BR112016014361B1

BR112016014361B1 - método de funcionamento de uma instalação de alto-forno de reciclagem de gás do bocal

Info

Publication number: BR112016014361B1
Application number: BR112016014361-2A
Authority: BR
Inventors: Michael Grant
Original assignee: L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2021-02-17
Also published as: US10072312B2; ES2694753T3; EP2886666B1; US20170002434A1; WO2015090900A1; JP6513680B2; CA2934121A1; EP2886666A1; BR112016014361A2; CN106103747B; CA2934121C; JP2017503922A; PL2886666T3; CN106103747A

Abstract

MÉTODO DE FUNCIONAMENTO DE UMA INSTALAÇÃO DE ALTO-FORNO DE RECICLAGEM DE GÁS DO BOCAL Método de funcionamento de uma instalação de alto-forno compreendendo um alto-forno de reciclagem de gás do bocal (1) e pedras quentes (20), em que um combustível contendo hidrocarboneto (10) é transformado em uma corrente de gás transformado (15) que consiste principalmente de CO e H2 e substancialmente desprovido de hidrocarboneto, em que um combustível gasoso de baixo valor de aquecimento (27) é gerado compreendendo uma mistura do referido gás transformado (15) com uma porção do gás residual rico em CO2 (8) obtido por descarbonatação do gás de alto-forno (3), e pelo que o referido combustível de baixo valor de aquecimento (27) é usado para aquecer o gás do forno quente (9, 19) aquecido antes de ser injetado no alto-forno (1).

Description

MÉTODO DE FUNCIONAMENTO DE UMA INSTALAÇÃO DE ALTO-FORNO DE RECICLAGEM DE GÁS DO BOCAL

[1] A presente invenção se relaciona com a produção de ferro em um alto-forno de reciclagem de gás de bocal.

[2] A indústria do aço é responsável por uma porcentagem significativa das emissões de CO2 no mundo. Esforços estão em andamento para reduzir significativamente essas emissões e, portanto, a "pegada de carbono" da indústria do aço.

[3] Existem dois caminhos para a produção de aço:

1. através da produção de ferro a partir do minério de ferro em um alto-forno (BF) carregado com minério de ferro e coque e no qual a matéria combustível, como o carvão, também pode ser injetada como combustível e um redutor; após o que o ferro assim produzido é refinado em aço em um forno de oxigênio básico (BOF);
2. através de fusão de sucata ou ferro diretamente reduzido (DRI), em um forno elétrico de arco (EAF).

[4] É universalmente aceite que o método de alto-forno produza significativamente mais CO2 do que o método de forno elétrico em arco: as emissões de CO2 de um trajeto de BF/BOF ascendem a aproximadamente 1,3 vezes mais às do trajeto EAF/DRI e aproximadamente 4,3 vezes mais às do trajeto EAF/sucata.

[5] A fim de reduzir as emissões de CO2 geradas pela produção de ferro em um alto-forno, o alto-forno de reciclagem de gás de bocal (TGRBF) foi desenvolvido. O TGRBF utiliza substancialmente todo o gás de alto-forno (BFG) , depois de substancialmente todo o CO2 ter sido removido do mesmo, para a reinjeção no alto-forno, reduzindo assim as emissões de CO2 e consumo de coque. Em TGRBFs, o oxigênio é utilizado em vez do ar comprimido convencional (não TGRBF) ou ar comprimido enriquecido com oxigênio.

[6] A validade do conceito TGRBF foi demonstrada utilizando um alto-forno de escala piloto. Se demonstrou que aproximadamente 25% das emissões de CO2 podem ser evitados através da reciclagem de gás de alto-forno a partir do qual o CO2 tinha sido removido (BFG descarbonatado). Se o sequestro e armazenamento de CO2 (por exemplo subterrâneo) pudesse ser realizado, então, aproximadamente 50% das emissões de CO2 poderiam ser evitados.

[7] Em altos-fornos convencionais, não TGRBF, a eficiência energética é aumentada pelo aquecimento do ar comprimido (opcionalmente enriquecido com oxigênio) em fogões quentes a montante do BF.

[8] Na maioria das vezes, o BFG é o principal combustível utilizado para aquecer os fogões. O BFG é então muitas vezes enriquecido com uma pequena quantidade de gás de forno de coque (COG) ou gás natural (NG) para aumentar a temperatura da chama suficientemente para atingir a temperatura de cúpula requerida nos fogões.

[9] No caso de TGRBFs, a eficiência energética pode, vantajosamente, ser aumentada por aquecimento de forma semelhante do BFG descarbonatado a montante do BF.

[10] O documento EP-A-2584052 descreve um método particular de funcionamento de uma instalação de alto-forno compreendendo um TGRBF.

[11] De acordo com o referido método conhecido, o gás de bocal do alto-forno é separado em uma corrente enriquecida em CO de gás de processo e uma corrente isenta de CO do gás de processo. De acordo com a modalidade preferida ilustrada do método de acordo com o documento EP-A-2584052, o gás combustível e gás oxidante são alimentados em um queimador e os gases de combustão quentes assim criados são utilizados para aquecer aquecedores regenerativos. O gás combustível é uma mistura do gás residual de baixo poder calorífico e gás de alto poder calorífico, como gás de coqueria. O gás oxidante pode ser ar ou uma mistura de gases de combustão a partir dos aquecedores regenerativos com oxigénio puro.

[12] Após a fase de aquecimento, o gás de processo rico em CO é aquecido nos aquecedores regenerativos aquecidos e alimentado de volta no alto-forno como gás redutor (fase de sopro).

[13] De acordo com uma modalidade do referido método conhecido, é assegurado que nenhum gás oxidante está presente nos aquecedores generativos no início da fase de sopro por, durante a transição entre o aquecimento e a fase de sopro, primeiro parar o fornecimento de oxigênio no queimador enquanto a mistura de gás combustível continua a ser alimentada ao queimador, de modo a consumir qualquer oxigênio residual presente nos aquecedores regenerativos. Quando todo o gás oxidante desaparece do aquecedor regenerativo, o fornecimento de mistura de gás combustível (e de gases de combustão) para o aquecedor regenerativo é interrompido e a fase de sopro do referido aquecedor regenerativo pode começar com segurança.

[14] No entanto, como no caso de TGRBFs o objetivo é o de minimizar o consumo de coque e a produção de CO2 associada por reciclagem do gás de bocal descarbonatado, tanto quanto possível, permanecendo pouco ou nenhum BFG normalmente para aquecer fogões quentes para aquecer o BFG descarbonatado reciclado.

[15] Durante a demonstração de TGRBF em escala piloto, o BFG descarbonatado foi aquecido num aquecedor de Pebble utilizando um combustível gasoso de hidrocarboneto de alto valor de aquecimento, tal como propano ou gás natural.

[16] É um objetivo da presente invenção melhorar a eficiência energética de TGRBFs. Mais particularmente um objetivo da presente invenção é melhorar a eficiência energética de TGRBFs por aquecimento do BFG descarbonatado reciclado utilizando fogões quentes. É ainda um outro objetivo da presente invenção aquecer o BFG descarbonatado reciclado em fogões quentes utilizando um mínimo de combustível que não seja o BFG gerado pelo TGRBF.

[17] A presente invenção relaciona-se com a produção de ferro em uma instalação TGRBF que compreende fornos para aquecer o gás de bocal reciclado e um reator de transformação de gás para a produção de um gás combustível útil para o aquecimento desses fogões.

[18] A presente invenção proporciona, mais especificamente, um método de funcionamento de uma instalação de alto-forno compreendendo um TGRBF que gera BFG, compreendendo os passos seguintes:

a. descarbonatação do BFG gerado, de modo a obter uma corrente de gás residual rico enriquecido com CO2 e uma corrente de BFG descarbonatado não contendo mais do que 3% em volume de CO2,
b. transformação de um combustível gasoso contendo hidrocarbonetos não gerado pelo alto-forno para gerar uma corrente de gás transformado contendo pelo menos 70% em volume de CO e H2 no total (isso é, C CO + Ch2) , de preferência pelo menos 80% em volume e mais preferencialmente pelo menos 90% em volume, e, no máximo, 7% em volume de hidrocarboneto, de preferência, no máximo, 6% em volume,
c. produção de um combustível gasoso com baixo valor de aquecimento que tem um valor de aquecimento de 2,8 a 7,0 MJ/Nm3 e de preferência de 5,5 a 6,0 MJ/Nm3 e que contém (i) uma porção da corrente de gás residual e (ii) pelo menos uma porção da corrente de gás transformado e utilização do referido combustível gasoso de baixo valor de aquecimento para o aquecimento de fogões quentes,
d. aquecimento de, pelo menos, 70% em volume da corrente de BFG descarbonatado em fogões quentes a uma temperatura entre 700 °C e 1300 °C, de preferência entre 850 °C e 1000 °C e mais preferencialmente entre 880 °C e 920 °C, para gerar BFG descarbonatado aquecido e
e. injeção do BFG descarbonatado aquecido no alto-forno.

[19] Num tal processo de TGRBF, antes da descarbonatação do BFG deixar o bocal do alto-forno, pó é de preferência removido do mesmo, deixando um chamado BFG "limpo". O sistema de despoeiramento de TGRBF pode em particular compreender um purificador que remove partículas de pó finas através do contato direto entre a água e o BFG e/ou um precipitador eletrostático que também remove o pó fino.

[20] O BFG, ou depois do despoeiramento, o BFG limpo, entra em um sistema de remoção de CO2 para descarbonatação. O sistema de remoção de CO2 pode ser um VPSA, um PSA, um sistema utilizando um adsorvente que separa fisicamente o CO2 do BFG ou um sistema que utiliza um absorvente químico, tais como aminas para remover o CO2 a partir do BFG. A descarbonatação do BFG (limpo) remove substancialmente todo o CO2 do mesmo para deixar um gás de "produto" ou BFG descarbonatado que consiste principalmente de CO e H2 com quantidades menores de CO2 e N2.

[21] Dentro dos limites do processo de TGRBF, tanto desse produto gasoso quanto possível, é aquecido até pelo menos 700 °C e de preferência até pelo menos 900 °C, antes de ser reciclado de volta para o alto-forno, geralmente nas tubeiras de soleira ou possivelmente tanto nas tubeiras de soleira como por tubeiras de veio ao nível de pilha. O CO reciclado e H2 injetado no alto-forno substituem o carbono a partir de coque normalmente usado para produzir gases de redução para reduzir minério de óxido de ferro em ferro metálico.

[22] O CO2 que é removido do BFG durante a descarbonatação tipicamente compõe aproximadamente 80 - 90% do gás residual que sai da unidade de descarbonatação de gás (contendo pequenas quantidades de CO e H2). Esse gás residual não tem, substancialmente, qualquer valor de aquecimento e, por conseguinte, pode ser utilizado como um gás inerte ou ser adicionalmente tratado para armazenamento subterrâneo.

[23] Em geral, os fogões BF se destinam a ser aquecidos pelo gás de baixo valor de aquecimento que contém principalmente CO e H2 por meio de matéria combustível. Grandes volumes de gás de combustão quente são, por conseguinte, gerados durante a combustão do gás de baixo valor de aquecimento para aquecimento dos fornos. O queimador do fogão é normalmente de configuração simples e robusta e é feito de tijolos cerâmicos, com uma linha vertical central para introduzir o gás de baixo valor de aquecimento e com portas de ar horizontais envolventes.

[24] O gás de baixo valor de aquecimento é tipicamente BFG, pelo que o referido BFG pode ser enriquecido com COG (5,5 - 6,0 MJ/Nm3) para se obter uma temperatura de chama adequada para atingir uma temperatura de cúpula suficiente no fogão quente.

[25] As operações BF onde COG não está disponível, ou onde o COG disponível é objeto de uma utilização diferente, usaram BFG enriquecido com NG (em vez de COG) para atingir o valor de aquecimento adequado. No entanto, a presença de altas concentrações de hidrocarbonetos no "gás misto" (BFG + NG) muitas vezes resulta em fortes vibrações no queimador do fogão e câmara de combustão, devido às características de combustão de hidrocarbonetos gasosos. Essas vibrações podem danificar seriamente o equipamento de fogão. Acredita-se que essas vibrações são, pelo menos em parte, causadas pelo craqueamento dos hidrocarbonetos presentes no combustível. Devido ao teor de hidrocarbonetos inferior do BFG + COG, esse problema é menos pronunciado no caso de tais misturas.

[26] Os fogões BF só podem, portanto, ser aquecidos confiantemente através de gases de baixo valor de aquecimento que contêm pouco ou nenhum hidrocarboneto.

[27] Quando são usados fogões com BFG insuficiente para o aquecimento dos fogões, tais como, por exemplo, no caso de TGRBFs, a fim de aquecer os fogões, o BFG deve ser substituído por um combustível de baixo valor de aquecimento alternativo contendo pouco ou nenhum hidrocarboneto.

[28] No caso de TGRBFs, pode-se, por exemplo, considerar a mistura do gás residual enriquecido com CO2 (valor de aquecimento ~ 1,0 MJ/kg) com o gás natural ou o COG para produzir um gás de baixo valor de aquecimento com um valor de aquecimento de 5,5 - 6,0 MJ/Nm3 para os fogões. No entanto, nesse caso, a quantidade de gás natural ou COG necessário para enriquecer o gás residual seria tão elevada que criaria problemas significativos de vibração quando a mistura é queimada em uma câmara de combustão de forno convencional, a fim de que essa opção não possa ser retida.

[29] Isso é ilustrado nas Tabelas 1 a 4 abaixo, com respeito a instalações de fornos comprimidos equipados com fogões que requerem um valor de aquecimento a gás de 5, 9 MJ/Nm3.

[30] A Tabela 1 apresenta uma composição típica e valor de aquecimento de um BFG gerado por um alto-forno (não TGRBF) convencional e uma composição típica e valor de aquecimento de COG, bem como a composição da mistura (gás misto) de BFG e COG correspondente ao valor de aquecimento acima mencionado.

[31] A última linha na Tabela 1 indica o volume de gás misto que seria necessário para fornecer energia suficiente para permitir que o referido forno quente aquecesse um fluxo de BFG descarbonatado reciclado a 900 °C no caso de um TGRBF, bem como os volumes correspondentes do BFG e COG contidos no referido gás misto.

[32] No caso de um gás misto com um valor de aquecimento de 5, 9 MJ/Nm3 e que consiste de BFG e COG, o gás misto conteria 5,5% em volume de hidrocarbonetos.

[33] A Tabela 2 descreve a situação em que o BFG é enriquecido com NG (em vez de COG), todos os outros factores sendo iguais. Nesse caso, a concentração de hidrocarbonetos no gás misto aumenta em 40%. Além disso, a concentração de hidrogênio no gás misto diminui em 75%. Um tal gás misto não é adequado para o aquecimento de fogões quentes devido às vibrações geradas durante sua combustão.

[34] Em um alto-forno TGRBF, existe BFG insuficiente para utilização em fogões de modo que um combustível alternativo de baixo valor de aquecimento teria que ser encontrado ou criado se fogões quentes tivessem de ser usados.

[35] As Tabelas 3 e 4 mostram o caso hipotético em que um gás com um baixo valor calorífico é gerado usando gás residual e, respectivamente, COG e gás natural, sendo todos os outros factores tal como descrito em relação à Tabela 1.

[36] Uma vez mais, sao observados níveis significativamente mais elevados de hidrocarbonetos e níveis significativamente mais baixos de H2 no gás misto, em comparaçao com o gás misto constituído por BOF e COG como ilustrado na Tabela 1, que novamente torna os gases mistos inadequados para aquecimento de fornos quentes.

[37] A presente invenção, portanto, fornece claramente um método muito necessário para criar um combustível gasoso complementar de baixo valor de aquecimento para uso em aquecimento de fogões de alto-forno, quando não estiver disponível BFG suficiente, como é o caso em TGRBFs.

[38] A presente invenção fornece uma maneira de continuar a usar os (tipos de) fogões existentes conhecidos de BFs convencionais para aquecer o BFG reciclado descarbonatado de um TGRBF. Isso é alcançado através da concepção de um sistema completamente novo para aquecer o BFG descarbonatado reciclado.

[39] De acordo com uma modalidade da invenção, o combustível gasoso contendo hidrocarbonetos contém gás natural e/ou gás de forno de coque. Tipicamente, o combustível gasoso contendo hidrocarbonetos é composto por gás natural ou gás de forno de coque, ou uma mistura dos mesmos.

[40] Um método para transformar o combustível gasoso contendo hidrocarbonetos é a combustão parcial dos mesmos. Um outro método para transformar o combustível contendo hidrocarbonetos é a utilização de um processo de reformação do combustível. Esses métodos também podem ser utilizados em combinação.

[41] É, como tal, conhecida na técnica a utilização de um processo de reformação para melhorar o BFG.

[42] A Patente US 3,884,677 ensina a utilização de hidrocarbonetos, de preferência óleo, para "regenerar" gás de alto-forno por reação de CO2 no BFG com o hidrocarboneto de tal modo que muito pouco CO2 permaneça no gás de produto que é reciclado de volta para o alto-forno. O processo de remoção de CO2 é realizado através do processo de conversão e não utiliza um (V)PSA ou absorvente químico para reduzir o teor de CO2 do gás de reciclagem. A maior desvantagem deste processo é que cerca de V2 do gás de alto-forno é necessária como combustível para a realização das reações. Isso deixa menos BFG para reciclagem e, por conseguinte, limita a quantidade de coque que pode ser substituído. No entanto, apesar de cerca de V2 do BFG ser "regenerada", o total de gás que deve ser tratado é substancial - na ordem de 800 - 1000 Nm3 de BFG/thm. Isso requer um investimento substancial de capital para construir um reator que possa tratar enormes quantidades de gás.

[43] O pedido de Patente nos Estados Unidos n° 2011/0209576 A1 ensina o uso de hidrocarbonetos sólidos que são primeiramente desvolatizados por flash para fazer um gás de síntese que é utilizado para tratar o gás de bocal recuperado através de um processo de reformação. O objetivo dessa invenção é o de eliminar a necessidade de um sistema de remoção de CO2, tal como um (V)PSA ou uma unidade de absorção química convertendo o CO2 no BFG em CO por reformação com gás de síntese criado na unidade de desvolatização flash. A presente invenção terá o mesmo problema que a do documento US 3,884,677 na medida em que uma grande quantidade de BFG terá de ser convertida que requer um investimento de capital considerável, embora se indique no pedido nos Estados Unidos n° 2011/0209576 A1 que o investimento de capital necessário seja inferior ao de um (V)PSA.

[44] No contexto da presente invenção, um método possível de reformar o combustível contendo hidrocarbonetos é a reformação a vapor. Um método preferido para reformar o combustível que contém hidrocarbonetos utiliza o CO2 como agente de reformação. Isso é conhecido na técnica como reformação a seco. De acordo com a invenção, a reformação a seco (usando CO2) pode ser utilizada de uma maneira conhecida para reformar o combustível gasoso contendo hidrocarbonetos, tais como COG, NG ou qualquer outro combustível de hidrocarbonetos não gerado no alto-forno de compressão. Nesse caso, o processo de reformação utiliza de preferência gás residual, que é rico em CO2 (tipicamente 80 - 90% vol) para tratar o combustível que contém hidrocarbonetos para criar um gás rico em CO e H2 que pode ser facilmente queimado em fogões depois de o referido gás ter sido diluído com gás residual para reduzir o valor de aquecimento para um que seja compatível com a combustão do fogão. É também possível, de acordo com a invenção, utilizar vapor e CO2, de um modo preferido sob a forma de gás residual, como agentes de reformação para produzir a corrente de gás transformado.

[45] O combustível gasoso de baixo valor de aquecimento pode ser constituído por uma mistura de todos ou, pelo menos, uma porção da corrente de gás transformado e uma porção da corrente de gás residual, pelo que o gás residual dilui o gás transformado, diminuindo assim o valor de aquecimento ao nível necessário para o funcionamento seguro dos fogões quentes.

[46] De acordo com uma modalidade preferida, pelo menos uma porção da corrente de gás transformado é misturada com o BFG descarbonatado, de modo a obter uma corrente de BFG descarbonatado fortificado a montante dos fogões quentes. A fortificação do BFG descarbonatado melhora o processo de alto-forno, aumentando o teor de hidrogênio do gás de produto para proporcionar um processo de redução suave, visto que o hidrogênio é conhecido por ajudar a estabilizar um alto-forno.

[47] Nesse caso, o combustível gasoso de baixo valor de aquecimento pode conter ou consistir de uma primeira porção da corrente de BFG descarbonatado fortificado. Quando a combustão parcial do combustível gasoso contendo hidrocarbonetos em um reator de combustão parcial é utilizada para gerar a corrente de gás transformado, uma segunda porção da corrente de BFG descarbonatado fortificado pode ser usada para aquecer o reator de combustão parcial, caso em que a referida segunda porção é de preferência queimada com o ar. Quando um processo de reformação do combustível é conduzido em um reformador para gerar a corrente de gás transformado, uma terceira porção da corrente de BFG descarbonatado fortificado pode ser usada para aquecer o reformador, por exemplo mediante a combustão da referida terceira porção com o ar. No presente contexto, a referência a uma primeira, segunda e terceira porção da corrente de BFG descarbonatado fortificado serve meramente para distinguir entre as diferentes utilizações das referidas porções. Uma referência à "segunda porção" não exige necessariamente que uma "primeira porção" seja também usada no processo, nem uma referência à "terceira porção" exige necessariamente que uma "primeira porção" e/ou uma "segunda porção" sejam também utilizadas. É, no entanto, perfeitamente possível, em conformidade com a invenção, usar qualquer combinação das referidas "primeira porção", "segunda porção" e "terceira porção".

[48] A invenção torna assim possível utilizar o gás residual retirado do gás de alto-forno, por exemplo produzido por um (V)PSA e constituído por 85 a 90% vol de CO2, para reformar o combustível gasoso contendo hidrocarbonetos, tais como gás de fornos de coque e/ou gás natural, para fortificar o BFG reciclado descarbonatado antes de sua injeção no alto-forno. Essa modalidade da invenção proporciona suficiente BFG descarbonatado extra para fornecer um gás de elevado valor de aquecimento (que não contém quase nenhum ou substancialmente nenhum hidrocarboneto), que pode então ser remisturado com o restante gás residual produzindo um combustível de baixo valor de aquecimento para aquecer os fogões. Ao mesmo tempo, a proporção de hidrogênio no BFG descarbonatado reciclado é aumentada permitindo mais redução do consumo de coque, também reduzindo assim as emissões totais de CO2.

[49] De um modo vantajoso, menos de 100% em volume da corrente de BFG descarbonatado são reciclados e injetados no alto-forno. De um modo preferido, 80 a 90% em volume da corrente de BFG descarbonatado são aquecidos nos fogões quentes e injetados no alto-forno.

[50] O sucesso do TGRBF depende da capacidade de reciclar o máximo do BFG descarbonatado quanto possível. No entanto, a reciclagem do BFG pode criar novos problemas no processo de alto-forno, como o acúmulo de nitrogênio. O nitrogênio tem muitos usos no alto-forno, tais como (i) transmitir o carvão pulverizado para as tubeiras, (ii) purgas de instrumentação, (iii) pressurização dos materiais de carga de tremonhas de bloqueio, etc, e, tal como ilustrado nas Tabelas 1 a 4, o BFG contém alguma quantidade de nitrogênio, mesmo no caso de TGRBFs que são operados com oxigênio em vez de ar ou ar enriquecido com oxigênio como é o caso de BFs convencionais. A maioria do nitrogênio no BFG passa para fora do bocal do forno, através do sistema de limpeza de gás (se estiver presente) e através do sistema de remoção de CO2 de modo que é reciclado de volta para o alto-forno com o BFG descarbonatado. Devido à reciclagem do BFG descarbonatado, o nitrogênio se acumula no circuito de gás do TGRBF diluindo assim os gases redutores e potencialmente resultando em perda de produtividade ou exigindo aumentos na taxa de combustível do alto-forno para manter a produtividade. Purgar parte do BFG descarbonatado, isso é, não reciclar a referida parte do BFG descarbonatado para o alto-forno torna possível evitar tal acumulaçao de nitrogênio no BFG.

[51] É uma vantagem específica da presente invençao, e em particular da modalidade em que a totalidade ou, pelo menos, uma porçao da corrente de gás transformado é misturada com o BFG descarbonatado, de modo a fortificar o BFG descarbonatado, que o processo da invenção proporciona suficiente gás de bocal e, portanto, também BFG descarbonatado, tanto para reciclar BFG descarbonatado no alto-forno, como para aquecer os fogões.

[52] O BFG descarbonatado aquecido pode ser injetado no alto-forno através de tubeiras de soleira, e opcionalmente também através de tubeiras de veio.

[53] Como mencionado acima, um VPSA, um PSA ou uma unidade de absorção química podem ser usados para descarbonatar o BFG.

[54] Para aquecer os fogões quentes, o combustível gasoso de baixo valor de aquecimento pode ser queimado com qualquer oxidante de combustão adequado, tipicamente com ar.

[55] A presente invenção tira vantagem do uso de tecnologias de remoção de CO2 disponíveis. Uma quantidade relativamente pequena de gás é transformada, ou seja, o combustível gasoso contendo hidrocarbonetos, a fim de produzir um gás rico em CO e H2 que tanto pode ser usado diretamente nos fogões após diluição com gás residual adicional e/ou que pode ser misturado com o BFG descarbonatado proveniente da unidade de remoção de CO2 para enriquecer o gás de reciclagem com H2 e, assim, aumentar a facilidade de redução no alto-forno.

[56] Quando o gás rico em CO e H2 é misturado com o BFG descarbonatado proveniente da unidade de remoção de CO2, é criado um BFG descarbonatado mais rico com maior valor de aquecimento a partir do qual parte pode ser utilizada para aquecer os fogões após diluição com alguma parte do gás residual restante. O BFG descarbonatado reciclado restante que é injetado no alto-forno é suficiente para atingir pelo menos a mesma redução da taxa de coque que o TGRBF que simplesmente recicla todo o seu BFG descarbonatado. O objetivo é fornecer gás rico em CO + H2 suficiente para aquecer os fogões, mantendo a grande redução da taxa de coque original, que é antecipada por reciclagem substancial de todo o gás de produto.

[57] A presente invenção e suas vantagens serão melhor entendidas à luz dos exemplos a seguir descritos com referência às figuras 1 e 2, que são representações esquemáticas de duas modalidades do processo de acordo com a invenção.

[58] A Figura 1 descreve uma modalidade preferida da invenção. Um alto-forno 1 é carregado a partir do topo com coque e minério de ferro 2, que descem no alto-forno 1. Oxigênio substancialmente puro 22, carvão pulverizado (ou outra substância combustível orgânica) 23 juntamente com gás de alto-forno descarbonatado reciclado (também conhecido como gás de produto) 21 são injetados nas tubeiras de soleira 1b. Opcionalmente, uma porção de gás de produto reciclado 29 é injetada na tubeira de veio 1c para combinar dentro do alto-forno, com os gases produzidos nas tubeiras de soleira para produzir um gás redutor 1d que sobe no interior do alto-forno 1, contatando com o minério de ferro e coque 2 e reduzindo os óxidos de ferro, contidos no minério, em ferro metálico. Esse ferro metálico continua sua descida para o fundo do alto-forno 1 onde é removido (batido) 1a, juntamente com uma escória contendo impurezas de óxido. O gás de alto-forno (BFG) 3 sai do alto-forno 1 e viaja para uma unidade de remoção de pó inicial 4 onde grandes partículas de pó são removidas. Continua para um segundo sistema de remoção de pó 5 que remove as partículas de pó fino para produzir um "gás limpo" 6. O gás limpo 6 é opcionalmente desidratado antes de entrar no sistema de remoção de CO2 7. O sistema de remoção de CO2 7 pode ser um sistema de adsorção de oscilação de pressão em vácuo (VPSA), um sistema de adsorção com oscilação de pressão (PSA) ou um sistema de absorção química tal como um sistema de absorção à base de aminas ou qualquer outro tipo de sistema que remova o CO2 a partir do BFG (limpo). Substancialmente, todo o CO2 é removido em 7 com a exceção daquele que não é prático de remover (<10% vol).

[59] A corrente gasosa limpa 6 é dividida em duas correntes durante a separação de CO2: um gás residual enriquecido com CO2 8 e um gás de produto pobre em CO2 ou BFG descarbonatado 9. O gás residual rico em CO2 8 é misturado com o gás combustível suplementar 10 e, se necessário, vapor 10a para proporcionar uma composição de gás 11 que pode ser reformada ou parcialmente queimada para criar a mistura contendo CO + H2 desejada (baixa em hidrocarbonetos) adequada (a) para uso no combustível de baixo valor de aquecimento para aquecimento dos fornos e (b) para ser misturada com o BFG descarbonatado 9 para reciclagem no alto-forno (ver abaixo). A quantidade de gás residual rico em CO2, que é utilizada no processo de combustão parcial ou reformação, dependerá do processo utilizado, o processo de tratamento da mistura (reformação e/ou oxidação parcial) e a pressão no reator 14. A quantidade de gás residual 8 usada no reator 14, e no combustível de baixo valor de aquecimento (ver abaixo) será regulada utilizando válvulas 8b e 25a, que também determinam a quantidade de gás residual 8a que sai do sistema (purga).

[60] A corrente de gás de produto pobre em CO2 (BFG descarbonatado) 9 sai do sistema de remoção de CO2 7 a uma pressão elevada (tipicamente 4-8 bar) e é enriquecida com gás sintético (gás transformado) criado a partir da reformação e/ou oxidação parcial do NG ou COG 18, o referido gás sintético ou transformado consistindo principalmente de CO e H2 proveniente do reator 14. O COG ou NG 10 mais (opcionalmente) vapor 10a e gás residual rico em CO2 8 irá normalmente precisar de ser pressurizado para melhorar a cinética da reformação e/ou processo de oxidação parcial, tendo lugar em 14. A pressurização dos referidos gases será feita no compressor 12 para fazer uma mistura pressurizada de gases 13, que são reformados e/ou parcialmente queimados no reator 14. Após a conversão de gases 13 para uma mistura rica em CO e H2 (corrente 15), os gases 15 podem precisar de ser despressurizados a uma pressão adequada para injeção no alto-forno. Isto seria realizado usando um expansor de gás 17. Dependendo da queda de pressão entre a entrada e a saída do expansor, a energia do expansor 17 poderia ser usada para gerar eletricidade.

[61] A corrente de gás fortificado 19 é criada a partir da mistura da corrente 9 com a corrente 18. Uma porção 26 da corrente 19 é desviada para fazer um "gás misto" 27 que vai ser utilizado como um combustível de baixo valor de aquecimento para aquecimento dos fogões. Essa porção 26 da corrente 19 usada no gás misto 27 é regulada usando a válvula 26a. O gás misto 27 tem um valor de aquecimento apropriado para aquecer fogões 20. O gás misto 27 é criado usando uma porção 25 de gás residual rico em CO2 cujo caudal será regulado pela válvula 25a para ser misturado com uma porção 26 da corrente 19. O valor de aquecimento do gás misto 27 é tipicamente baixo (5,5-6,0 MJ/Nm3) e o gás misto tem (a) um baixo teor de hidrocarbonetos para evitar a vibração na câmara de combustão do fogão e (b) um teor elevado de CO e H2 para facilitar uma combustão suave. Outra porção da corrente 19 (corrente 16) é usada como combustível para aquecer o reator 14. A taxa de fluxo da corrente 16 será regulada usando a válvula 26b. A corrente de ar 28 é utilizada como um oxidante para realizar a combustão da corrente 27 para aquecer os fogões e a corrente de ar 24 é utilizada como um oxidante para realizar a combustão da corrente 16 para aquecer o reator 14.

[62] A corrente de gás fortificado 19 é aquecida em fogões 20 para criar correntes de gases 21 e 29 tendo uma temperatura superior a 700 °C e tão alta quanto 1300 °C. No entanto, a temperatura preferida da corrente 21 é entre 850 °C e 1000 °C e mais preferivelmente entre 880° -920 °C, a fim de evitar uma possível redução do óxido refractário que reveste o ducto para o alto-forno. A corrente de gás 29 pode ou não ser utilizada, dependendo da configuração do TGRBF particular. A distribuição das taxas de fluxo entre as correntes 21 e 29 são regidas pela válvula 30.

[63] A Figura 2 descreve uma segunda modalidade onde um alto-forno 1 é carregado a partir do topo com coque e minério de ferro 2, que descem no alto-forno. Oxigênio substancialmente puro 22, carvão pulverizado (ou outro combustível orgânico) 23 juntamente com gás de alto-forno descarbonatado reciclado (gás de produto) 21 são injetados nas tubeiras de soleira 1b. Opcionalmente, uma porção de gás de produto reciclado 29 é injetada na tubeira de veio 1c para combinar dentro do alto-forno, com os gases produzidos nas tubeiras de soleira para produzir um gás redutor 1d que sobe no interior do alto-forno 1, contatando com o minério de ferro e coque 2 e reduzindo os óxidos de ferro, contidos no minério, em ferro metálico. Esse ferro metálico continua sua descida para o fundo do alto-forno onde é removido (batido) 1a, juntamente com uma escória contendo impurezas de óxido. O gás de alto-forno (BFG) 3 sai do alto-forno 1 e viaja para uma unidade de remoção de pó inicial 4 onde grandes partículas de pó são removidas. Continua para um segundo sistema de remoção de pó 5 que remove as partículas de pó fino para produzir um "gás limpo" 6. O gás limpo 6 é opcionalmente desidratado antes de entrar no sistema de remoção de CO2 7. O sistema de remoção de CO2 7 pode ser um sistema de adsorção de oscilação de pressão em vácuo (VSPA), um sistema de adsorção com oscilação de pressão (PSA) e um sistema de absorção química tal como aminas ou qualquer outro tipo de sistema que remova o CO2 a partir do "gás limpo". Substancialmente, todo o CO2 é removido em 7 com a exceção daquele que não é prático de remover (<10%).

[64] A corrente gasosa limpa 6 é dividida em duas correntes durante a separação de CO2: um gás residual rico em CO2 8 e um gás de produto pobre em CO2 (BFG descarbonatado) 9. O gás residual rico em CO2 8 é misturado com o combustível suplementar 10 e, se necessário, vapor 10a para proporcionar uma composição de gás 11 que pode ser reformada ou parcialmente queimada para criar a mistura de CO + H2 desejada (baixa em hidrocarbonetos) para uso no combustível de baixo valor de aquecimento para aquecimento dos fornos. A quantidade de gás residual rico em CO2, que é utilizada no processo de combustão parcial ou de reformação, depende do processo utilizado, do processo de tratamento da mistura (reformação ou oxidação parcial) e da pressão no reator 14. A quantidade de gás residual 8 usada para tal é regulada utilizando válvulas 8b e 25a, que também determinam a quantidade de gás residual 8a que sai do sistema.

[65] A corrente de gás de produto pobre em CO2 9 sai do sistema de remoção de CO2 7 a uma pressão elevada (tipicamente 4-8 bar) e é dividida em uma porção 19 que é reciclada no alto-forno e outra porção 16 que é usada no reator 14. O COG ou NG 10 mais vapor 10a e gás residual rico em CO2 8 precisam normalmente de ser pressurizados para melhorar a cinética da reformação ou processo de oxidação parcial, tendo lugar no reator 14. A pressurização dos referidos gases é feita no compressor 12 para fazer uma mistura pressurizada de gases 13, que é reformada e/ou parcialmente queimada no reator 14. Após a conversão de gases 13 para uma mistura rica em CO e H2 (corrente 15), a corrente de gás 15 pode precisar de ser despressurizada a uma pressão adequada para injeção no alto-forno. Isso é realizado usando um expansor de gás 17. Dependendo da queda de pressão entre a entrada e a saída do expansor 17, a energia do expansor poderá ser usada para gerar eletricidade. Depois de a corrente rica em CO e H2 15 ser expandida em 17 para se tornar na corrente 18, que agora é adequadamente rica em CO e H2 e suficientemente pobre em hidrocarbonetos, ela se mistura com a corrente rica em CO2 25, a fim de ter um valor de aquecimento baixo o suficiente (5,5 - 6,0 MJ/Nm3) (corrente 27) para ser utilizado nos fogões. A corrente de ar 28 é utilizada como um oxidante para realizar a combustão da corrente 27 para aquecer os fogões e a corrente de ar 24 é utilizada como um oxidante para realizar a combustão da corrente 16 para aquecer o reator 14.

[66] A corrente de gás de produto 19 será aquecida em fogões 20 para criar correntes de gases 21 e 29 tendo uma temperatura superior a 700 °C e tão alta quanto 1300 °C. No entanto, a temperatura preferida da corrente 21 é entre 850 °C e 1000 °C e mais preferivelmente entre 880° - 920 °C, a fim de evitar uma possível redução do óxido refractário que reveste o ducto para o alto-forno. A corrente de gás 29 pode ou não ser utilizada, dependendo da configuração do TGRBF particular. A distribuição das taxas de fluxo entre as correntes 21 e 29 é regida pela válvula 30.

[67] A Tabela 5 ilustra as diferenças entre, por um lado, um TGRBF do estado da técnica como demonstrado em escala piloto na Europa e, por outro lado, um TGRBF de acordo com a modalidade preferida da invenção, tal como ilustrado na figura 1, tanto quando gás natural reformado como COG reformado são usados para fortalecer o gás de bocal reciclado.

[68] Esse exemplo foi calculado a partir dos dados reais de alto-forno usando um modelo de alto-forno que foi inicialmente utilizado para calcular o desempenho de um TGRBF, tomando em consideração a eficiência de redução e as perdas de aquecimento.

[69] O modelo simulava um TGRBF que injeta 50% do gás aquecido reciclado (900 °C) através das tubeiras de soleira e 50% através das tubeiras de veio.

[70] O funcionamento de um TGRBF foi então modelado para incluir a modalidade preferida com a utilização idêntica de gás ao nível de FeO, perdas de calor total idênticas e percentagens idênticas da perda de calor no alto-forno inferior, de modo a ilustrar as vantagens da presente invenção para o funcionamento dos fogões.

[71] Devido ao teor em hidrogênio de COG, a maior redução na taxa de coque é prevista para um TGRBF que está a utilizar COG reformado como ensinado na modalidade preferida da invenção. Uma redução da taxa de coque de 25 kg/thm é esperada usando a invenção com COG. A redução significativa da taxa de coque pode ser alcançada também pelo uso de gás natural reformado, onde uma redução da taxa de coque de 21 kg/thm pode ser antecipada utilizando a invenção.

[72] Em todos os três casos mostrados na Tabela 5, a temperatura de chama adiabática no tanque de corrente (RAFT) e a temperatura de topo estão dentro dos limites geralmente aceites pelos operadores de alto-forno. No entanto, a referência a TGRBF na Tabela 5 está a funcionar nos seus limites máximos tanto de RAFT (2300 °C) como temperatura do gás de bocal (200 °C). As previsões calculadas para um TGRBF usando a modalidade preferida mostram operações de alto-forno que são mais confortáveis com RAFT bem abaixo do máximo comumente acordado. Menos oxigénio é necessário para alimentar um TGRBF utilizando a modalidade preferida da invenção.

[73] A Tabela 5 também ilustra como o gás extra reformado a partir de COG ou NG e usado para fortificar o gás de alto-forno descarbonatado permitiu que a razão de reciclagem total (última linha na Tabela 5) caísse para 80,0-81,5%. Isso proporcionou gás remanescente suficiente para:

• Aquecer os fogões,
• Aquecer o reformador;
• Melhorar a termodinâmica da redução,

[74] Isso compara-se com a referência a TGRBF onde seria necessário reciclar mais de 90% para atingir uma redução maior da taxa de coque. O gás reciclado alimentado remanescente (~10%) não foi suficiente para aquecer os fogões e, nesse caso, teria sido necessário o uso de combustível (COG ou NG) para aquecer os fogões.

Tabela 5: Melhoramento em Alto-Forno Exemplificativo usando a Modalidade Preferida.

Claims

Método de funcionamento de uma instalação de alto-forno compreendendo um alto-forno de reciclagem de gás do bocal (1) que gera gás de alto-forno (3), caracterizado pelo fato de compreender os passos de:
- a) descarbonatação do gás de alto-forno (3), de modo a obter uma corrente de gás residual rico enriquecido com CO2 (8) e uma corrente de gás de alto-forno descarbonatado (9) não contendo mais do que 3% em volume de CO2,
- b) transformação de um combustível gasoso contendo hidrocarbonetos (10) não gerado pelo alto-forno para gerar uma corrente de gás transformado (15) contendo pelo menos 70% em volume de CO e H2, no total, de preferência pelo menos 80% em volume e mais preferencialmente pelo menos 90% em volume, e, no máximo, 7% em volume de hidrocarboneto, de preferência, no máximo, 6% em volume,
- c) produção de um combustível gasoso com baixo valor de aquecimento (27) que tem um valor de aquecimento de 2,8 a 7,0 MJ/Nm3 e de preferência de 5,5 a 6,0 MJ/Nm3 e que contém (i) uma porção (25) da corrente de gás residual (8) e (ii) pelo menos uma primeira porção da corrente de gás transformado (15, 18) e utilização do referido combustível gasoso de baixo valor de aquecimento (27) para o aquecimento de fogões quentes (20),
- d) aquecimento de pelo menos 70% em volume da corrente de gás de alto-forno descarbonatado (19) nos fogões quentes (20) a uma temperatura entre 700 °C e 1300 °C, de preferência entre 850 °C e 1000 °C e mais preferencialmente entre 880 °C e 920 °C, para gerar gás de alto-forno descarbonatado aquecido (21, 29) e
- e) injeção do gás de alto-forno descarbonatado aquecido (21, 29) no alto-forno (1).
Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o combustível gasoso contendo hidrocarboneto (10) conter gás natural e/ou gás de forno de coque.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a combustão parcial do combustível gasoso contendo hidrocarboneto (10) ser utilizada para gerar a corrente de gás transformado (15, 18).
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de um processo de reformação do combustível ser utilizado para gerar a corrente de gás transformado (15, 18).
Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o combustível contendo hidrocarboneto (10) ser reformado utilizando CO2 como agente de reformação, preferivelmente usando parte do gás residual (8) como um agente de reformação.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de pelo menos uma porção da corrente de gás transformado (15, 18) ser misturada com o gás de alto-forno descarbonatado (9) de modo a obter uma corrente de gás de alto-forno descarbonatado fortificado (19) a montante dos fogões quentes (20).
Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o combustível gasoso de baixo valor de aquecimento (27) conter uma primeira porção (26) da corrente de gás de alto-forno descarbonatado fortificado.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado pelo fato de a combustão parcial do combustível gasoso contendo hidrocarboneto em um reator de combustão parcial (14) ser utilizada para gerar a corrente de gás transformado e por uma segunda porção (16) da corrente de gás de alto-forno descarbonatado fortificado (10) ser usada para aquecer o reator de combustão parcial (14), de preferência por combustão da referida segunda porção (16) com ar (24).
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de um processo de reformação do combustível ser conduzido em um reformador (14) para gerar a corrente de gás transformado (15, 18) e por uma terceira porção (16) da corrente de gás de alto-forno descarbonatado fortificado ser utilizada para aquecer o reformador (14), de preferência por combustão da referida terceira porção (16) com ar (24) .
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de 80 a 90% em volume da corrente de gás de alto-forno descarbonatado (9) ser aquecida nos fogões quentes (20) e ser injetada no alto-forno (1).
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de o gás de alto-forno descarbonatado aquecido ser injetado no alto-forno (1) através de tubeiras de soleira (1b), e opcionalmente também através de tubeiras de veio (1c) .
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de uma VPSA, uma PSA ou uma unidade de absorção química (7) ser utilizada para descarbonatar o gás de alto-forno.
Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de os fogões quentes (20) serem aquecidos pela combustão do combustível gasoso de baixo valor de aquecimento (27) com ar (28).