BR112017008264B1 - Método para redução de matérias-primas fundidas, e dispositivo para desempenhar o dito método - Google Patents

Abstract

a invenção refere-se a um método para reduzir matérias-primas fundidas, método no qual as matérias-primas, em um estado fundido ou sólido, são colocadas em um leito que compreende fragmentos de coque, em que o leito é, ao menos parcialmente, aquecido indutivamente, e o material fundido reduzido que escoa no leito de coque é coletado e os gases de reação são descarregados, sendo que um leito de coque é usado, o qual é limitado no interior por um elemento em formato de cano, sendo que o elemento em formato de cano é aquecido, e os gases de reação oriundos do leito de coque são extraídos por meio de uma pluralidade de aberturas de extração formadas no elemento em formato de cano. a invenção também se refere a um dispositivo para reduzir matérias-primas fundidas, sendo que o dito dispositivo tem um reator para acomodar um leito que compreende fragmentos de coque e tem um aquecedor por indução que compreende ao menos uma bobina de indução para aquecer indutivamente o leito de coque, em que: o reator tem uma abertura de carga para as matérias-primas sólidas e fundidas e uma abertura de descarga para o material fundido tratado; sendo que o reator é projetado para acomodar um leito de coque que tem um corte transversal em formato de cano que consiste em um material adequado para acoplar indutivamente ao campo de indução da bobina de indução, em particular, grafite, e o dito elemento tem uma pluralidade de aberturas de extração para extrair gases de reação do leito de coque.

Description

[001] A invenção refere-se a um método para reduzir matérias-primas fundidas, no qual as matérias-primas em um estado sólido, fundido ou em estado gasoso são colocadas em um leito que compreende fragmentos de coque, sendo que o leito é aquecido indutivamente, ao menos parcialmente, e o material fundido reduzido que escoa do leito de coque é coletado e os gases residuais são descarregados. A invenção também se refere a um dispositivo para desempenhar esse método, que compreende um reator para receber um leito de fragmentos de coque, e um aquecedor por indução que compreende ao menos uma bobina de indução para o aquecimento por indução do leito de coque.

[002] As matérias-primas a serem reduzidas estão em minérios, poeiras, escórias, resíduos de pirólise, gasificação e combustão, materiais fundidos, pastas fluidas, escórias, componentes de escória ESU (Elektro-Schlacken- Umschmelz [refusão por eletroescória]) (como, por exemplo, CaO, CaF2, Al2O3) e/ou vidros de óxido de metal, assim como materiais fundidos minerais a serem desgaseificados.

[003] Fragmentos de coque, no contexto desta invenção, incluem, em particular, carreadores de carbono, como coque, antracita e grafite. De acordo com a dita invenção, os ditos carreadores de carbono são misturados de forma vantajosa com carreadores de carbono altamente reativos como carvão preto, linhita ou carvão vegetal, biomassa, carvão vegetal ativado carregado ou descarregado.

[004] Poeira e escória, em particular, escória residual, frações leves da trituradora, materiais compósitos como, por exemplo, folha de alumínio revestido, escória de aço, assim como escória de metalurgia não ferrosa e tecnologia inorgânica, contêm vários óxidos metálicos, no caso de escória de aço, essa contém uma quantidade considerável de óxidos de metal pesado.

[005] Propôs-se aplicar materiais fundidos líquidos em um banho de metal reduzido, em particular, um banho ferroso que contém carbono dissolvido conforme o agente redutor reduz os ditos óxidos metálicos não desejados, em particular, óxidos de cromo, vanádio, molibdênio, tungstênio, cobalto, manganês, chumbo, cobre e zinco, com os metais reduzidos transformando-se em régulos de metal ou uma fase gasosa.

[006] Entretanto, na maior parte das vezes, é necessário usar os materiais originais diretamente como materiais fundidos a fim de utilizar o calor do material fundido, se tal método deve ser conduzido eficientemente.

[007] Além disso, em todas tais reações a escória está em equilíbrio com o banho de metal e devido às condições de equilíbrio os metais pesados não podem nunca ser completamente reduzidos de tal modo que mantenha os óxidos remanescentes na escória em um nível abaixo do limite de detenção analítica. Isso se aplica, em particular, aos óxidos de cromo e vanádio, que permanecem na escória reduzida em quantidades de ao menos mais de 1.000 ppm.

[008] Vidros, em particular, materiais fundidos de vidro, podem ser produzidos apenas como produto incolor, se pequenos traços de óxidos de metal pesado forem quantitativamente removidos de tais escórias de vidro, uma vez que os óxidos metálicos conferem ao vidro sua respectiva cor.

[009] Nesse contexto, o documento AT 502 577 B1 já propôs aplicar partículas sólidas e/ou materiais fundidos sobre ao menos um leito parcial e indutivamente aquecido ou uma coluna com fragmentos de coque, e coletar o material fundido reduzido e/ou desgaseificado escoado.

[010] Comparados com banhos de metal conhecidos, um leito de coque desse tipo tem um potencial de redução muito mais alto, e tanto o processo de fundição como a redução são realizados diretamente no leito de coque e/ou diretamente nos fragmentos de coque.

[011] As respectivas frequências são de cerca de 50 a 100 kHz, o que significa que a energia gasta pode ser apenas aplicada na borda externa do leito de coque devido ao efeito pelicular. Para aquecer o leito de coque suficientemente mesmo no meio do leito compactado, uma alta saída é necessária, uma vez que a condução do calor através do coque a partir da zona periférica indutivamente aquecida na direção do centro é apenas muito limitada.

[012] Uma desvantagem é a ocorrência de reações colaterais indesejáveis dos componentes de gás desenvolvidas no leito de coque com as matérias- primas fundidas. O método pode, portanto, ser apenas usado de forma muito limitada para regenerar matérias-primas, em particular, partículas que são contaminadas com metais pesados, fósforos, álcalis (em particular, lítio), dioxinas, halogênios, compostos orgânicos tóxicos, hormônios ou resíduos farmacêuticos.

[013] O objetivo da invenção é, portanto, aprimorar um método e um dispositivo do tipo mencionado acima de forma que, evitando as desvantagens descritas acima, substâncias sólidas e materiais fundidos possam ser amplamente limpos quantitativamente contra substâncias indesejáveis e, em particular, vários óxidos de metais pesados podem ser eliminados para um nível abaixo do limite de detenção de maneira particularmente simples e eficiente.

[014] De acordo com um primeiro aspecto, o método, de acordo com a invenção, para resolver esse problema, consiste principalmente no uso de um leito de coque que é limitado internamente por um elemento em formato de cano, sendo que o elemento em formato de cano é aquecido, e os gases de reação são removidos do leito de coque por meio de uma pluralidade de ventilações de escape fornecida no elemento em formato de cano.

[015] Agentes redutores podem ser introduzidos em conjunto com as matérias-primas fundidas. Os agentes redutores preferenciais incluem poeira de carvão, gás natural, hidrocarbonetos, hidrogênios, monóxido de carbono e/ou amônia. O agente redutor é preferencialmente soprado ou aspirado no leito de coque. O volume de coque também pode ser usado como um agente redutor adicional.

[016] Preferencialmente, as ventilações de escape passam pela parede do elemento em formato de cano e se abrem para o interior do elemento em formato de cano.

[017] Devido ao fato de que o leito de coque é delimitado no interior por um elemento aquecível em formato de cano, é possível aquecer o leito de coque não apenas a partir do exterior, mas também do interior. Isso resulta em um gradiente de temperatura mais plano, e as desvantagens da entrada de energia insuficiente mencionada acima em conexão com o efeito pelicular são evitadas.

[018] Ao mesmo tempo, o elemento em formato de cano torna possível ventilar os gases de reação gerados no preenchimento do coque muito mais rapidamente. Todos os outros conceitos de forno de cuba são atualmente operados exclusivamente tanto em um modo contracorrente como de corrente contínua, com o fluxo de material fundido e de gás direcionado tanto de modo oposto como em paralelo. A presente invenção fornece pela primeira vez o guia de gás perpendicular à direção do fluxo do material fundido dentro de um projeto de forno de cuba. O elemento em formato de cano tem uma pluralidade de ventilações de escape para esse propósito, o que permite uma ventilação radial dos gases de reação diretamente na área em que as mesmas ocorrem, evitando, portanto, reações indesejáveis com as matérias-primas fundidas. A ventilação direta dos gases de reação tem o efeito adicional de aumentar substancialmente a capacidade de reação do leito de coque. Ao mesmo tempo, o fluxo de material fundido pode ser otimizado significativamente em relação à taxa de transferência devido ao volume de gás reduzido dentro do volume de coque.

[019] Além disso, a remoção direta dos gases de reação permite uma mudança no equilíbrio químico na direção desejada, que é especialmente vantajosa no caso dos componentes que sofrem uma mudança de fase durante a reação.

[020] É particularmente preferencial que o elemento em formato de cano seja adaptado à geometria do leito de coque. Preferencialmente, o elemento em formato de cano tem um corte transversal arredondado ou retangular ou uma combinação de ambos. É, portanto, preferencial que o elemento em formato de cano seja um corpo que é eletricamente condutivo, permeável a gás e/ou dotado de orifícios e resistente a altas temperaturas.

[021] O elemento em formato de cano é indutivamente aquecido de uma maneira vantajosa de forma que o aquecimento do leito de coque e do elemento em formato de cano possa ser desempenhado pelo mesmo aquecedor por indução. Entretanto, precauções especiais tem que ser consideradas com relação às várias frequências de acoplamento do leito de coque e o elemento em formato de cano até o campo de indução do aquecedor por indução.

[022] Portanto, um desenvolvimento preferencial estipula que o aquecimento por indução fornecido para o aquecimento por indução do leito de coque e do elemento em formato de cano é operado alternada ou simultaneamente com correntes alternadas em diferentes frequências. Frequências mais altas são exigidas nesse processo de forma a aquecer indutivamente o leito de coque. Frequências mais baixas são exigidas de forma a aquecer indutivamente o elemento em formato de cano.

[023] Observou-se que o leito de coque é transparente para frequências mais baixas, permitindo que o elemento em formato de cano se acople ao campo de indução com um alto grau de eficácia. Isso torna possível alcançar altas temperaturas de 1.900 °C e mais altas com uma alta densidade de potência no leito de coque. De uma maneira preferencial, o elemento em formato de cano é produzido a partir de grafite, com o corpo de grafite tendo possivelmente um revestimento diferente do carbono no lado voltado para o leito de coque. Particularmente, a superfície pode ser siliconada, criando uma superfície de SiC resistente a desgaste.

[024] Dependendo da seleção de frequência de corrente alternada para o aquecedor por indução, porções de tamanho de grãos diferentes no preenchimento de coque podem ser acopladas. Cada tamanho de grão tem sua frequência de ressonância ideal, sendo que fragmentos de coque maiores se acoplam em frequências mais baixas do que fragmentos de coque menores. Uma vez que o leito de coque normalmente tem uma distribuição de tamanho de grão, a seleção da frequência atual alternativa aquece a fração desejada do leito de coque. A variação da frequência de corrente alternada permite um acoplamento direcionado das várias frações de uma maneira vantajosa, garantindo, dessa forma, uma entrada de energia através da extensão radial inteira do leito de coque.

[025] Em um modo de operação síncrona, a corrente alternada de baixa frequência é modulada preferencialmente com uma ou várias frequências mais altas. Em um modo de operação alternado, preferencialmente, duas ou mais frequências de corrente alternada diferentes são aplicadas consecutiva e alternativamente.

[026] De acordo com um desenvolvimento adicionalmente preferencial, a corrente alternada é usada em ao menos uma primeira e uma segunda frequências. A primeira frequência é preferencialmente 2 a 10 kHz. A segunda frequência é preferencialmente 50 a 200 kHz, particularmente, 75 a 130 kHz.

[027] O método de acordo com a invenção é adequado para o tratamento de uma série de matérias-primas problemáticas, especialmente para a regeneração de particulados problemáticos que são, por exemplo, contaminados com metais pesados como Pb, Cd, Hg ou Zn.

[028] De forma a resolver o problema subjacente da invenção, de acordo com um aspecto adicional com um dispositivo do tipo supracitado da invenção consiste principalmente no reator sendo projetado para receber um leito de coque com um corte transversal em formato de anel que é internamente limitado por um elemento em formato de cano do reator, sendo que o elemento em formato de cano consiste em um material adequado para se acoplar indutivamente ao campo de indução da bobina de indução, especialmente grafite, e tendo uma pluralidade de ventilações de escape para remover gases de reação do leito de coque.

[029] Uma vez que o leito de coque e o elemento em formato de cano são acoplados em diferentes frequências do campo de indução, de acordo com um desenvolvimento adicional preferencial, o fornecimento de tensão do aquecedor por indução compreende ao menos um conversor de frequência ou gerador de frequência com uma unidade de controle, sendo que o anterior é projetado para operar alternativa ou simultaneamente o aquecedor por indução com alteração de corrente de diferentes frequências.

[030] A unidade de controle pode ser projetada de maneira particularmente preferencial para operar o aquecedor por indução com uma corrente alternada de ao menos uma primeira e uma segunda frequências. A primeira frequência é preferencialmente 2 a 10 kHz e a segunda frequência é preferencialmente 50 a 200 kHz, particularmente, 75 a 130 kHz.

[031] De acordo com outra modalidade preferencial, dutos para soprar os gases reativos se abrem o leito de coque.

[032] Para garantir a descarga eficaz dos gases de reação do leito de coque, é preferencial o caso em que as ventilações de escape passam pela parede do elemento em formato de cano e se abrem em um duto de escape disposto ou fornecido no interior do elemento em formato de cano. Para obter uma ventilação consistente através do leito de coque inteiro, é preferencial o caso em que as ventilações de escape são distribuídas em uma disposição na direção circunferencial através do elemento em formato de cano. As ventilações de escape são distribuídas, em particular, uniformemente. Adicionalmente, as ventilações de escape também podem ser dispostas em direção axial, isto é, distribuídas na direção vertical do leito de coque. É vantajoso que as ventilações de escape sejam dispostas em uma pluralidade de fileiras horizontais paralelas uma à outra.

[033] Particularmente, um dispositivo pode ser fornecido para a abertura e fechamento seletivos de ao menos uma porção das ventilações de escape. Isso permite que a descarga de gás seja ajustada de forma que os gases de reação sejam descarregados em uma posição otimizada de acordo com os respectivos requisitos.

[034] Para evitar que componentes líquidos ou sólidos do leito de coque sejam descarregados através das ventilações de escape junto com os gases de reação, de acordo com um desenvolvimento mais preferencial, as ventilações de escape passam diagonalmente a montante na direção do duto de escape.

[035] De modo particularmente preferencial, as ventilações de escape têm uma primeira área com um primeiro corte transversal de fluxo e uma segunda área adjacente com um segundo corte transversal de fluxo que é menor que o da primeira área. Essa disposição produz um fluxo laminar de gases de reação na primeira área das ventilações de escape, enquanto que um fluxo turbulento é obtido na segunda área devido à redução do corte transversal. O fluxo turbulento facilita o contato das partículas fundidas possivelmente drenadas no gás de reação com a parede das ventilações de escape e entre si. As partículas que foram varridas e aglomeradas, nesse caso, e as gotas resultantes fluem de volta para a sala do reator e/ou o leito de coque o longo das paredes das ventilações de escape.

[036] A invenção é explicada mais detalhadamente a seguir com relação às modalidades exemplificativas mostradas nos desenhos. A Figura 1 mostra um reator de acordo com a invenção, sendo que a Figura 2 é uma vista detalhada de um corte transversal do elemento em formato de cano para ventilar os gases de reação e a figure 3 é uma possível modalidade exemplificativa para um orifício para a admissão de gás no elemento em formato de cano.

[037] O reator, de acordo com a invenção na Figura 1 consiste em uma ou mais bobinas de indução 1 que são guiadas ao redor da parede do reator 2. A bobina de indução 1 e a parede do reator 2, nesse caso, têm, de preferência, um corte transversal arredondado e coordenado. Além disso, cortes transversais preferencialmente retangulares ou combinações de cortes transversais retangulares ou arredondados podem ser usados. Um elemento em formato de cano e um material a granel de fragmentos de coque 4 são dispostos na parede do reator 2 para descarregar gases de reação 3. A geometria do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5 é preferencialmente coordenada com a geometria do reator. Substâncias sólidas e/ou fundidas podem ser introduzidas no reator de aquecimento por indução. Os gases de reação são, portanto, descarregados por meio do elemento em formato de cano para remover os gases de reação 5 do volume de fragmentos de coque 4 por meio de uma diferença de pressão em direção à saída do duto de descarga de gás. As substâncias fundidas remanescentes, por exemplo, material fundido e/ou escória de metal podem, na modalidade mais simples, ser diretamente removidas do interior do reator e do volume de fragmentos de coque 4 por meio de um furo de torneira 6.

[038] A Figura 2 mostra um possível corte transversal do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5. Os orifícios 7 são configurados na parede de cano 8 do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5 a partir do volume de fragmentos de coque. Os orifícios são preferencialmente dispostos diagonalmente de forma que os mesmos percorram para cima a partir do exterior para o interior do elemento em formato de cano para a descarga dos gases de reação 5. Isso minimiza a entrada de substâncias sólidas ou fundidas a partir do volume do reator do volume de fragmentos de coque 4 no interior do cano 9. Uma outra modalidade do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5 tem um projeto modular. Nesse caso, qualquer quantidade de segmentos individuais que consiste em orifícios 7 e segmentos da parede de cano 8 podem ser dispostos um em cima do outro, formando o elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5. Uma modalidade adicional do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5 tem um projeto modular de forma que vários segmentos individuais do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5 sejam introduzidos paralelamente entre si no volume de fragmentos de coque 4. Preferencialmente, os vários elementos em formato de canos para descarregar gases de reação 5 têm orifícios 7 em diferentes níveis dentro do volume de fragmentos de coque 4. Isso permite que o reator seja otimizado de forma que diferentes gases de reação em pontos diferentes dentro do volume de fragmentos de coque 4 possam ser separadamente descarregados. Portanto, diferentes zonas de reação podem ser definidas no volume de fragmentos de coque 4, a partir das quais os gases de reação podem ser independentemente descarregados. A definição de várias zonas de reação pode, por exemplo, ocorrer ao configurar várias temperaturas, por exemplo, pela aplicação direcionada de parceiros de reação a partir do exterior da parede do reator 2 através dos bocais. Uma outra modalidade é a introdução de um elemento em formato de cano para descarregar os gases de reação 5 que consistem em vários volumes separados no interior do cano 9. Furos de orifícios para diferentes zonas de reação permitem uma descarga de gases de reação definida e independente a partir do volume de fragmentos de coque 4 nos volumes separados no interior do cano 9.

[039] A Figura 3 é uma vista detalhada de uma possível modalidade de um orifício 7 na parede de cano 8 do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5. O orifício 7 é preferencialmente disposto diagonalmente de tal forma que percorra para cima a partir do exterior para o interior do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5. Adicionalmente, o orifício 7 é dividido em 2 segmentos com diferentes dimensões. A parte do orifício que leva para a parte exterior 10 é voltada para o volume de fragmentos de coque 4. A mesma tem um volume maior em comparação com a parte interior do orifício 11 que leva diretamente ao interior do cano 9. Devido ao alto volume da parte exterior do orifício 10, a velocidade dos gases de reação aspirados a partir do volume de fragmentos de coque 4 é reduzida, e possíveis partículas sólidas ou fundidas que ainda estão no fluxo de gás podem afundar para baixo da parte exterior do orifício 10 e, de lá, fluem de volta no volume de fragmentos de coque 4. Devido à redução do diâmetro no interior do orifício 11 em comparação com a parte exterior do orifício 10, existe uma velocidade mais alta do gás na parte interna do orifício 11, e preferencialmente uma mistura turbulenta do gás de reação do volume de fragmentos de coque 4. Qualquer partícula sólida ou fundida que não foi depositada na parte externa do orifício 10 combina preferencialmente em partículas maiores na zona turbulenta da parte interna do orifício 11, que são então separadas preferencialmente aqui na parte inferior do orifício 11 e, a partir daí, podem fluir de volta para o volume de fragmentos de coque 4. A parte externa do orifício 10 pode preferencialmente ser projetada para ser, consequentemente, giratoriamente simétrica ao redor do elemento em formato de cano para descarregar gases de reação 5 enquanto as partes internas do orifício 11 são introduzidas em posições selecionadas e em números selecionados na parte externa do orifício 10.

[040] LEGENDA PARA AS Figuras: 1 bobina de indução 2 parede de reator 3 descarga de gases de reação 4 leito compactado 5 elemento em formato de cano para ventilar gases de reação 6 furo de torneira 7 orifícios 8 parede de cano 9 interior do cano 10 parte exterior do orifício 11 parte interior do orifício

Claims (10)

1. Método para redução de matérias-primas fundidas, em que as matérias-primas fundidas em um estado sólido ou fundido são colocadas em um leito que compreende fragmentos de coque, sendo que o leito é aquecido por indução, ao menos parcialmente, e o material fundido reduzido que escoa do leito de coque é coletado e os gases de reação são descarregados, caracterizado por um leito de coque ser usado de forma que é delimitado internamente por um elemento em formato de cano, com o elemento em formato de cano sendo aquecido e os gases residuais provenientes do leito de coque são descarregados por meio de uma pluralidade de ventilações de escape formadas no elemento em formato de cano, em que o aquecedor por indução, fornecido para o aquecimento por indução do leito de coque e do elemento em formato de cano, é operado alternadamente ou simultaneamente com corrente alternada de diferentes frequências, e em que a corrente alternada de ao menos uma primeira e uma segunda frequência é usada.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o elemento em formato de cano ser adaptado à geometria do leito de coque.

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por o elemento em formato de cano ter um corte transversal arredondado ou retangular ou uma combinação de ambos.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o elemento em formato de cano ser um corpo resistente a altas temperaturas eletricamente condutivo que é permeável a gases e/ou dotado de orifícios.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o elemento em formato de cano ser aquecido indutivamente.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por as ventilações de escape passarem através da parede de um elemento em formato de cano e se abrirem dentro do elemento em formato de cano.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o agente redutor ser soprado ou aspirado para dentro do leito de coque.

8. Dispositivo para redução de matérias-primas fundidas, em particular, para executar um método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, que compreende um reator para receber um leito de fragmentos de coque e um aquecedor por indução que compreende ao menos uma bobina de indução para aquecer por indução o leito de coque, com o reator tendo uma abertura de alimentação para as matérias-primas sólidas e fundidas e uma furo de torneira para o material fundido processado, caracterizado por o reator ser projetado para receber um leito de coque com um corte transversal em formato de anel que é delimitado internamente por um elemento de reator em formato de cano, com o elemento em formato de cano sendo feito de um material adequado para se acoplar indutivamente com o campo de indução da bobina de indução, em particular, grafite, e tendo uma pluralidade de ventilações de escape para descarregar os gases de reação a partir do leito de coque, em que o suprimento de tensão do aquecedor por indução compreende ao menos um inversor de frequência ou gerador de frequência com uma unidade de controle, com o anterior adequado para operar o aquecedor por indução alternada ou simultaneamente com corrente alternada de diferentes frequências, e em que a unidade de controle é projetada para operar o aquecedor por indução com corrente alternada de ao menos uma primeira e uma segunda frequências.

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por as ventilações de escape passarem através da parede do elemento em formato de cano e se abrirem dentro de um duto de escape disposto ou fornecido no interior do elemento em formato de cano.

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por as ventilações de escape são dispostas tal que percorram diagonalmente para cima na direção do duto de escape.

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