BRPI0706710A2 - processo de redução e respectiva instalação - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE REDUçAO E RESPECTIVA INSTALAçAO A presente invenção se refere a um processo de redução e respectiva instalação, para a produção de ferro metálico por meio de redução direta do minério de ferro, em que uma coluna de redução é conectada a uma fonte de gás redutor, obtido de um gaseificador de carvão. Vantajosamente, o processo compreende uma etapa em que uma porção de todo o gás de síntese que entra no circuito da instalação é processada para separar o metano do restante dos componentes do dito gás de síntese. A vantajosa administração do metano extraído possibilita a todo o processo de redução ser otimizado, tornando a eficiência do processo independente do teor de metano no gás de síntese original e tornando possível controlar o teor de carbono de modo mais preciso e mais fácil.

Description

"PROCESSO DE REDUÇÃO E RESPECTIVA INSTALAÇÃO"

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um processo deredução e, também, uma instalação para um processo deredução, adequado particularmente para a produção de ferrometálico por meio de redução direta de minério de ferro,usando um gás de síntese apropriadamente processado, obtidode um gaseificador, como gás redutor.

Estado da Técnica

O produto obtido como resultado de um processo deredução direta é conhecido como DRI ("Direct Reduced Iron"- Ferro Diretamente Reduzido). O processo de redução diretaconverte minério de ferro em um produto de ferro altamentemetalizado. O minério de ferro pode se apresentar da formade minério em pedaços, em grânulos ou uma mistura dessescomponentes. O processo produz ferro reduzido contendoquantidades variáveis de carbono, preferivelmente, na formade Fe3C. Esse material é a matéria-prima ideal para fornosa arco elétrico usados na produção de aço de altaqualidade. Os sistemas de redução direta podem ser tambémintegrados com os sistemas a montante de usinas elétricasde fabricação de aço.

Os reformadores de metano (que utilizam vapor ougases de exaustão de redução de ferro) são normalmenteusados como fonte de gás redutor para esse processo.Gaseificadores à base de carvão ou outro combustível fóssilpodem também ser usados. Um diagrama do leiaute de umainstalação e de um processo relativo de redução direta, deacordo com o estado da técnica, se apresenta ilustrado nafigura 1. O gás redutor é produzido por meio de umgaseificador de carvão. 0 gás produzido por umgaseificador, conhecido como gás de síntese ou "syngas"pode variar consideravelmente, de acordo com as exigênciasdo usuário final.

No caso da redução direta, uma adequada e nãolimitativa composição de gás de síntese seco é mostrada natabela abaixo:

<table>table see original document page 3</column></row><table>

As reações ocorrem em um reator de coluna, noqual existe um fluxo descendente de material, na forma degrânulos ou pedaços, contendo óxidos de ferro,principalmente, hematita (Fe2C>3) . Existem descriçõesdetalhadas quanto ao reator de coluna na literatura e portal razão o mesmo não é aqui descrito.

Na medida em que o material sólido se movedescendentemente no reator, ele encontra uma corrente degás redutor circulando na direção oposta. 0 gás de exaustãosai do reator e circula ao longo de uma linha ou duto degás de exaustão. Depois de ser limpo e resfriado em umsistema de lavagem, o gás de exaustão é dividido em doispercursos de fluxo. Uma corrente é enviada como gáscombustível para os queimadores no sistema de aquecimentodo processo, enquanto a segunda corrente, conhecida comocorrente de gás de reciclo, é recirculada para aumentar aeficiência do sistema.

As correntes de gás usadas nos processos deredução direta são normalmente quantificadas com base naproporção existente entre os agentes redutor e oxidante,definida como:

η = (%H2 + %C0)/(%H20 + %C02) .

Essa proporção indica a capacidade do gás emreduzir os óxidos. A princípio, quanto maior for aproporção η no gás redutor que entra no reator, mais fácilserá para o gás reduzir os óxidos de ferro e menor será aquantidade específica do gás que se faz necessária; quantomenor for o valor de η na linha do gás de exaustão, maiseficiente será o processo de redução.

O gás de exaustão contém significativos níveis deH2O e CO2, os quais se formam durante a reação de redução eapresenta uma proporção η de aproximadamente 1,4; portanto,ainda contém significativos níveis de agentes redutores, osquais são recirculados, a fim de melhorar a eficiênciaglobal do processo.

A purificação e resfriamento executados pelodispositivo de purificação, também melhora o gás deexaustão, condensando o mesmo e eliminando a água produzidapelas reações de redução. Após resfriamento e purificaçãono dispositivo de purificação, o gás reciclado apresentauma proporção (η) de aproximadamente 3.

O gás reciclado é processado no compressor derecirculação e dividido em dois ou mais percursos oucorrentes de fluxo, um dos quais sendo ainda melhorado aoser processado em um apropriado aparelho de remoção de CO2,usando métodos e técnicas disponíveis no mercado, de modo aobter um gás descarburizado (η>15).

Nesse estágio, as duas adicionais correntes,respectivamente, de gás de processo recirculado e gásdescarburizado são misturadas com uma corrente de gás desíntese suprida por uma fonte externa, normalmente, umgaseificador de carvão, cuja função é, dessa forma,reintegrar os agentes redutores ao nível exigido para oprocesso de redução. O gás redutor frio obtido mediantemistura das três correntes apresenta uma proporção η maiorque 10.

O suprimento de energia que é necessário para asreações de redução, o gás redutor é submetido a pelo menosum processo de aquecimento. Um primeiro processo deaquecimento é executado em um dispositivo aquecedor deprocesso, em que o gás é aquecido a uma temperatura entre800°C e 950°C. Se necessário, um segundo processo deaquecimento pode ser executado mediante injeção de umacerta quantidade de oxigênio dentro do duto que se dirigeao reator, a fim de aquecer o gás a uma temperatura entre850°C e 1100°C. Embora prejudicial à quantidade global deagentes redutores no gás, a elevação de temperatura dessamaneira apresenta um efeito benéfico sobre a cinética deredução e melhora a eficiência global do processo.

Uma vez o mesmo tenha sido aquecido, o gásredutor é alimentado ao reator, onde reage com os óxidos deferro contidos na carga. As seguintes reações ocorrem:CO + 3 Fe2O3 - 2 Fe3O4 + CO2;H2 + 3 Fe2O3 - 2 Fe3O4 + H2O;CO + Fe3O4 -» 3 FeO + CO2;H2 + Fe3O4 3 FeO + H2O;CO + FeO - Fe + CO2;H2 + FeO -» Fe + H2O;

que podem ser agrupados dentro das seguintes reaçõesglobais:

Fe2O3 + 3 CO -» 2 Fe + 3 CO2;Fe2O3 + 3 H2 - 2 Fe + 3 H2O.

O gás redutor também contém uma certa quantidadede metano, vantajosamente, entre 5 e 15%, que reage com oCO2 e o H2O na zona de reação do reator, auxiliado peloferro metálico reduzido anteriormente que atua como umcatalisador, proporcionando o surgimento das seguintesreações de reforma:

CH4 + CO2 - 2 CO + 2 H2;CH4 + H2O - CO + 3 H2;

A reação global que é obtida é:CH4 + FeO - Fe + CO + 2 H2.

Com outros parâmetros sendo iguais, a quantidadede metano no gás redutor alimentado dentro do reatorapresenta um significativo efeito sobre a temperatura dacarga na zona reacional do reator; ambas as reaçõesglobais:

CH4 + FeO -> Fe + CO + 2 H2; e as reações de craqueamento:CH4 -> C + 2 H2, são reações endotérmicas e causam uma quedade temperatura na zona reacional. Uma vez que a qualidadedo produto e a cinética da reação e, conseqüentemente, aprodutividade da usina, dependem dessa temperatura, e umavez que as usinas conectadas a gaseificadores, de acordocom o estado da técnica, não são providas de meios paracontrolar a quantidade de metano no gás redutor que éalimentado ao reator, a possibilidade de controlar oprocesso na zona reacional do reator é extremamentelimitada. Além disso, se o gás de síntese utilizadoapresenta um alto teor de metano, isso irá resultar emexcesso de metano na linha de gás redutor que entra noreator, com a conseqüência de que a temperatura na zonareacional pode ser abaixo daquela exigida para umasuficiente redução dos grânulos de óxido.

Um segundo inconveniente que confirma o fato deser impossível controlar a quantidade de metano no gásredutor é o subseqüente alto nível de metano no gás deexaustão que deixa o reator. Se o gás que é geralmenteusado como combustível apresenta um alto valor calorífico,pode ocorrer um excesso de gás que seria necessariamenteenviado para queima, com uma subseqüente redução naeficiência global do processo.Outro inconveniente se refere ao fato de que nãoé fácil controlar o processo de carburização na zona decarburização.

A razão pela qual é importante se obter umproduto com teor de ferro reduzido e um determinado teor decarbono é o seu subseqüente uso em fornos elétricos (EAF)para a produção de aço. O carbono é usado como umsubstituto para a energia elétrica, a fim de reduzir oconsumo de eletricidade e, proporcionalmente, o desgastenos eletrodos e como uma fonte de CO, para se obter umaadequada escória espumada.

Além disso, o ferro diretamente reduzido (DRI) éaltamente reativo com oxigênio e com a umidade do ar, sendosubmetido a uma nova oxidação, o que também resulta naformação de misturas potencialmente explosivas. Por essarazão, o DRI seve ser somente estocado e transportado apósse submeter a processos específicos, notadamente,passivação, para reduzir sua reatividade com ar e água.

O produto obtido usando a instalação ilustrada nafigura 1 já foi passivado e não requer posteriortratamento. A passivação se deve a uma combinação dediversos fatores:

- a redução ocorre a uma temperatura acima de 800°C; esseprocesso reduz o tamanho dos poros dos grânulos de DRI, oque resulta em superfícies ativas mais fracas para oxidaçãoe obstrui a difusão de moléculas oxidantes no interior doDRI;

- o carbono é depositado na superfície do DRI e se liga aoferro metálico para causar a carburização, isto é, aformação de carbeto de ferro, por exemplo, cementita(FesC); a cementita produzida desse modo forma uma finacamada sobre a superfície dos grânulos de DRI, tornando assuperfícies expostas à oxidação inativas.

De um modo geral, a carburização é obtidamediante alimentação de uma certa quantidade de gás redutorcontendo metano dentro da parte inferior do forno deredução, que é conhecida como zona de carburização.

Na instalação da figura 1, a carburização éobtida mediante alimentação dentro da zona de carburizaçãode uma porção de gás redutor, submetido a pelo menos umprocesso de aquecimento ou gás de síntese proveniente dogaseificador de carvão. A temperatura e composição do gássão tais que produzem numerosas reações na zona decarburização, incluindo:

2 CO C + CO2 (Reação de Boudouard ou RCl) ;CO + H2 ^ C + H2O (Reação RC2) ;

CH4 C + 2 H2 (Reação de craqueamento ou RC3).

O carbono depositado sobre o DRI se liga então aoferro metálico para formar a cementita:

C + 3 Fe Fe3C.

As reações RCl e RC2 são termodinamicamentepromovidas por baixas temperaturas e altas pressões,enquanto o craqueamento é promovido por altas temperaturase baixas pressões. Quando as condições no interior da zonade carburização se modificam, o carbono é depositado sobreo DRI, conforme todos os mecanismos descritos acima.No entanto, a ativação desses diversos mecanismossignifica que não é fácil controlar o processo decarburização, o que complica a otimização do processoglobal de redução. Outro inconveniente dos processos deredução conhecidos no estado da técnica é que uma porção dogás de síntese que entra na instalação de redução é usadacomo um gás de resfriamento no vaso de resfriamento, o qualé disposto a jusante da zona de carburização. Pelo fato dogás de síntese apresentar um baixo calor específico, umagrande quantidade de gás deve ser obrigada a circularatravés do circuito de resfriamento, a montante do vaso deresfriamento, a fim de possibilitar um eficienteresfriamento. O aparelho usado para implementar o ditocircuito de resfriamento, tal como, um compressor, umresfriador final e um sistema para purificar o gás quedeixa o vaso, devem, todos, ser de tamanho bastante grandee também envolvem consideráveis custos de investimento.

Um inconveniente final dos sistemas de reduçãoconhecidos no estado da técnica que utilizam gás de sínteseproduzido por gaseificadores de combustível fóssil, como osgaseificadores de carvão, consiste no fato de que o gás desíntese produzido por tais gaseificadores nem sempre éadequado para uso como gás redutor em uma instalação deredução direta.

Esse gás pode ser tornado adequado para uso noprocesso de redução direta mediante uso, por exemplo, degaseificadores que utilizam um reator de coluna, no qual ogás é submetido a uma reação de desvio água-gás:CO + H2O - CO2 + H2,

Para se obter adicional hidrogênio como agente redutor oumediante uso de um reator de metanização para se produziradicional metano, para aumentar as propriedades calorificasdo gás. Portanto, por todas essas razões, não é possível seutilizar um forno de redução de coluna com um gaseificadorpadrão, o que torna o sistema global mais complexo.

Portanto, é sentida a necessidade de se produzirum novo processo e instalação de redução, que seja capaz desuperar os todos os inconvenientes descritos acima.

Resumo da Invenção

Um primeiro objetivo da presente invenção éproporcionar um processo de redução para a produção deferro metálico, cujo processo, pelo fato de compreender umaetapa em que uma porção ou todo o gás de síntese que entrano circuito da instalação é processado para separar ometano do restante dos componentes, que, dessa forma,possibilita um melhor controle do processo na zonareacional de redução do reator, torna a eficiência doprocesso independente do teor de metano no gás de síntese,isto é, da qualidade do gás de síntese que é utilizado.

Outro objetivo da presente invenção é implementarum processo que também permita a fase de carburização sercontrolada direta e completamente, a fim de evitar a re-oxidação do ferro metálico.

Um adicional objetivo da presente invenção éutilizar um gás com alto valor calorífico no circuito deresfriamento do reator, dessa forma, reduzindo a quantidadede gás necessária para resfriar a carga e,subseqüentemente, reduzir o tamanho do equipamentonecessário ao circuito a fim de processar o dito gás deresfriamento.

Outro objetivo da presente invenção épossibilitar uma melhor exploração do CH4 e, dessa forma,melhorar a eficiência do processo. Além disso, o presenteprocesso proporciona condições mais favoráveis para odispositivo aquecedor principal de gás. O teor mais baixode CH4 no gás que entra no. dispositivo aquecedor reduz orisco de decomposição, devido ao craqueamento do metano.

Um objetivo final da presente invenção éproporcionar uma instalação de redução direta, que sejacapaz de executar o processo acima mencionado.

A presente invenção alcança os objetivosdescritos acima mediante um processo para redução direta deminério de ferro, realizado em uma instalação quecompreende um forno gravitacional, tendo, pelo menos, umazona de redução de minério de ferro na parte superior domesmo e, pelo menos, uma zona de deposição de carbono e umazona de resfriamento de produto metálico reduzido na parteinferior do mesmo e, ainda, dispositivo para alimentação deminério de ferro, dispositivo para movimentação de minériode ferro, de modo a movimentar o minério no interior doforno, dispositivo para descarga do produto metálicoreduzido, dispositivo para alimentação de uma mistura degás redutor dentro de pelo menos uma seção do reator, emcorrespondência com a zona de redução, dispositivo paraprocessamento do gás de exaustão e de pós, dito processocompreendendo as seguintes etapas:

a) extração do gás de exaustão do reator, usando umdispositivo de extração;

b) purificação e resfriamento do gás de exaustão em umprimeiro sistema de purificação, de modo a eliminar a águaproduzida pelas reações de redução;

c) divisão do dito gás de exaustão em um primeiro e segundopercursos de fluxo;

d) envio da primeira corrente como gás combustível para osqueimadores no dispositivo de aquecimento;

e) recirculação da segunda corrente para melhorar aproporção (η) entre os teores de gás redutor e gás oxidanteda mesma, compreendendo as etapas de:

f) processamento da segunda corrente em um compressorde recirculação;

g) divisão da segunda corrente em terceira e quartacorrentes de gás de recirculação, e

h) remoção do CO2 da terceira corrente de gás derecirculação, a fim de aumentar a dita proporção (η)mediante um dispositivo de remoção de CO2;

i) mistura das ditas terceira e quarta correntes nodispositivo de mistura com um gás de síntese suprido poruma fonte externa, a fim de reintegrar a quantidade de gásredutor necessária para reduzir o minério de ferro, de modoa definir uma mistura de gás redutor;

j) aquecimento da mistura de gás redutor nodispositivo de aquecimento para uma temperatura entre 800°Ce 950°C ;

k) alimentação da mistura de gás redutor que deixa odispositivo de aquecimento dentro da zona reacional doreator, através de um dispositivo de alimentação;

1) no estágio (i) , pelo menos, uma porção da correntede gás de síntese suprida pela fonte externa é obrigada apassar através de um dispositivo de processamento paraseparar o metano puro do gás de síntese, formando umaquinta corrente de metano puro e uma sexta corrente de gásredutor, compreendendo os gases redutores CO e H2;

m) a dita sexta corrente é misturada com a ditamistura de gás redutor mediante o dito dispositivo demistura;

n) uma porção da dita quinta corrente de metano puro éalimentada dentro da zona de deposição de carbono, umaporção dentro da zona de resfriamento, uma porção dentro dodispositivo de alimentação que se dirige para a zona deredução do reator e uma porção dentro dos queimadores dodispositivo aquecedor.

0 processo de acordo com a presente invenção évantajosamente realizado por meio de uma instalação pararedução direta de minério de ferro, adequada paraimplementação de um processo de redução do tipo descritoacima, compreendendo um forno gravitacional, tendo, pelomenos, uma zona de redução de minério de ferro na partesuperior do mesmo e, pelo menos, uma zona de deposição decarbono e uma zona de resfriamento de produto metálicoreduzido na parte inferior do mesmo e, ainda, dispositivopara alimentação de minério de ferro, dispositivo paramovimentação, de modo a movimentar o minério no interior doforno, dispositivo para descarga do produto metálicoreduzido, dispositivo para alimentação de uma mistura degás redutor dentro de pelo menos uma seção do reator, emcorrespondência com a zona de redução, dispositivo paraprocessamento do gás de exaustão e de pós, dita instalaçãosendo caracterizada pelo fato de compreender:

- um dispositivo de processamento para separar o metanopuro de, pelo menos, uma porção de uma corrente de gás desíntese suprido por uma fonte externa, de modo a formar umacorrente de metano puro e uma corrente de gás redutor,compreendendo CO e H2;

- um duto para levar a corrente de gás redutor provenientedo dispositivo de processamento (16) para o dispositivo demistura, para ser misturada com uma mistura de gás redutor,que é derivado de uma mistura do gás de exaustão processadocom uma parte do gás de síntese;

- um duto para levar o metano puro para quatro pontos dainstalação, os ditos quatro pontos compreendendo um dutoque se dirige para o dispositivo de alimentação, na zona deredução do reator, um duto que se dirige para a zona dedeposição de carbono, um duto que se dirige para a zona deresfriamento e um duto que se dirige para os queimadores dodispositivo de aquecimento.

Vantajosamente, a separação do gás de síntese queentra na instalação dentro de uma corrente de metano puro euma corrente consistindo de agentes redutores, tais como,CO e H2, torna possível a:

- enviar a corrente de gás redutor para a linha de gásredutor frio, a montante de um primeiro processo deaquecimento, dessa forma, melhorando o valor redutor dodito gás; e

controlar, usando apropriados dispositivos de ajuste,tais como, válvulas, a quantidade de metano no gás redutorque deve ser alimentado dentro da zona reacional do reator,através da adição de uma predeterminada quantidade demetano puro, a jusante do dito primeiro processo deaquecimento, protegendo o dispositivo aquecedor do risco dedecomposição devido aos níveis excessivos de metano.

Ao controlar a exata quantidade de metano no gásredutor, é também possível controlar diretamente aquantidade de metano na zona reacional, a fim de melhorar aqualidade do produto, otimizar a cinética da reação e,dessa forma, a produtividade da instalação.

Uma segunda vantagem do processo de acordo com apresente invenção consiste no fato de que esse novoprocesso torna mais fácil controlar o processo decarburização. Ao alimentar metano puro apenas dentro dazona de carburização, a única reação que ocorre no interiorda dita zona é a reação de craqueamento, a qual, além deproduzir dois volumes de gás redutor por volume de metanoreduzido, é uma reação endotérmica e ajuda a controlar atemperatura da carga.

O uso de CH4 como vetor de carburização ajuda areduzir o teor de CH4 no gás reciclado, evitando umaexcessiva administração do mesmo.

Outra vantagem consiste no fato de que o metanopuro pode também ser usado separadamente como gás deresfriamento. Uma vez que o metano puro apresenta um calorespecifico mais alto que dos outros componentes do gás desíntese, é possível se reduzir a quantidade de gás quecircula no circuito de resfriamento. 0 circuito deresfriamento, portanto, pode compreender equipamentosmenores, o que envolve custos de investimento mais baixos.

As reivindicações anexas ao presente pedido depatente descrevem as modalidades preferidas da invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

Adicionais características e vantagens dapresente invenção se tornarão evidentes a partir daseguinte descrição detalhada de uma modalidade preferida,porém, não exclusiva, de uma instalação de redução, a qualé simplesmente ilustrativa e não limitativa, tendo a ajudade desenhos anexos, em que:

- a figura 1 é um diagrama de um leiaute de uma instalação,de acordo com o estado da técnica;

- a figura 2 é um diagrama de um leiaute de uma instalação,de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas da Invenção

Com referência à figura 2, é ilustrado um leiautede uma instalação de redução, adequada para realização doprocesso de acordo com a presente invenção.

A dita instalação proporciona a conexão por meiode um circuito de instalação, indicado como um todo pelareferência numérica (40), de eixo ou coluna de redução(30), com uma fonte externa (11) supridora de gás desíntese, também conhecido como "syngas", o qual é usadocomo gás redutor e é produzido, por exemplo, através de umgaseificador de carvão.

O eixo ou coluna de redução (30) compreende, decima para baixo:

- uma zona de alimentação de minério de ferro (21);

um reator ou coluna (1) para a redução direta deminerais;

- uma zona de carburização (3); e

- um vaso de resfriamento (4).

O reator ou coluna (1) produz ferro metálicoquente ou DRI, a partir de óxidos, na forma de grânulose/ou de pedaços, que são descendentes devido ao efeito dagravidade dentro da zona de carburização (3) . O vaso deresfriamento (4), disposto a jusante, por sua vez, édiretamente conectado a um dispositivo de descarga por meiode uma perna dinâmica de vedação a gás (22) . Uma segundaperna dinâmica de vedação a gás (23) é disposta entre azona de alimentação (21) e o reator (1) . Assim, existe umúnico fluxo de material proveniente da alimentação datremonha do eixo ou coluna de redução (30) para a base doeixo ou coluna.Na medida em que o material sólido circuladescendentemente através do reator (1), ele encontra umacorrente de gás redutor que circula na direção oposta, aqual é alimentada dentro da zona reacional (2) do ditoreator, dita zona sendo de formato substancialmentecilíndrico.

De acordo com a modalidade preferida mostrada nafigura 2, a zona reacional (2) compreende duas zonas, deredução e reforma (2', 2''), dentro das quais duascorrentes de gás redutor são alimentadas, de modo amelhorar a distribuição e suprimento de energia térmica nadita zona reacional (2) . A corrente de gás redutor é entãodividida em duas partes e distribuída entre dois dutos(26', 26''), dotados de seus respectivos alimentadores,superior e inferior. A corrente ou mistura de gás redutor épreferivelmente dividida entre os alimentadores superior einferior, numa proporção de aproximadamente 30/70, com umamaior proporção sendo designada para o alimentadorinferior. A dita divisão é executada pelos respectivosdispositivos de ajuste, tais como, válvulas ou bocaisadequadamente dimensionados. Também, são possíveis outrasmodalidades, caracterizadas por um número de alimentadorese dutos relativos diferente de dois.

O gás de exaustão é extraído do reator mediante*um dispositivo de extração relativa e circula ao longo deuma linha ou duto de gás de exaustão (24). Depois de serpurificado e resfriado em um sistema de purificação (5) ,também conhecido como dispositivo purificador, paraeliminação da água produzida pelas reações de redução, essegás de exaustão é dividido em dois percursos de fluxo. Umacorrente é enviada como gás de combustível para osqueimadores do dispositivo aquecedor (9), ao longo do duto(28); a segunda corrente é recirculada para aumentar aproporção (η) entre os agentes redutores e oxidantes, sendochamada de corrente de gás reciclado (28'). 0 gás derecirculação ou reciclado é processado no compressor derecirculação (6) e em um dispositivo resfriador (7), casoseja provido o dito dispositivo resfriador e depoisdividido em mais dois percursos ou correntes de fluxo(28'') e (28'''). A proporção (η) da corrente (28'') éainda aumentada para o valor entre 15 e 35, medianteprocessamento do gás em um adequado equipamento (8), pararemoção do CO2, a fim de se obter uma corrente de gás derecirculação descarburizada.

Essas correntes de gás recirculado descarburizadoe não-descarburizado (28''') são depois misturadas no dutode mistura (25) com uma corrente de gás de síntese supridapela fonte externa (11), a fim de reintegrar a quantidadede agentes redutores necessários para o processo deredução. 0 gás redutor frio, obtido através da mistura dastrês correntes descritas acima, que circula através do duto(32) possui uma proporção (η) superior a 10.

Para suprir a quantidade de energia requeridapelas reações de redução, o gás redutor frio no duto demistura (25) é submetido a pelo menos um processo deaquecimento, quando ele alcança os queimadores dodispositivo aquecedor (9), no qual a temperatura do gás éaquecida entre 800°C e 950°C, preferivelmente, superior a920°C. O gás redutor quente que deixa o dispositivoaquecedor (9) circula através de um duto (26), dirigidopara dentro da zona reacional (2) do reator (1).

Vantajosamente, pelo menos uma porção do gás desíntese suprido pela fonte externa (11) circula através deoutro duto (33), provido de um dispositivo de processamento(16) adequado para separar o metano, cujo teor no gás desíntese se dispõe entre aproximadamente 5% e 15%, dorestante do fluxo gasoso. 0 dito dispositivo (16) consiste,por exemplo, de um circuito criogênico. Na saída do ditodispositivo de processamento, dois novos percursos oucorrentes de fluxo são obtidos: uma corrente de metanopuro, que circula através do duto (18) e uma corrente degás redutor puro, compreendendo os agentes redutores CO eH2, que circula através de um duto (17) dirigido paradentro do duto de mistura (25) . Alternativamente, odispositivo de processamento pode consistir de um circuitobaseado no uso de dispositivos de separação física, taiscomo, membranas ou peneiras moleculares ou de sistemas deabsorção química.

A circulação de metano puro através do duto (18)é vantajosamente usada em quatro diferentes pontos docircuito (40) .

Uma primeira porção predeterminada de metano puroé desviada ao longo de uma linha ou duto (19) dirigida aoduto (26) . A instalação é vantajosamente provida de umprimeiro dispositivo de ajuste (não ilustrado no desenho),para controlar a quantidade de metano puro que é alimentadadentro do duto de gás redutor (26) , de modo a otimizar asreações de redução e reforma.

Ao controlar o teor de metano no gás redutor queentra no reator (1) é possível diretamente controlar oprocesso de redução na zona reacional (2) do reator,mediante um apropriado ajuste da temperatura da carga nazona reacional, preferivelmente, para uma temperatura entre800 e 900°C e, dessa forma, a cinética da reação. Aquantidade total de metano na linha ou duto (26), dessaforma, é controlada e mantida constante, sem que seconsidere a composição do gás de síntese que é utilizado.

Um segundo processo de aquecimento pode serproporcionado, a jusante do ponto no qual o metano éalimentado dentro do duto (26), mediante injeção de umapredeterminada quantidade de oxigênio puro ou de arenriquecido com oxigênio dentro do dito duto (26), de modoa produzir uma combustão parcial de CO e H2 e aquecer o gásredutor a ser introduzido para uma temperatura entre 850°Ce 1100°C.

Após submissão ao adicional processo deaquecimento, a corrente de gás redutor é alimentada dentrodo duto (26', 26'') e, depois, dentro da zona (2') e zona(2''), para redução e reforma.

Embora prejudicial ao número global de agentesredutores no gás, a elevação da temperatura através do ditosegundo processo de aquecimento, apresenta um efeitobenéfico sobre a cinética da reação e melhora a eficiênciaglobal do processo. Nesse ponto, o gás redutor aquecido,compreendendo uma predeterminada percentagem de metanopuro, é alimentado dentro do reator, onde reage com osóxidos de ferro da carga a ser reduzida.

Uma segunda predeterminada porção de metano puroé alimentada dentro da zona de carburização (3) , através doduto (15), e constitui o único gás carburizante.Vantajosamente, isso torna possível controlar o processo decarburização direta e completamente: o carbono é apenasdepositado na zona de carburização (3) devido aocraqueamento do metano, que impede o disparo de outrosprocessos reacionais mais complexos, os quais sãoprejudiciais ao valor de (η) do gás; e a quantidade decarbono no produto metálico final, preferivelmente, entre1,5% e 4%, pode ser controlada diretamente, mediantesimples ajuste da vazão do gás carburizante, utilizando osegundo dispositivo de ajuste relativo. O ferro metálicoreduzido com uma fina camada de carbeto de ferro sobre asuperfície, deixa a zona de carburização (3) enquanto aindaquente, a uma temperatura entre aproximadamente 500 e650°C. O material permanece na zona (3) por um período deaproximadamente 1-2 horas, vantajosamente, uma hora e meia;o derrame de material da zona (3) é controlado por meios deconexão com o vaso de resfriamento (4) (não ilustrado nafigura 2) , que compreende, por exemplo, uma válvula parasólidos ou um duto que vai em frente. No caso de umaválvula para sólidos, esta também tem a função de evitarque o gás de resfriamento usado no vaso (4) alcance a zonade carburização (3) e a zona reacional (2) , vantajosamente,separando as zonas reacionais da zona de resfriamento e deevitar que o produto metálico disposto abaixo tenha desuportar uma coluna excessivamente alta de material.

Uma terceira predeterminada porção de metano puroé desviada do duto (18) dentro da linha ou duto (2)dirigido para o circuito de resfriamento (20'), queabastece a zona (4'') em formato de cone do vaso deresfriamento (4).

A alimentação de metano puro dentro do ditocircuito (20') sob uma velocidade controlada pelosapropriados terceiros dispositivos de ajuste, tornavantajosamente possível reduzir a quantidade de gás quecircula através do dito circuito de resfriamento. O metanopossui um calor especifico maior que dos outros componentesdo gás de síntese suprido pela fonte externa (11) para ocircuito de resfriamento (20') através de um duto (27). Oaumento da quantidade de metano, mesmo que seja de 100%, nogás que circula através do circuito (20'), reduz aquantidade de gás que deve circular através do circuitopara se obter um resfriamento ótimo. Assim, a introdução demetano puro dentro do circuito de resfriamento (20'),vantajosamente, torna possível implementar um circuito emque os equipamentos dispostos ao longo da linha de retornoproveniente do vaso de resfriamento (4), por exemplo, umcompressor (13), um dispositivo pós-resfriador (14) e umdispositivo lavador (12) , são menores que aqueles usadospor sistemas convencionais. 0 gás que deixa o circuito deresfriamento (20') entra no vaso (4) através de umdispositivo (não ilustrado) localizado na zona em formatode cone (4''), capaz de radialmente distribuir o gás, demodo que o mesmo entra em contato com o material a serresfriado. O dito terceiro dispositivo de ajuste controla osuprimento de metano puro dentro do circuito (20'), de modoque o gás que entra no vaso (4) se encontra em umatemperatura, preferivelmente, entre 35 e 50°C. O produtometálico assim resfriado e passivado é depois descarregadopor meio de um dispositivo de descarga, o qual consiste,por exemplo, de um transportador vibratório. 0 ditodispositivo de descarga é sincronizado com a válvula parasólidos, de modo que a quantidade de material no interiordo vaso de resfriamento (4) permanece substancialmenteconstante. Se o dispositivo de conexão compreender um únicoduto, a velocidade do material circulante proveniente dazona de carburização (3) para o vaso (4) será controladadiretamente pelo dispositivo de descarga, o qual é dispostoa jusante

Outra vantagem do processo e instalação de acordocom a invenção consiste no fato de que a introdução dentrodo duto de mistura (25) de gás redutor puro, compreendendoos agentes redutores CO e H2, e contendo metano, tambémresulta em uma redução da quantidade de carbono que édepositada, devido ao craqueamento que ocorre nodispositivo aquecedor (9). A deposição de carbono nos tubosaquecedores depende de como as seguintes reações sãoneutralizadas:

2 CO -> C + CO2 (Reação de Boudouard ou RCl) ;CO + H2 - C + H2O (Reação RC2);

CH4 C + 2 H2 (Reação de craqueamento ou RC3) ;

e o craqueamento do metano é particularmente promovidodentro da faixa de temperatura entre 400 e 950°C (a faixade operação do dispositivo aquecedor). Assim,vantajosamente, o nivel reduzido de metano no gás redutorfrio que entra no dispositivo aquecedor reduz apossibilidade de craqueamento durante o processo deaquecimento e, dessa forma, a deposição de carbono, com aconseqüência de que a vida de manutenção do dispositivoaquecedor é prolongada. Vantajosamente, quantidadesespecificas do gás de síntese podem ser enviadas ao longodo duto (29) para os queimadores do dispositivo aquecedor(9) e, se for de utilidade para o processo, o metano puroque circula através do duto (18) pode ser misturado compredeterminadas quantidades de gás de síntese, através dalinha ramificada (29') do dito duto (29). Finalmente, umacorrente de metano puro tomada do duto (18) pode serenviada diretamente para os queimadores do dispositivoaquecedor (9) através do duto (31), se o metano produzidopelo dispositivo de processamento ou separador (16) excedera quantidade requerida pelo processo. São também providosdispositivos de controle da vazão do metano puro, enviadodiretamente para os queimadores.

Portanto, o processo e a instalação de acordo coma invenção permitem um completo controle dos principaisparâmetros do processo de redução, tais como, por exemplo,a temperatura e a proporção (η), nas diversas zonas dainstalação, dessa forma, tornando o processo mais estável.A disposição da instalação mostrada na figura 2, em que ometano pode ser extraído a partir do gás de síntese dechegada, também significa que a eficiência do processo éindependente do teor de metano no dito gás de síntese.

Além disso, a dita instalação não exigeadicionais fontes externas de metano puro, com asrespectivas entradas de alimentação a serem providas nocircuito. Outra vantagem consiste no fato de que ogaseificador conectado à instalação de acordo com ainvenção, não necessita mais ser provido com componentesque não estejam diretamente ligados à produção do gás desíntese em questão. O metano extraído do gás de síntesepode ser usado conforme descrito acima, como também, podeser armazenado ou enviado para outros usuários. Asmodalidades específicas descritas no presente documento nãosão limitativas e o presente pedido de patente cobre todasas modalidades alternativas da invenção, conformeestabelecido nas reivindicações seguintes.

Claims (20)

1. Processo para redução direta de minério deferro, realizado por meio de uma instalação que compreendeum forno gravitacional, tendo pelo menos uma zona deredução (2) de minério de ferro na parte superior do mesmo,e, pelo menos, uma zona de deposição de carbono (3) e umazona de resfriamento (4) de produto metálico reduzido naparte inferior do mesmo e, ainda, dispositivo paraalimentação de minério de ferro, dispositivo demovimentação, para movimentar o minério de ferro nointerior do forno, dispositivo para descarga do produtometáli co reduzido, dispositivo para alimentação de umamistura de gás redutor dentro de pelo menos uma seção doreator, em correspondência com a zona de redução (2),dispositivo para processamento do gás de exaustão e de pós,dito processo sendo caracterizado pelo fato de compreenderas seguintes etapas:a) extração do gás de exaustão do reator, usando umdispositivo de extração;b) purificação e resfriamento do gás de exaustão em umprimeiro sistema de purificação (5), de modo a eliminar aágua produzida pelas reações de redução;c) divisão do dito gás de exaustão em um primeiro e segundopercursos de fluxo;d) envio da primeira corrente (28) como gás combustívelpara os queimadores no dispositivo de aquecimento (9);e) recirculação da segunda corrente (28') para melhorar aproporção (η) entre os teores de gás redutor e gás oxidanteda mesma, compreendendo as etapas de:f) processamento da segunda corrente em um compressorde recirculação (6);g) divisão da segunda corrente em terceira e quartacorrentes de gás de recirculação (28'') e (28'''), eh) remoção do CO2 da terceira corrente de gás derecirculação (28''), a fim de aumentar a dita proporção (η)mediante um dispositivo de remoção de CO2;i) mistura das ditas terceira e quarta correntes(28'') e (28''') no dispositivo de mistura (25) com umacorrente de gás de síntese suprida por uma fonte externa(11), a fim de reintegrar a quantidade de gás redutornecessária para reduzir o minério de ferro, de modo aformar uma mistura de gás redutor;j) aquecimento da mistura de gás redutor nodispositivo de aquecimento (9) para uma temperatura entre800°C e 950°C;k) alimentação da mistura de gás redutor que deixa odispositivo de aquecimento (9) dentro da zona reacional (2)do reator, através de um dispositivo de alimentação (26);l) no estágio (i) , pelo menos uma porção da correntede gás de síntese suprida pela fonte externa (11) éobrigada a passar através de um dispositivo deprocessamento (16) para separar o metano puro do gás desíntese, formando uma quinta corrente de metano puro (18) euma sexta corrente (17) de gás redutor, compreendendo osgases redutores CO e H2;m) a dita sexta corrente (17) é misturada com a ditamistura de gás redutor mediante o dito dispositivo demistura (25);n) uma porção (15) da dita quinta corrente de metanopuro é alimentada para dentro da zona de deposição decarbono (3), uma porção (20) para dentro da zona deresfriamento (4), uma porção (19) para dentro dodispositivo de alimentação (26) que se dirige para a zonade redução e uma porção (31) para dentro dos queimadores dodispositivo aquecedor (19).

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que na etapa (f), a segundacorrente é processada em um dispositivo refrigerador (7).

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que a dita mistura de gásredutor, obtida mediante mistura da corrente de gás desíntese com as ditas terceira, quarta e quinta correntes,apresenta um valor da proporção (η) superior a 12.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de que a mistura de gás redutor éaquecida, preferivelmente, a uma temperatura acima de 910°C.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato de que a jusante da etapa (j)existe, pelo menos, um adicional processo de aquecimento(10) de mistura de gás redutor

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que o adicional processo deaquecimento é implementado mediante injeção de umapredeterminada quantidade de oxigênio e/ou ar dentro dodispositivo de alimentação (26), de modo a trazer atemperatura da mistura de gás redutor para uma faixa entre- 850°C e 1100°C.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que a porção da quinta correntede metano puro que é alimentada dentro da zona deresfriamento (4) do reator (1) é primeiro resfriada em umcircuito de resfriamento (20') que supre a dita zona deresfriamento (4).

8. Processo, de acordo com quaisquer dasreivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que aquantidade de carbono no produto metálico reduzido écontrolada diretamente, mediante ajuste da vazão da porção(15) da quinta corrente a ser alimentada dentro da zona dedeposição de carbono (3), através de respectivosdispositivos de ajuste e mediante controle de seu valorcalorifico, através de uma corrente de gás de sínteseproveniente de um duto (29').

9. Processo, de acordo com quaisquer dasreivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que avazão da porção (20) da quinta corrente a ser alimentadadentro do circuito de resfriamento (20') é controladaatravés de respectivos dispositivos de ajuste, a fim demanter a dita porção da corrente a uma temperatura entre 35e 50°C na entrada da zona de resfriamento (4).

10. Processo, de acordo com quaisquer dasreivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que avazão da porção (19) da quinta corrente a ser alimentadadentro do dispositivo de alimentação (26) é controladaatravés dos respectivos dispositivos de ajuste, a fim deotimizar as reações de redução e reforma.

11. Instalação para redução direta de minério deferro, adequada para implementação de um processo deredução de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, compreendendo um forno gravitacional (1), tendo, pelomenos, uma zona de redução de minério de ferro (2) na partesuperior do mesmo e, pelo menos, uma zona de deposição decarbono (3) e uma zona de resfriamento (4) de produtometálico reduzido na parte inferior do mesmo e, ainda,dispositivo para alimentação de minério de ferro,dispositivo para movimentação de minério de ferro nointerior do forno, dispositivo para descarga do produtometálico reduzido, dispositivo (26) para alimentação de umamistura de gás redutor dentro de, pelo menos, uma seção doreator, em correspondência com a zona de redução (2),dispositivo para processamento do gás de exaustão e de pós,dita instalação sendo caracterizada pelo fato decompreender:- um dispositivo de processamento (16) para separar ometano puro de, pelo menos, uma porção de uma corrente degás de síntese suprido por uma fonte externa (11), de modoa formar uma corrente de metano puro e uma corrente de gásredutor, compreendendo CO e H2;um duto (17) para levar a corrente de gás redutorproveniente do dispositivo de processamento (16), para odispositivo de mistura (25), para ser misturada com umamistura de gás redutor, que é derivado de uma mistura dogás de exaustão processado com uma parte do gás de síntese;- um duto (18) para levar o metano puro para quatro pontosda instalação, os ditos quatro pontos compreendendo um duto(19)que se dirige para o dispositivo de alimentação (26),na zona de redução (2) do reator, um duto (15) que sedirige para a zona de deposição de carbono (3), um duto(20)que se dirige para a zona de resfriamento (4) e umduto (31) que se dirige para os queimadores do dispositivode aquecimento (9).

12.Instalação, de acordo com a reivindicação 11,caracterizada pelo fato de que o dito dispositivo deprocessamento consiste de um circuito criogênico (16).

13.Instalação, de acordo com a reivindicação 11,caracterizada pelo fato de que o dito dispositivo deprocessamento consiste de um circuito baseado no uso dedispositivos de separação física, tais como, membranas oupeneiras moleculares ou sistemas de absorção química (16).

14.Instalação, de acordo com as reivindicações12 ou 13, caracterizada pelo fato de que entre a dita zonade resfriamento (4) e o dito duto de alimentação (20)existe um circuito de resfriamento (20'), o qual compreendeum compressor (13), um dispositivo refrigerador (14) e umsegundo sistema de purificação (12), dispostos ao longo dalinha de retorno da zona de resfriamento (4).

15.Instalação, de acordo com a reivindicação 14,caracterizada pelo fato de que o dito dispositivo dealimentação compreende um duto (26) para alimentação dadita mistura de gás redutor dentro da zona de redução (2).

16. Instalação, de acordo com a reivindicação 15,caracterizada pelo fato de que o dito dispositivo demistura consiste de um duto de mistura (25).

17. Instalação, de acordo com a reivindicação 16,caracterizada pelo fato de que entre um primeiro sistema depurificação (5) e o dito dispositivo para remoção de CO2(8), se dispõe um compressor (6) para recirculação de umaporção do gás de exaustão e, possivelmente, um segundodispositivo refrigerador (7).

18. Instalação, de acordo com a reivindicação 17,caracterizada pelo fato de ser provida de dispositivos (10)para injeção de uma predeterminada quantidade de oxigêniodentro do duto de alimentação (26) .

19.

Instalação, de acordo com a reivindicação 18,caracterizada pelo fato de ser provida de respectivosdispositivos para ajustar a vazão de metano puro,respectivamente, no duto (19) dirigido ao duto dealimentação (26) , no duto (15) dirigido para a zona dedeposição de carbono (3), no duto (20) dirigido para ocircuito de resfriamento (20') e no duto (31) dirigido paraos queimadores do dispositivo aquecedor (9).