BR112021015969B1

BR112021015969B1 - Processo para redução direta de partículas contendo ferro oxidado, e dispositivo de processamento de sinal

Info

Publication number: BR112021015969B1
Application number: BR112021015969-0A
Authority: BR
Inventors: Norbert Rein; Johann Wurm; Bernhard Hiebl; Hanspeter Ofner; Roland Eisl
Original assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2022-11-29
Also published as: KR102424559B1; AU2020242905B2; CA3129937C; KR20210125084A; WO2020187672A1; JP2022520496A; BR112021015969A2; US20220145412A1; US11685961B2; SA521430296B1; EP3708684A1; PL3708684T3; AU2020242905A1; CN113544292B; MX2021010922A; CL2021002358A1; EP3708684B1; ES2914337T3; CA3129937A1; JP7119243B2

Abstract

MÉTODO PARA A REDUÇÃO DIRETA EM UM LEITO FLUIDIZADO. A presente invenção refere-se a um método para a redução direta de partículas contendo ferro óxido (2) a um produto de redução (9) em um leito fluidizado (4), através do qual um gás de redução (8) contendo 30 a 100% em mol de hidrogênio H2 flui em contracorrente. Pelo menos 90% em massa das partículas contendo ferro óxido (2) introduzidas no leito fluidizado (4) têm um tamanho de partícula menor ou igual a 200 micrômetros. A velocidade superficial U do gás de redução (9) que flui através do leito fluidizado (4) é ajustada entre 0,05 m/s e 1 m/s de modo que, para o tamanho de partícula d igual a d30 das partículas contendo ferro óxido (2) introduzido no leito fluidizado (4), está acima da velocidade de suspensão teórica Ut e é menor ou igual a Umáx.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um processo de redução direta de partículas contendo ferro oxidado a um produto de redução em um leito fluidizado, através do qual um gás de redução que contém 30 a 100% em mol de fluxos de hidrogênio H2 em contracorrente.

Estado da Técnica

[002] Uma ampla variedade de diferentes processos é conhecida para a redução direta de partículas contendo ferro oxidado, por exemplo, minério de ferro, por meio de um leito fluido através do qual o gás de redução flui. Os exemplos a seguir foram utilizados comercialmente até hoje: FIOR, FINMET, FINEX, CIRCORED.

[003] No contexto desse pedido, o termo "minério de ferro" inclui tanto os minérios que são enviados diretamente ao processo de redução depois da extração de uma mina, quanto os minérios que são fornecidos ao processo de redução apenas depois das etapas de processamento ou outros parâmetros que seguem a extração. Neste caso, ferro oxidado está presente ali.

[004] Nos processos de leito fluido usados para a redução de minério de ferro, o fluxo de gás de redução é contra a gravidade através de partículas em estado sólido, isto é, as partículas contendo ferro oxidado, por exemplo, material a granel de minério de ferro. Isso coloca as partículas em estado sólido em um estado fluidizado, isto é, suspenso, e o volume que flui efetivamente assume a propensão ao fluxo de um fluido, que também é chamado de fluidização. A fluidização também é utilizada para o transporte de sólidos, por exemplo, em transportadores pneumáticos com o movimento de sólidos e gás em contracorrente.

[005] O desenvolvimento de um leito fluido pode ser dividido em várias etapas de acordo com a intensidade da fluidização, por exemplo, mínima/lisa/borbulhante/turbulenta. Seguindo do chamado estado de leito fixo, no qual o gás de redução está fluindo através do material a granel sem fluidificá-lo. Com o aumento da velocidade do gás, a fluidização começa com o estado de fluidização mínimo e, em seguida, faz a transição para o estado de fluidização suave, à medida que a velocidade do gás aumenta ainda mais. O estado de fluidização presente em um leito fluido depende da velocidade do gás, da densidade e da viscosidade do gás, e da massa e da densidade da partícula, da forma, do volume da partícula e da distribuição do tamanho do grão das partículas em estado sólido usadas. O termo "leito fluidizado" pode ser equiparado ao termo "leito fluidizado"; os dois termos são usados como sinônimos no presente pedido. No ponto de fluidização, ocorre a transição de um leito fixo para um leito fluidizado.

[006] Em princípio, em um leito fluido, devido à alta área de troca presente entre o estado sólido e o gás, as taxas de transferência de massa e calor comparativamente altas são alcançadas. Isso resulta, de maneira correspondente, em altas taxas de conversão específicas nas reações de redução.

[007] O nível industrial e economicamente viável de metalização dos produtos de redução depende de muitos fatores.

[008] Para a redução de uma quantidade molar de óxido de ferro em ferro metálico, é necessário fornecer pelo menos a quantidade de gás de redução necessária em termos estequiométricos para a reação de redução. O volume do gás de redução que realmente deve ser transportado através da matéria no estado sólido é determinado pela posição de equilíbrio termodinâmico entre os vários estados de oxidação do minério e do gás de redução. Esta posição de equilíbrio pode ser influenciada pela temperatura.

[009] Com um modo de operação sob pressão elevada, é possível aumentar a taxa de fluxo de massa do gás de redução, mas há demandas desvantajosamente maiores no design e na tecnologia de segurança da unidade de redução.

[0010] Uma desvantagem que surge em altas temperaturas é a tendência de aglomeração das partículas no estado sólido, também chamada de pegajosidade, o que tem um efeito desfavorável no funcionamento do leito fluido, por exemplo, através da desfluidização.

[0011] Com um modo de operação em velocidade elevada do gás, é possível aumentar a taxa de fluxo de massa do gás de redução.

[0012] No contexto do presente pedido, o termo "velocidade do gás" significa velocidade superficial.

[0013] A velocidade máxima do gás praticamente utilizável, no caso de um material particulado de estado sólido a granel específico e, portanto, o volume máximo de gás transportável através do leito fluido por unidade de área por unidade de tempo, é calculada a partir da velocidade do gás acima da qual uma proporção das partículas em estado sólido, que não são mais desprezíveis em relação ao processo, é descarregada do leito fluido.

[0014] O estado em que a velocidade do gás corresponde à velocidade de sedimentação das partículas em estado sólido é chamado de ponto de descarga. A velocidade do gás de redução no ponto de descarga é igual à velocidade de sedimentação das partículas em estado sólido e é chamada de velocidade de fluidização. Quando a velocidade do gás aumenta ainda mais, as partículas em estado sólido são arrastadas pelo gás e descarregadas do leito fluido contra a gravidade. As partículas em estado sólido descarregadas do leito fluido não estão mais envolvidas nas reações no leito fluido, o que reduz a eficiência de um processo de redução com base em leito fluido.

[0015] Quanto menor for o tamanho do grão das partículas em estado sólido, menor será a velocidade de fluidização. Baixas velocidades do gás resultam na necessidade de altas áreas de reator para garantir um determinado rendimento para grãos de tamanhos pequenos. No entanto, aumentar as áreas do reator tem desvantagens, como alta complexidade de construção, altos custos operacionais e maior propensão a falhas. Grandes áreas de reatores são neutralizadas no caso de tecnologias atualmente empregadas, por exemplo, por meio de medidas que são complexas em termos de tecnologia de segurança e operação, por exemplo, pressão significativamente aumentada, operação com leito fluidizado turbulento, incluindo reciclagem de sólidos descarregados.

[0016] No caso de processamento de partículas contendo ferro óxido com altas proporções de pequenos tamanhos de grãos, os problemas que surgem são, portanto, baixas velocidades de gás utilizáveis e necessidade associada de altas áreas de reator.

[0017] Como medida para aumentar a taxa de descarga, pequenas partículas sólidas também são frequentemente aglomeradas antes de serem enviadas para uma redução no leito fluido.

Sumário da Invenção Problema Técnico

[0018] É um objetivo da presente invenção fornecer processos e dispositivos que, com um nível comparativamente baixo de demandas de segurança e baixa complexidade de construção e operação, permitem a utilização de partículas contendo ferro oxidado que têm pelo menos 90% em massa com um tamanho de grão de não mais do que 200 micrômetros para a redução direta em um leito fluidizado sem uma etapa anterior de aglomeração. Solução Técnica

[0019] Este objetivo é alcançado por um processo de redução direta de partículas contendo ferro oxidado para um produto de redução em um leito fluidizado através do qual um gás de redução que contém 30 a 100% em mol de fluxos de hidrogênio H2 em contracorrente, em que as partículas contendo ferro oxidado introduzidas no leito fluidizado têm um tamanho de grão de não mais do que 200 micrômetros até uma extensão de pelo menos 90% em massa, e em que a velocidade superficial U do gás de redução que flui através do leito fluidizado é definida entre 0,05 m/s e 1 m/s, de modo que está acima da velocidade de fluidização teórica Ut e não mais do que Umáx para o tamanho de grão d = d30 das partículas contendo ferro oxidado introduzidas no leito fluidizado.

[0020] O valor d30 para o tamanho de grão, também chamado de tamanho de partícula neste pedido, das partículas contendo ferro oxidado introduzidas indica que 30% em massa das partículas contendo ferro oxidado têm um tamanho de partícula de não mais do que d30, isto é, 70% em massa é maior.

[0021] O valor teoricamente previsto Ut para um tamanho de grão d é calculado a partir de:

Umáx é calculado a partir da correlação atualmente encontrada entre o tamanho de partícula e a velocidade de fluidização para um tamanho de partícula d = d30: Umáx = (40000*d)A2,78 Ut velocidade de fluidização teórica [m/s] Umáx velocidade superficial máxima para d = d30 [m/s] pp densidade de partícula [kg/m3] pg densidade do gás de redução [kg/m3]; para o estado de operação d tamanho de grão [m] g aceleração devido à gravidade [m/s2] μ viscosidade dinâmica [kg/(m*s)] cw coeficiente de resistência Re número de Reynolds

[0022] A teoria do ensino vigente, de acordo com a relação já mencionada para Ut, sugeriria que, com o estabelecimento da velocidade superficial U acima da velocidade de fluidização teórica Ut aplicável ao tamanho de partícula d30 das partículas contendo ferro oxidado introduzidas no leito fluidizado, mais de 30% em massa são descarregados.

[0023] De maneira surpreendente, para as partículas contendo ferro oxidado que têm um tamanho de grão de pelo menos 90% em massa de não mais do que 200 micrômetros introduzidas no leito fluidizado, verificou-se que menos é descarregado no regime de processo da invenção, embora Ut para o tamanho de partícula d = d30 seja excedido, contanto que a velocidade superficial U não seja maior que Umáx para d = d30. Em conformidade, para uma dada descarga máxima aceitável, é possível trabalhar com velocidades de gás mais altas do que o esperado pela teoria. A velocidade superficial U é, de preferência, ajustada de modo que não mais do que 30% em massa é descarregado, isto é, Umáx para d = d30, com mais preferência, de modo que não mais do que 25% em massa é descarregado, ainda com mais preferência, de modo que não mais do que 20% em massa é descarregado, e com extrema preferência, de modo que não mais do que 15% em massa é descarregado.

[0024] De acordo com a invenção, o gás de redução é orientado através do leito fluido em uma velocidade de mais de 0,05 m/s, de preferência, mais de 0,1 m/s. Com os parâmetros escolhidos de acordo com a invenção, as partículas contendo ferro oxidado no leito fluidizado formado, através do qual o gás de redução flui em contracorrente, mostram comportamento diferente daquele previsto de acordo com o ensino vigente, de acordo com a relação para Ut já dada. Abaixo de uma velocidade de 0,05 m/s, a manutenção do leito fluidizado é difícil de controlar, e a razão de complexidade do regime de processo para a vazão alcançável é baixa. A extensão em que a velocidade realmente escolhida está acima de 0,05 m/s, de preferência, acima de 0,1 m/s, depende da extensão da descarga do leito fluidizado permitida pelo operador. Por um lado, uma velocidade mais alta é desejável porque, como resultado, a área do reator necessária para uma vazão desejada pode ser menor. Por outro lado, a descarga aumenta com o aumento da velocidade e a descarga de partículas do leito fluido reduz o rendimento alcançável. Portanto, o limite superior para a velocidade superficial é 1 m/s.

[0025] A preferência específica é dada à realização do processo dentro de uma faixa de velocidade de 0,05 m/s a 0,5 m/s, pois a vazão e o grau de descarga estão, em seguida, em uma proporção favorável.

[0026] De acordo com a invenção, um leito fluidizado é usado em um estado de fluidização na região do mínimo; nenhum leito fluido de circulação é usado.

[0027] A quantidade descarregada refere-se ao período de introdução de partículas contendo ferro oxidado no leito fluidizado até a retirada do produto de reação formado ali, isto é, para o tempo de permanência das partículas no leito fluidizado.

[0028] Com relação às questões gerais relacionadas com a redução em um leito fluido ou um leito fluidizado, a referência é feita ao texto introdutório em relação à técnica anterior. "A" deve ser entendido como o artigo indefinido na expressão "em leito fluidizado".

[0029] As partículas contendo ferro oxidado podem ser minério de ferro ou outro material de grão fino correspondente que contém óxidos de ferro, por exemplo, pó de alto forno, pó de sinterização, pó de pelotização ou outros fluxos de recirculação de uma siderúrgica; eles também podem ser misturas dos mesmos. De acordo com a invenção, o termo "minério de ferro" significa minérios que são enviados diretamente para o processo de redução após a extração de uma mina, ou minérios que são enviados para o processo de redução somente após as etapas de processamento depois da extração, por exemplo, flotação, ou outros pré-tratamentos. De qualquer forma, o ferro oxidado está presente nele.

[0030] A faixa de tamanho de grão e a distribuição de tamanho de grão resultam da operação de produção em escala industrial do material de partida. Eles são medidos por análise de peneira. Um material de partículas contendo ferro oxidado com um tamanho de grão não superior a 200 micrômetros a uma extensão de pelo menos 90% em massa e, em geral, presente com mais de 50% em massa menor que 50 micrômetros μm, é, por exemplo, pelotizado. Um processo analítico, de acordo com ISO13320 na versão de março de 2019, é utilizado.

[0031] O gás de redução pode consistir em hidrogênio H2 ou ser uma mistura de hidrogênio com um ou mais gases adicionais. Por exemplo, é possível usar hidrogênio de pureza de grau técnico. O agente de redução é, assim, pelo menos hidrogênio H2. Os gases adicionais também podem ter um efeito redutor nas partículas contendo ferro óxido, isto é, fornecer outros agentes de redução além do hidrogênio H2. Outro gás pode, por exemplo, ser o monóxido de carbono CO. O hidrogênio pode ser proveniente, por exemplo, da eletrólise, de preferência, por meio de energia verde, ou da reforma do gás natural.

[0032] A cinética de redução do hidrogênio H2 com óxidos de ferro é fundamentalmente mais favorável e, particularmente, em temperaturas mais baixas, do que para outros gases, por exemplo, em comparação com o monóxido de carbono CO. Portanto, o gás de redução, de acordo com a invenção, deve conter pelo menos 30% em mol de hidrogênio H2, a fim de ainda assegurar uma cinética de redução economicamente utilizável dentro da faixa de temperatura da invenção que é preferida devido ao risco de aderência. Em comparação a um gás de redução com um teor de hidrogênio inferior, como resultado, menos gás de redução fresco deve ser usado a fim de atingir um determinado nível de metalização. Em comparação a um gás de redução com um teor de hidrogênio inferior, como resultado, pode ser necessário recircular menos gás de redução gasto que sai do leito fluidizado após o processamento para fins do uso do agente de redução não utilizado aqui presente.

[0033] O gás de redução é conduzido através do leito fluidizado de baixo para cima, contra a gravidade. De acordo com a invenção, o processo é conduzido em contracorrente. As partículas, partículas contendo ferro oxidado, intermediário, produto de reação, são movidas dentro do leito fluidizado de modo a resultar em um fluxo cruzado do gás de redução e das partículas. No processo, as partículas contendo ferro óxido são introduzidas no leito fluidizado e o produto de redução é retirado do leito fluidizado. O movimento do local de entrada para o local de retirada em contracorrente para o gás de redução que flui contra a gravidade é essencialmente horizontal.

[0034] No caso de um leito fluidizado em contracorrente, executado, por exemplo, em uma calha de leito fluidizado, a redução direta é realizada ao longo do comprimento, de preferência, em um alinhamento aproximadamente horizontal, do leito fluidizado de um local de entrada para um local de retirada. Há, portanto, uma mudança na qualidade, por exemplo, as proporções das espécies de óxido de ferro magnetita, hematita ou wuestita, ou a porosidade das partículas, do óxido de ferro presente ao longo do leito fluidizado. A retromistura, como pode ocorrer em qualquer lugar em um leito fluido, mesmo ao nível da homogeneidade, é indesejável porque, como resultado, por exemplo, menos material reduzido seria capaz de se mover do local de entrada para o local de retirada, ou o tempo de permanência da partícula se tornaria não homogêneo.

[0035] O produto de redução, por exemplo, esponja de ferro DRI com um nível de metalização superior a 90%, tem um nível de metalização mais alto do que as partículas contendo ferro oxidado. O nível de metalização é definido como a razão entre as partes por massa de ferro na forma metálica e o ferro total presente no produto de redução: Nível de metalização = proporção em massa (Fe metálico)/ proporção em massa (Fe total)

[0036] De acordo com o regime do processo, o nível de metalização do produto da reação pode ser diferente. De acordo com a utilização final do produto de reação, um nível de metalização superior ou inferior pode ser desejável, por exemplo, no caso de utilização do processo da invenção para redução preliminar com o propósito de redução final de alguma outra forma, pode também estar abaixo da esponja de ferro DRI, por exemplo, na ordem de grandeza de 60%.

[0037] O período de tempo durante o qual as partículas devem permanecer no leito fluidizado para serem convertidas no produto de reação desejado, denominado tempo de permanência das partículas, depende da cinética da reação de redução que deve ocorrer. Isso depende, por sua vez, de uma infinidade de fatores, como a composição do gás de redução, a velocidade do gás de redução, o tipo de partículas contendo ferro óxido, por exemplo, se a magnetita, hematita ou wuestita devem ser reduzidas, ou a porosidade das partículas a serem reduzidas.

[0038] O tempo de permanência da partícula corresponde ao período de tempo necessário para que as partículas fluam do local de entrada para o local de retirada, introduzidas como partículas contendo ferro oxidado, retiradas como partículas de produto de redução. A duração do tempo de permanência da partícula depende, por exemplo, da distância do local de entrada do local de retirada e da altura do leito fluidizado.

[0039] No regime de processo da invenção em contracorrente, que é realizado, por exemplo, em um leito fluidizado essencialmente horizontal com a adição, de preferência, contínua de partículas contendo ferro óxido e, de preferência, retirada contínua do produto de redução, o tempo de permanência da partícula pode ser facilmente regulado pela altura do leito estabelecida, por exemplo, por meio de açudes. O tempo de permanência da partícula também pode ser regulado por meio da escolha da distância entre o local de entrada e o local de retirada.

[0040] "Essencialmente horizontal" inclui uma variação da horizontal de até 10°, de preferência, inclui uma variação de até 5° e, com mais preferência, inclui uma variação de até 2°. No caso de variação excessivamente alta da horizontal, a altura do leito no leito fluidizado torna-se não homogênea ao longo da extensão longitudinal do leito fluidizado a partir do local de entrada para o local de retirada, o que tem um efeito adverso na capacidade de controle do tempo de permanência da partícula.

[0041] O gás de redução permanece no leito fluidizado durante o tempo de permanência do gás. Se o tempo de permanência do gás for muito curto para o estabelecimento do equilíbrio aproximado da reação de redução, uma quantidade relativamente grande de agente de redução não utilizado deixará o leito fluidizado.

[0042] A proporção de agente de redução não utilizado no gás que sai do leito fluidizado, chamado gás de redução gasto, pode ser influenciada pela altura do leito.

[0043] Um regime de processo em contracorrente facilita a correspondência às demandas de tempo de permanência da partícula e do tempo de permanência do gás.

Efeitos Vantajosos da Invenção

[0044] Pelo processo da invenção, é possível reduzir as partículas contendo ferro presentes, de acordo com a invenção, de uma maneira economicamente viável sem aglomeração prévia. Em comparação aos processos conhecidos, também é possível diminuir a complexidade de construção e de operação de usinas para o desempenho do processo, uma vez que pelo menos a temperatura e, possivelmente, também a pressão, é relativamente baixa. Isso também tem como resultado a necessidade de um nível mais baixo de medidas de segurança.

[0045] O aumento da pressão, por meio de uma taxa de fluxo de massa aumentada do gás de redução, tem o efeito de um possível aumento na vazão para a mesma área do reator, ou uma possível redução na área do reator para a mesma vazão.

[0046] No entanto, a pressão elevada planejada pode exigir mais do projeto e da tecnologia de segurança na unidade de redução.

[0047] O processo da invenção é realizado, de preferência, a uma temperatura entre os limites de 499,85°C a 849,85°C, sendo estes limites inclusivos. Isso reduz o risco de aderência das partículas dentro do leito fluidizado a um grau indesejável, o que apresentaria problemas em temperaturas mais altas. Abaixo de 499,85°C, a redução, por razões termodinâmicas e cinéticas, não procede em grau satisfatório para um regime de processo econômico.

[0048] Por exemplo, as partículas contendo ferro oxidado são pré- aquecidas e introduzidas no leito fluidizado a uma temperatura de até 849,85°C, e o gás de redução é introduzido no leito fluidizado a uma temperatura de até 749,85 °C. A redução com hidrogênio H2 prossegue de forma endotérmica, de modo que o produto de redução é obtido a uma temperatura mais baixa, por exemplo, de cerca de 579,85°C.

[0049] Em vez de ou em adição ao pré-aquecimento fora do leito fluidizado, também seria possível ajustar a proporção de componentes de redução que reagem de forma exotérmica, por exemplo, monóxido de carbono CO, para reduzir os componentes que reagem de forma endotérmica, por exemplo, hidrogênio H2, no gás de redução de modo que o calor é fornecido no grau desejado in situ no leito fluidizado.

[0050] O processo da invenção é realizado, de preferência, sob uma pressão ligeiramente elevada em comparação ao ambiente. Em uma pressão ligeiramente elevada, por um lado, ainda não há necessidade de complexidade de segurança adicional em termos de construção de aparelho em comparação a um regime de processo em pressão ambiente e, por outro lado, os riscos que resultam da entrada do ar ambiente nos reatores são reduzidos. A pressão elevada é, de preferência, incluindo até 200.000 pascal.

[0051] Em uma variante vantajosa, d30 não é mais do que 110 micrômetros para as partículas contendo ferro oxidado introduzidas no leito fluidizado. O leito fluidizado pode ser operado de forma particularmente eficiente dentro desta faixa uma vez que a descarga de partículas finas contendo ferro oxidado não é desfavoravelmente alta, e a fluidização do leito fluidizado não é dificultada pelo grande tamanho de partículas.

[0052] Em uma variante vantajosa, o processo da invenção é conduzido de maneira que as partículas contendo ferro oxidado introduzidas no leito fluidizado estão entre 15 micrômetros e 100 micrômetros, inclusivo, até uma extensão de pelo menos 50% em massa.

[0053] Dentro desta faixa, o leito fluidizado pode ser operado de maneira particularmente eficiente, uma vez que a descarga de finas partículas contendo ferro óxido não é desfavoravelmente alta, e a fluidização do leito fluidizado não é dificultada por grandes tamanhos de partícula.

[0054] Em outra variante vantajosa, o processo da invenção é realizado de tal forma que as partículas contendo ferro óxido introduzidas no leito fluidizado têm um tamanho de partícula não inferior a 15 micrômetros até uma extensão de pelo menos 50% em massa. Dentro dessa faixa, o leito fluidizado pode ser operado de maneira particularmente eficiente, uma vez que a descarga de finas partículas contendo ferro óxido não é desfavoravelmente alta.

[0055] Quanto mais finas forem as partículas contendo ferro oxidado, maior será a complexidade necessária para o desempoeiramento do gás de redução usado devido a uma elevada descarga de poeira. Além disso, o próprio leito fluidizado pode ser menos estável e mais difícil de controlar com a diminuição do tamanho das partículas contendo ferro. As partículas contendo ferro óxido estão, de preferência, presentes em menos de 10 micrômetros μm com proporções de não mais de 30% em massa. O processo pode ser controlado de forma eficiente, pelo menos até a finura das partículas contendo ferro oxidado.

[0056] O leito fluidizado também pode ter diferentes zonas com diferentes alturas de leito. Em geral, no caso de partículas contendo ferro óxido, devido à presença de ferro em vários estados de oxidação, a redução é realizada em vários estágios por intermediários, por exemplo, magnetita através de hematita para wuestita. Por razões morfológicas, termodinâmicas e cinéticas, há uma diferença nos valores ideais para o tempo de permanência da partícula e o tempo de permanência do gás para os vários estágios ou intermediários. Diferentes intermediários estão presentes em diferentes concentrações em diferentes zonas do leito fluidizado no regime de processo da invenção em contracorrente. As zonas do leito fluidizado significam regiões ao longo da extensão do local de entrada ao local de retirada. Portanto, é vantajoso quando o estabelecimento de diferentes alturas de leito é possível em diferentes zonas do leito fluidizado. Por exemplo, para zonas diferentes, o tempo de permanência da partícula e o tempo de permanência do gás podem ser adaptados de forma adequada ao ajustar a altura do leito. Isso é possível, por exemplo, por meio de açudes, ou por meio de diferentes dimensões de zonas do espaço do reator que delimitam o leito fluidizado.

[0057] A altura do leito no leito fluidizado é, de preferência, 0,1-0,5 m, com mais preferência 0,3-0,4 m. É assim possível, no regime de processo da invenção, alcançar tempos de permanência de gás e tempos de permanência de partícula suficientes na redução de partículas contendo ferro óxido. A proporção de agente de redução não utilizado no gás de redução gasto está dentro de uma faixa economicamente aceitável quando o leito fluidizado tem uma altura de leito entre 0,1-0,5 metros, com a referida faixa incluindo 0,1 e 0,5.

[0058] O tempo de permanência do gás de redução no leito fluidizado é, de preferência, de 0,1 segundo a 10 segundos, com mais preferência, 1 segundo a 2 segundos. Quando o gás de redução permanece no leito fluidizado entre 1 e 2 segundos, com 1 e 2 sendo abrangidos pela respectiva faixa, a degradação do oxigênio é possível mesmo perto do equilíbrio, e a proporção de agente de redução não utilizado no gás de redução gasto está, então, dentro de uma faixa de aceitabilidade econômica particularmente boa.

[0059] Isso ocorre porque o objetivo, ao passar pelo leito fluidizado, é consumir uma quantidade máxima de agente de redução. Quanto menos agente de redução é consumido, mais gás de redução deve ser introduzido no leito fluidizado para uma determinada quantidade de partículas contendo ferro óxido, ou maior o custo e a inconveniência envolvidos na recirculação de agentes de redução não utilizados.

[0060] No regime do processo da invenção com relação à altura do leito e/ou ao tempo de permanência do gás, revelou-se também, de forma surpreendente, que há um aumento quase insignificante, na conversão de matéria devido à pressão elevada do gás de redução e isso pode levar a um aumento na proporção de agente de redução não utilizado no gás de redução gasto.

[0061] Por conseguinte, é possível trabalhar à pressão atmosférica ou à pressão ligeiramente elevada, de uma maneira que conserva recursos e é vantajosa para fins de segurança, sem sacrificar aumentos notáveis na conversão da matéria.

[0062] É dada preferência à recirculação do gás de redução gasto que sai do leito fluidizado, após o processamento, de volta ao leito fluidizado como um componente do gás de redução. Isso torna o processo mais econômico. O componente hidrogênio do gás de redução simplifica muito a recirculação na redução de partículas contendo ferro oxidado, uma vez que tudo o que deve ocorrer com relação a isso, além de uma separação de poeira que possa ser necessária, é uma separação do produto de reação de água, H2O.

[0063] Em uma variante de execução vantajosa, o leito fluidizado é fornecido com o mesmo gás de redução por toda parte; não importa se com base na composição, ou com base na temperatura, ou com base na pressão, ou com base em dois ou todos esses três parâmetros. Isso torna o processo simples de controlar e reduz a complexidade relacionada à usina.

[0064] Em outra variante de execução vantajosa, diferentes zonas do leito fluidizado são fornecidas com diferentes gases de redução, por exemplo, misturas de dois ou mais componentes em diferentes proporções, isto é, gás de redução de diferentes composições em cada caso; este pode ser gás de redução em temperatura diferente em cada caso, ou gás de redução em pressão diferente em cada caso; ou gases de redução que são diferentes em relação a dois ou todos esses três parâmetros. Isso é possível quando o leito fluidizado possui zonas diferentes. Desta forma, é possível reagir à presença de intermediários de reatividade diferente em zonas diferentes com gases de redução de reatividade diferente.

[0065] Um aparelho para a realização do processo da invenção pode ser executado conforme descrito a seguir. Ele compreende um reator de leito fluidizado adequado para guiar as partículas e o gás de redução na contracorrente dentro de um espaço do reator com bandejas distribuidoras para a formação do leito fluidizado. O espaço do reator tem pelo menos uma abertura de entrada para partículas contendo ferro óxido e pelo menos uma abertura de retirada para o produto de reação do espaço do reator. O aparelho também compreende pelo menos um conduíte de fornecimento de gás de redução para o fornecimento de gás de redução à bandeja de distribuição e pelo menos um conduíte de remoção de gás de redução para remoção de gás de redução gasto do espaço do reator.

[0066] "A" deve ser entendido como o artigo indefinido na expressão "em um espaço de reator".

[0067] O espaço do reator pode ser dividido em várias zonas ao longo de sua extensão, desde a abertura de entrada até a abertura de retirada. Isto pode ser realizado, por exemplo, por meio de barreiras ajustáveis, de preferência, que evitam a mistura cruzada das partículas de zonas adjacentes, vistas da abertura de entrada para a abertura de retirada, e permitem o estabelecimento controlado de zonas com diferentes alturas de leito. Isso também pode ser implementado pelo fato de que o reator de leito fluidizado compreende vários sub- reatores, os respectivos espaços de sub-reatores dos quais cada um forma as zonas individuais. A soma total dos sub-reatores é o reator de leito fluidizado e a soma total dos espaços do sub-reator é o espaço do reator de leito fluidizado. Os espaços de sub-reatores também podem ser divididos em várias zonas.

[0068] Em uma variante de execução, as zonas individuais podem ter diferentes dimensões na horizontal e/ou na vertical, de modo que o leito fluidizado em cada caso é de largura diferente, ou diferentes alturas máximas de leito são possíveis; desta forma, com rendimento constante, diferentes alturas de leito são alcançáveis em diferentes zonas.

[0069] Em uma variante, o reator de leito fluidizado compreende ou, se adequado, os sub-reatores compreendem, vários módulos do mesmo tipo. Isso permite uma configuração econômica com módulos pré-fabricados e um ajuste simples para diferentes demandas de capacidade.

[0070] O reator de leito fluidizado compreende, de preferência, múltiplos sub-reatores. Estes podem ser dispostos em sequência e/ou em paralelo. Eles são conectados, de preferência, um ao outro por meio de dispositivos de transferência. Em operação, as partículas são transferidas, por exemplo, de um sub-reator para o sub-reator adjacente visto na direção da abertura de entrada para a abertura de retirada ao longo do reator de leito fluidizado por meio dos dispositivos de transferência. Os dispositivos de transferência são adequados para transferir partículas sem a entrada de ar nos sub-reatores ou a saída de gás.

[0071] Múltiplos sub-reatores são, de preferência, empilhados um em cima do outro. Isso reduz o espaço necessário para o layout do aparelho para o desempenho do processo da invenção. As partículas fluem sob a gravidade de uma abertura de entrada superior para uma abertura de retirada inferior.

[0072] A bandeja distribuidora do reator de leito fluidizado é essencialmente horizontal. Isso inclui qualquer variação da horizontal de até 10°, de preferência inclui uma variação de até 5° e, com mais preferência, inclui uma variação de até 2°. No caso de variação excessiva a partir da horizontal, a altura do leito no leito fluidizado torna-se não homogênea ao longo da extensão longitudinal do leito fluidizado do local de entrada para o lado de retirada, o que tem um efeito adverso na capacidade de controle do tempo de permanência da partícula.

[0073] A bandeja distribuidora do reator de leito fluidizado ou de pelo menos um sub-reator é, de preferência, inclinada para baixo a partir da abertura de entrada em direção à abertura de retirada. Isso simplifica o fluxo das partículas em contracorrente, como é conhecido, por exemplo, de transportadores pneumáticos.

[0074] Em uma variante, cada zona tem um conduíte de alimentação de gás de redução dedicado. Em uma variante, um conduíte de alimentação de gás de redução dedicado abre em cada sub-reator. De preferência, esses conduíte de alimentação de gás de redução se originam de um conduíte central. O conduíte central fornece gás de redução para os conduítes de alimentação de gás de redução. O gás de redução fornecido através do conduíte central pode, por exemplo, ser gás de redução fresco, isto é, gás de redução que ainda não fluiu através do leito fluido, ou uma mistura de gás de redução fresco e um gás de redução recirculado, ou seja, gás de redução obtido a partir do processamento do gás de redução gasto.

[0075] Em uma variante, cada zona tem um conduíte de remoção de gás de redução dedicado. Em uma variante, um conduíte de remoção de gás de redução dedicado se origina de cada sub-reator. De preferência, todos os conduítes de remoção de gás de redução abrem em um conduíte de remoção coletiva que se abre para uma usina de processamento de gás. Na usina de processamento de gás, o gás de redução gasto é processado, por exemplo, despojado e seco. A combinação de todo o gás de redução gasto que sai do espaço de reação ou de suas zonas e/ou sub-reatores facilita a recirculação do mesmo no processo de redução para fins de processamento central.

[0076] O presente pedido fornece ainda um dispositivo de processamento de sinal com um código de programa legível por máquina, caracterizado pelo fato de que possui comandos de controle para o desempenho de um processo da invenção. Outro item do assunto é um dispositivo de processamento de sinal para o desempenho do processo, de acordo com qualquer uma das concretizações.

[0077] O presente pedido fornece ainda um código de programa legível por máquina para um dispositivo de processamento de sinal, caracterizado pelo fato de que o código de programa tem comandos de controle que fazem com que o dispositivo de processamento de sinal execute um processo da invenção. Outro item do assunto é um produto de programa de computador que compreende comandos para um dispositivo de processamento de sinal que, quando o programa para o dispositivo de processamento de sinal é executado, faz com que ele execute o processo, de acordo com qualquer uma das concretizações.

[0078] O presente pedido fornece ainda um meio de armazenamento que tem um código de programa legível por máquina da invenção armazenado nele. Outro item do assunto é um meio de armazenamento que tem um programa de computador armazenado nele, para o desempenho do processo, de acordo com qualquer uma das concretizações.

Breve Descrição dos Desenhos

[0079] A presente invenção é descrita a título de exemplo a partir daqui com referência aos múltiplos desenhos esquemáticos.

[0080] A figura 1 mostra o desempenho de um processo da invenção em uma seção através de uma câmara de reação esquemática;

[0081] a figura 2 mostra um esquema de uma disposição com múltiplos sub-reatores;

[0082] a figura 3 mostra a correlação teórica do ensino vigente e a correlação revelada pelos inventores entre a velocidade superficial U e o tamanho de partícula d. Descrição das Modalidades

EXEMPLOS

[0083] A figura 1 mostra um esquema de uma modalidade do processo da invenção. O processo é realizado no aparelho 1. As partículas contendo ferro óxido 2 com um tamanho de partícula de não mais do que 200 μm até uma extensão de pelo menos 90% em massa, no local de entrada A, são introduzidas continuamente através da abertura de entrada 3 em um leito fluidizado 4 no espaço de reator 5 de um reator de leito fluidizado 6, que é indicado por uma seta. Em uma variante, até 30% em massa das partículas contendo ferro oxidado podem ser menores do que 15 μm. O leito fluidizado 4 é formado no espaço do reator 5, em que as partículas são levantadas contra a gravidade por um gás de redução 8 que flui do fundo através de uma bandeja distribuidora 7, ilustrada pelas setas em bloco não preenchidas. No exemplo mostrado, o mesmo gás de redução 8 é fornecido por toda parte. A bandeja distribuidora 7 é indicada por lacunas no contorno inferior do espaço do reator 5; para melhor clareza, nem toda lacuna tem sua própria flecha em bloco, e nem todas as setas em bloco receberam o número de referência 8. Os óxidos de ferro nas partículas contendo ferro óxido 2 são reduzidos ao produto de redução 9 pelo gás de redução 8. O gás de redução 10 consumido pela redução dos óxidos de ferro nas partículas contendo ferro oxidado, representado por setas em bloco preenchidas, sai do leito fluidizado 4 no topo. O gás de redução 8 consiste, por exemplo, em hidrogênio H2 de pureza de grau técnico; de maneira correspondente, o gás de redução gasto 10 conterá, por exemplo, água H2O e hidrogênio, uma vez que nem todo o hidrogênio que flui no fundo será convertido. As partículas arrastadas para cima para fora do leito fluidizado pelo gás de redução gasto 10 não são mostradas separadamente. Em um ponto de retirada B, as partículas do produto de redução 9 são retiradas continuamente do leito fluidizado 4 no espaço do reator 5, o que é indicado por uma seta. O gás de redução 8 é guiado através do leito fluidizado 4 em corrente cruzada de cima para baixo a uma velocidade de mais de 0,05 m/s. A temperatura das partículas contendo ferro óxido 2 introduzidas é 849,85°C, por exemplo, e a temperatura do gás de redução de entrada 8 é 749,85 °C em toda a extensão. O produto de redução 9 tem uma temperatura, por exemplo, de 579,85°C.

[0084] No reator de leito fluidizado 6 mostrado de forma esquemática na figura 1 há, de preferência, uma pressão ligeiramente elevada de 200.000 Pa em relação ao ambiente.

[0085] O processo mostrado pode ser conduzido, por exemplo, de modo que a altura do leito no leito fluido 4 é de 0,1 a 0,5 m e/ou o tempo de permanência do gás é de 0,1 a 10 segundos, de preferência 1 a 2 segundos.

[0086] O gás de redução 8 é fornecido à bandeja distribuidora 7 através do conduíte de alimentação de gás de redução 11. O conduíte de alimentação de gás de redução 12 serve para remover o gás de redução gasto 10 do espaço de reator 5.

[0087] A figura 2 mostra um esquema de uma modalidade na qual um reator de leito fluidizado 13 compreende múltiplos sub-reatores 14, 16, 18, 20. Os sub-reatores são conectados de modo sequencial um ao outro; o sub-reator 14 está conectado na sua extremidade 15 ao sub-reator 16, que está conectado na sua extremidade 17 ao sub- reator 18. O sub-reator 18 está conectado na sua extremidade 19 ao sub-reator 20. As conexões são realizadas através dos dispositivos de transferência 21a, 21b, 21c. A abertura de entrada A para as partículas contendo ferro óxido 22 está presente no início 23 do sub-reator 14; a abertura de retirada B para o produto de reação 24 está presente na extremidade 25 do sub-reator 20. Os intermediários da redução das partículas contendo ferro óxido 22 para o produto de redução 24 são transferidos pelos dispositivos de transferência 21a, 21b, 21c em cada caso de um sub-reator a montante visto na direção da abertura de entrada A ao longo do leito fluido para a abertura de retirada B para o sub-reator a jusante. Enquanto o material sólido dentro do leito fluido (não mostrado separadamente), isto é, as partículas contendo ferro óxido, as partículas de intermediários e as partículas de produto de redução, flui da abertura de entrada A para a abertura de retirada B no reator de leito fluidizado 13 através de sub-reatores 14, 16, 18, 20 sucessivos, isto é, sequencialmente interconectados, dentro do leito fluido (não mostrado separadamente), isto é, partículas contendo ferro oxidado, partículas de intermediários e partículas de produto de redução, ele é submetido a um fluxo cruzado de redução gás (não mostrado separadamente).

[0088] No diagrama da figura 2, os sub-reatores 14, 16, 18, 20 são empilhados de modo vertical um em cima do outro. Eles são executados com base ligeiramente inclinada. Os conduítes de alimentação de gás de redução dedicados 26a, 26b, 26c, 26d se abrem em cada um dos vários sub-reatores 14, 16, 18, 20, todos os quais se original de um conduíte central 27, para melhor clareza, as conexões dos mesmos aos conduítes centrais 27 não são mostradas separadamente. Os respectivos conduítes de remoção de gás de redução dedicados 28a, 28b, 28c, 28d saem dos vários sub-reatores 14, 16, 18, 20, todos os quais se abrem em um conduíte de remoção coletiva 29, para melhor clareza, as conexões dos mesmos ao conduíte de remoção coletiva 29 não são mostradas separadamente. O conduíte de remoção coletiva 29 se abre em uma usina de processamento de gás 30, na qual o gás de redução gasto, por exemplo, é desempoeirado e seco. Por um conduíte de recirculação 31, o produto de processamento, hidrogênio desempoeirado e seco no caso do exemplo da figura 1, é enviado para o conduíte central 27 e, portanto, recirculado no processo como um componente do gás de redução junto com hidrogênio fresco H2 de outras fontes.

[0089] O leito fluidizado no reator de leito fluidizado 13 tem zonas múltiplas, há uma zona em cada sub-reator 14, 16, 18, 20. Por meio de diferentes dimensões dos sub-reatores 14, 16, 18, 20, mostrados de maneira esquemática na figura 2 por diferentes alturas, as diferentes zonas do leito fluidizado têm, cada uma, diferentes alturas de leito em um regime de processo contínuo.

[0090] Em uma variante do processo da invenção, seria possível fornecer às diferentes zonas diferentes gases de redução; esta variante não é mostrada separadamente.

[0091] Para maior clareza, não há uma descrição detalhada do fornecimento e da produção de hidrogênio H2 de outras fontes.

[0092] No geral, a temperatura, a pressão e a composição do gás de redução influenciam a cinética da reação, o que resulta em demandas no tempo de permanência do gás e no tempo de permanência da partícula, e também na altura do leito. A velocidade do gás de redução afeta a extensão da descarga do leito fluidizado e a quantidade de volume de gás de redução circulante. A cinética de reação e a velocidade do gás de redução, por sua vez, afetam a área de reação específica necessária.

[0093] A figura 3 mostra, com uma linha contínua, o valor esperado de acordo com o ensino vigente para a velocidade de fluidização teórica Ut para vários tamanhos de grãos d de partículas esféricas de DRI/minério de ferro a 749,85°C com hidrogênio H2 como gás de redução e uma pressão elevada de 200.000 Pa:

[0094] Conforme mostrado por uma linha pontilhada, é a correlação entre o tamanho de grão d e a velocidade de fluidização Umáx que está na variância com o ensino vigente e segue Umáx = (40000*d)A2,78.

[0095] A descrição de configurações vantajosas da invenção feita até aqui contém inúmeras características que são, em alguns casos, expressas com duas ou mais juntas nas concretizações individuais. No entanto, essas características também podem ser consideradas de forma adequada individualmente e combinadas para fornecer outras combinações viáveis. Mais particularmente, essas características são individualmente combináveis, em qualquer combinação adequada, em um processo da invenção.

[0096] Mesmo que a descrição ou as concretizações usem alguns termos respectivamente no singular ou em conjunto com uma palavra numérica, o escopo da invenção para esses termos não deve ser limitado ao singular ou à respectiva palavra numérica. Além disso, a palavra "um(a)" não deve ser entendida como "um", mas como o artigo indefinido.

[0097] As propriedades, características e vantagens da invenção conforme descrito, e a maneira pela qual são alcançadas, são elucidadas de uma maneira mais clara e mais distintamente compreensível em conjunto com a descrição do(s) exemplo(s) de trabalho da invenção que são elucidados em detalhes em conjunto com os desenhos. O(s) exemplo(s) de trabalho serve(m) para elucidar a invenção e não a limitam às combinações de características ali especificadas, nem mesmo em relação às características funcionais. Além disso, as características adequadas para o propósito de qualquer exemplo de trabalho considerado explicitamente de forma isolada, removidas de qualquer exemplo de trabalho, podem ser introduzidas em outro exemplo de trabalho para seu aumento e ser combinadas com qualquer uma das concretizações.

[0098] Mesmo que a invenção tenha sido elucidada em detalhes e descrita em detalhes pelo(s) exemplo(s) de trabalho preferido(s), a invenção não é limitada pelo(s) exemplo(s) divulgado(s) e outras variantes podem ser derivadas deles sem se afastar do escopo de proteção da invenção. Listagem de Referência 1 Aparelho para o desempenho de um processo da invenção 2 Partículas contendo ferro oxidado 3 Abertura de entrada 4 Leito fluidizado 5 Espaço de reator 6 Reator de leito fluidizado 7 Bandeja distribuidora 8 Gás de redução 9 Produto de redução 10 Gás de redução gasto 11 Conduíte de alimentação de gás de redução 12 Conduíte de remoção de gás de redução 13 Reator de leito fluidizado 14 Sub-reator 15 Extremidade 16 Sub-reator 17 Extremidade 18 Sub-reator 19 Extremidade 20 Sub-reator 21a,21b,21c dispositivos de transferência 22 Partículas contendo ferro 23 Início 24 Produto de reação 25 Extremidade 26a,26b,26c,2 6d Conduítes de alimentação de gás de redução 27 Conduíte central 28a,28b,28c,2 8d Conduítes de remoção gás de redução 29 Conduíte de remoção coletiva 30 Usina de processamento de gás 31 Conduíte de recirculação

Claims

1. Processo para redução direta de partículas contendo ferro oxidado (2) para um produto de redução (9) em um leito fluidizado (4) através do qual um gás de redução (8) que contém 30 a 100 % em mol de hidrogênio H2 flui em contracorrente, caracterizado pelo fato de que as partículas contendo ferro oxidado (2) introduzidas no leito fluidizado (4) têm um tamanho de grão menor ou igual a 200 micrômetros até uma extensão de pelo menos 90% em massa, e que a velocidade superficial U do gás de redução (8) que flui através do leito fluidizado (4) é definida entre 0,05 m/s e 1 m/s, de modo que fica acima da velocidade de fluidização teórica Ut e menor ou igual a Umáx para o tamanho de grão d = d30 das partículas contendo ferro oxidado (2) introduzidas no leito fluidizado (4), em que o valor teoricamente previsto Ut para um tamanho de grão d é de:

e Umáx é calculado a partir da correlação real encontrada entre o tamanho de partícula e a velocidade de fluidização para um tamanho de partícula d = d30: Umáx = (40000*d)A2,78.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é conduzido em uma temperatura entre 499,85°C a 849,85°C.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que é conduzido sob uma pressão de até 200.000 pascal.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que d30 não é mais do que 110 micrômetros para as partículas contendo ferro oxidado (2) introduzidas no leito fluidizado.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as partículas contendo ferro oxidado (2) introduzidas no leito fluidizado (2) estão entre 15 micrômetros e 100 micrômetros até uma extensão de pelo menos 50% em massa.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as partículas contendo ferro oxidado (2) estão presentes com menos do que 10 micrômetros com frações menor ou igual a 30% em massa.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o leito fluidizado (4) tem diferentes zonas com diferentes alturas de leito.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a altura do leito no leito fluidizado é 0,1 a 0,5 m, com mais preferência, 0,3 a 0,4 m.

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o tempo de permanência do gás de redução (8) no leito fluidizado (4) é de 0,1 segundo a 10 segundos, com mais preferência, 1 s a 2 s.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que gás de redução gasto (10) que sai do leito fluidizado (4), depois do processamento, é recirculado novamente no leito fluidizado (4) como um componente do gás de redução (8).

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o leito fluidizado (4) é fornecido com o mesmo gás de redução (8) ao longo dele.

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que diferentes zonas do leito fluidizado (4) são fornecidas com gás de redução (8) diferente.

13. Dispositivo de processamento de sinal, caracterizado pelo fato de que tem comandos de controle para a realização de um processo, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12.