/ou alterando as proporções de mistura das correntes de gás que são misturadas, possuem o efeito de se produzir pelo menos duas correntes de gás útil (13, 14), que são diferentes no que diz respeito à sua composição e preparadas, respectivamente, para formar correntes de gás de síntese, em que uma primeira corrente de gás útil (13) é formada por mistura de pelo menos duas correntes de gás que ocorrem como gás (6) do topo do alto- forno, gás conversor (7) ou gás (8) do forno a coque e em que uma segunda corrente de gás útil (14) é constituída apenas por gás (6) do topo do alto-forno, gás conversor (7) ou gás (8) do forno a coque, e em que uma primeira corrente de gás útil (13), que contém H2, é formada e, através de condicionamento de gás, é transformada num primeiro gás de síntese (13'), que contém, por exemplo, CO e H2 ou N2 e H2, como constituintes principais, e em que é produzida uma segunda corrente de gás útil (14), que está substancialmente livre de H2 e que contém CO como constituinte principal e onde as correntes de gás útil (13, 14) serem preparadas de modo a formar correntes de gás de síntese, as quais são diferentes no que diz respeito à sua composição e são utilizadas para a produção de produtos químicos diferentes.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pora preparação das correntes de gás útil (13, 14) compreender uma operação de limpeza de gás e uma operação de condicionamento de gás.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado porser utilizada uma operação de reformação de vapor com vapor de água e/ou uma oxidação parcial com ar ou com oxigénio e/ou uma reação de conversão de gás em água para o condicionamento do gás.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pora segunda corrente de gás útil (14) ser constituída por gás conversor (7) ou gás (6) do topo do alto-forno (6) ou um gás misto formado a partir do gás conversor (7) e do gás (6) do topo do alto-forno.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado poro gás (8) do forno de coque e/ou o gás (6) do topo do alto- forno ser limpo antes de ser utilizado como gás útil, em que a operação de limpeza tem o efeito de remover, inter alia, negro-de-carvão, hidrocarbonetos de elevado ponto de ebulição, hidrocarbonetos aromáticos (BTX), enxofre e compostos de enxofre.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado poras correntes de gás útil (13, 14) serem limpas antes da operação de condicionamento de gás, em que a limpeza tem o efeito de remover, inter alia, negro-de-carvão, hidrocarbonetos de elevado ponto de ebulição, hidrocarbonetos aromáticos, enxofre e compostos de enxofre.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado poro teor em hidrogénio de pelo menos uma corrente de gás útil (13, 14) ser fixado por meio de separação de hidrogénio, por exemplo, por meio de uma instalação de adsorção com modulação de pressão ou por enriquecimento com hidrogénio.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado porpelo menos uma das correntes de gás útil (13, 14) ser enriquecida com hidrogénio que é produzido na instalação metalúrgica (1), de preferência, por electrólise de água.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado poro teor em hidrogénio de pelo menos uma corrente de gás útil (13, 14) ser fixado por conversão de CO numa reação de conversão de gás em água.

10. Método de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado poro teor em hidrogénio de pelo menos uma corrente de gás útil (13, 14) ser fixado por reformação de CH4.