BRPI0719172A2

BRPI0719172A2 - Processo e dispositivo para produção de material fundido

Info

Publication number: BRPI0719172A2
Application number: BRPI0719172-3A2A
Authority: BR
Inventors: Franz Hauzenberger; Robert Millner; Norbert Rein; Johannes Schenk; Martin Schmidt; Bogdan Vuletic; Kurt Wieder; Johann Wurm
Original assignee: Siemens Vai Metals Tech Gmbh
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2014-04-15
Also published as: AR063265A1; CA2665763A1; AU2007312665A1; KR20090068351A; RU2009117865A; CL2007002941A1; DE102006048601A1; JP2010506046A; US20100024599A1; EP2082066A1; WO2008046503A1; MX2009003725A; ZA200902093B; TW200827452A; CN101528948A

Description

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA PRODUÇÃO DE MATERIAL FUNDIDO

A invenção refere-se a um processo para produção de metal fundido, sendo que oxigênio, agente de redução e ferro reduzido ao menos em um reator de redução são introduzidos em um gaseificador de fusão, o agente de redução é gaseificado com o oxigênio e pelo calor então resultante é fundido o ferro reduzido, sendo que o gás de cúpula do gaseificador de fusão é empregado como ao menos uma fração do gás de redução, e sendo que gás de topo reagido é extraído do reator de redução, bem como a uma instalação para execução do processo, com um reator de redução, um gaseificador de fusão com adução de oxigênio e um sistema de adução para agente de redução, ao menos um conduto para a adução do gás de cúpula do gaseificador de fusão ao reator de redução e ao menos um conduto para a extração do gás de topo do reator de redução.

Em altos-fornos são insuflados diversos gases contendo carbono, como gás natural, gás de forno de coque, etc., por "Windform" ou no plano Bosh, visando a poupar 20 coque e aumentar a economicidade, como descrito já por exemplo na GB 883 998 A. Uma vaporização de gás de alto- forno não é econômica devido ao elevado teor de CO2, N2 e ao baixo teor de H2.

Em instalações de redução a fusão, como descritas

2 5 por exemplo na DE 3 6 2 8 102 Al, oxigênio com uma

temperatura de 25 0C e uma pureza de > 95 % em vol é insuflado pelos bocais no gaseificador de fusão para gaseificar os agentes de redução (predominantemente carvão e briquete de carvão) e disponibilizar o requerido calor

3 0 para a fusão do ferro reduzido. O gás de cúpula do gaseificador de fusão (ESV) é empregado para a redução indireta em um poço de redução de leito sólido (FBRS) ou em reatores de camada turbulenta (WSR). Devido ao falho aproveitamento de gás no FBRS ou WSR resultam um elevado 5 consumo específico de carvão ou briquete de carvão e um elevado excesso de energia no gás de exportação.

Pelo acoplamento da operação de gaseificador de fusão com o reator de redução resulta uma oscilante metalização da esponja de ferro de 70 - 90 %. Por exemplo, 10 um aumento da temperatura do leito de carbonização e cúpula no gaseificador de fusão conduz a menor quantidade de oxigênio requerida, mas também a uma diminuição do gás de redução. Devido a essa diminuição cai também a metalização no poço de redução de leito sólido ou reator de camada 15 turbulenta, o que por sua vez produz uma queda da temperatura do leito de carbonização e de cúpula no gaseificador de fusão. Mas isso leva a maior demanda de oxigênio, de maneira que a quantidade de gás de redução aumenta e novamente cresce a metalização. Em virtude do

2 0 longo trecho de regulagem, portanto, não é possível uma

operação estável do gaseificador de fusão (inclusive devido à desintegração do carvão) e elevados consumos específicos de agente de redução são a conseqüência.

Além disso, a temperatura de chama adiabática 25 (RAFT) resultante quando da gaseificação do carvão com oxigênio se situa acima de 3.000 0C (teoricamente), com o que é favorecida a redução do SiO2 para Si e, portanto, o ferro bruto pode ter altos teores de silício. Por isso, frequentemente é necessário um tratamento posterior

3 0 adicional, para se obter os desejados valores de Si de 0,4 - 0,5 % em peso.

O gás de exportação purificado, que se compõe do gás de alto-forno do agregado de redução direta e do gás de cúpula do gaseificador de fusão, apresenta a seguinte 5 análise típica com 150 kPag: 45 % em vol. de CO, 30 % em vol. de CO2, 19 % em vol. de H2, 3 % em vol. de H2O e 3 % em vol. de N2. Devido ao excesso de gás, deve ser aduzido a um tratamento e otimização de energia total.

0 objetivo da presente invenção foi, portanto,

indicar um processo e uma instalação como descrito no início, em que com elevada eficiência de energia e matéria prima possa ser também aumentada a produtividade, obtendo- se simultaneamente melhores qualidades metalúrgicas do produto.

Para atingimento desse objetivo, o processo segundo

a invenção é caracterizado pelo fato de que ao menos uma parte do gás de topo extraído é introduzida no gaseificador de fusão. Graças a essa vaporização, são possíveis significativas economias de carvão e briquete de carvão

2 0 como agente de redução no gaseificador de fusão, que são substituídos pela adução de redutores (CO, H2) do gás de recirculação. Além disso, é obtido um resfriamento da zona de turbulência e do leito de carbonização por queda específica da temperatura de chama, que resulta em virtude

2 5 da reação endotérmica do carvão, de briquete de carvão ou

de coque com os componentes do gás e craqueamento do metano.

Vantajosamente, então, o gás reconduzido é comprimido.

3 0 Segundo uma outra variante vantajosa do processo é previsto que o gás reconduzido é resfriado entre a compressão e a introdução no gaseificador de fusão, de preferência para 30 a 50 0C, e o teor de dióxido de carbono é reduzido, de preferência para 2 a 3 % em vol. A vantagem 5 é então maior quantidade de gás no leito de carbonização para a redução de gás indireta, isto é, mais trabalho de redução no gaseificador de fusão.

Quando, em correspondência a uma outra variante, ao menos uma parte do gás reconduzido é apenas comprimida, ao 10 menos uma outra parte do gás reconduzido é apenas resfriada e seu teor de dióxido de carbono reduzido, e o gás comprimido e reduzido em dióxido de carbono é misturado antes da introdução no gaseificador de fusão, a influência sobre as propriedades no gaseificador de fusão pode ser 15 dosada ainda mais exatamente.

Para tanto pode também ser previsto que o gás reconduzido e em todo caso resfriado e reduzido em dióxido de carbono seja aquecido antes da introdução no gaseificador de fusão, de preferência com emprego de uma 20 corrente parcial do gás reconduzido como gás combustível. Pelo pré-aquecimento do gás de recirculação pode ser maximizada a quantidade de gás reconduzível sem queda da temperatura de chama (RAFT) adiabática aquém de um baixo limite indesejável com desvantagens para a metalurgia. 25 Resultam assim uma adicional redução vantajosa da matéria prima empregada e uma adicional possibilidade de controle do processo.

Segundo uma variante do processo de acordo com a invenção, pode ser previsto que seja reformada apenas uma

3 0 corrente parcial do gás reconduzido com maiores hidrocarbonetos e com emprego de uma outra corrente parcial do gás reconduzido como gás combustível.

Vantajosamente, então, o gás reconduzido reformado é misturado com o gás apenas comprimido e/ou o gás resfriado e reduzido em dióxido de carbono antes da introdução no gaseificador de fusão.

Segundo uma outra variante vantajosa do processo é ainda previsto que partículas co-transportadas no gás de cúpula são separadas e reconduzidas ao gaseificador de 10 fusão, sendo que uma parte do gás apenas comprimido e/ou do gás resfriado e reduzido em dióxido de carbono é misturado para o transporte das partículas reconduzidas.

Segundo uma outra variante do processo de acordo com a invenção, pode ser previsto que por meio da 15 quantidade e/ou da temperatura e/ou da fração de CO2 do gás reconduzido é controlada a temperatura de chama adiabática teórica na zona de turbulência, com o que é possível um controle específico dos processos metalúrgicos.

Graças a cada uma das possibilidades de intervenção

2 0 descritas individualmente, mas também em combinação das

mesmas, é possível um eficiente controle da temperatura de chama adiabática teórica na zona de turbulência.

A instalação descrita no início para atingimento do objetivo segundo a invenção é caracterizada por ao menos um conduto de retorno derivado do conduto para o gás de topo e conduzindo ao gaseificador de fusão.

Para minimizar então o risco de incêndio ou de explosão, o conduto de retorno para o gás se estende até à embocadura da adução de oxigênio, paralelamente à mesma.

3 0 Vantajosamente, no conduto de retorno está inserido um compressor.

Uma forma de execução vantajosa da instalação é caracterizada, segundo a invenção, pelo fato de que entre o compressor e a adução de oxigênio estão inseridos um 5 dispositivo de resfriamento e um estágio de redução de dióxido de carbono, sendo que este último pode também reduzir o teor de vapor de água ou eliminá-lo completamente.

Pode ser então previsto que a saída do compressor e a saída do estágio de redução de dióxido de carbono conduzam a um conduto de adução comum para adução de oxigênio ao gaseificador de fusão.

Para se poder maximizar por pré-aquecimento do gás de recirculação a quantidade de gás reconduzível, sem 15 desvantagens para a metalurgia devido à forte queda da temperatura de chama (RAFT) adiabática, depois da reunião da saída do compressor e da saída do estágio de redução de dióxido de carbono está previsto um dispositivo de aquecimento. Resultam assim uma adicional redução vantajosa 2 0 da matéria prima empregada e uma adicional possibilidade de controle do processo.

De acordo com outra característica vantajosa da invenção, segundo a qual o dispositivo de aquecimento opera com gás combustível, sendo que antes ou depois do

2 5 compressor parte uma derivação do conduto de retorno e

conduz à conexão de gás combustível do dispositivo de aquecimento, o emprego de matéria prima pode ser reduzido e, com isso, ainda mais aumentada a eficácia da instalação.

Vantajosamente, entre o compressor e a adução de

3 0 oxigênio está inserido um reformador. Nesse caso, também o consumo de matérias primas pode ser reduzido na medida em que, segundo uma forma de execução vantajosa do conduto de retorno parte uma derivação e conduz a uma conexão de gás combustível do 5 reformador.

Uma outra forma de execução da instalação segundo a invenção é caracterizada pelo fato de que em ramificações paralelas do conduto de retorno estão previstos tanto um dispositivo de resfriamento e um estágio de redução de 10 dióxido de carbono como também um reformador, ramificações paralelas que conduzem a um conduto de adução comum para a adução de oxigênio ao gaseificador de fusão.

De preferência, em ao menos um conduto para o gás de cúpula está previsto um separador de partícula, de cuja descarga de partícula conduz uma recondução de partícula ao gaseificador de fusão, sendo que uma derivação do conduto de retorno desemboca na recondução de partícula.

Na descrição a seguir a invenção será mais detalhadamente explicada com auxílio de um exemplo de

execução preferido e com referência ao desenho em apenso.

A um poço de redução 1 é aduzido minério de ferro em pedaço ou em forma de pelete, eventualmente com fundentes não queimados. Através de dispositivos de descarga 2, a esponja de ferra produzida no poço de redução 25 1 é introduzida no topo de um gaseificador de fusão 3. No fundo do gaseificador de fusão 3 se acumulam ferro bruto líquido e acima dele escórias líquidas, que são extraídas de preferência descontinuamente pelas sangrias apropriadas. De um poço de reserva 4 é aduzido ao gaseificador de fusão 30 3 um agente de gaseificação, de preferência carvão ou briquete de carvão, em todo caso misturado com sub- granulado peneirado do minério de ferro, pois senão não poderia ser empregado para o processo de redução. Através de condutos de gás 5, na região inferior do gaseificador de fusão 3 é aduzido um gás contendo oxigênio.

0 gás de redução produzido é conduzido para fora do topo do gaseificador de fusão 3 através de um conduto 6, liberado em um ciclone de gás de aquecimento 7 de componentes sólidos, especialmente carvão desgaseificado em

forma fina e de pó e passa então através de um conduto 8 para o poço de redução 1. Nele O gás de redução atravessa a coluna de minério de ferro e fundentes em contra-corrente e reduz então o minério de ferro para esponja de ferro.

O pó de carvão desgaseificado, separado no ciclone

de gás de aquecimento 7 e outros insumos em forma de partículas são reconduzidos ao gaseificador de fusão 3, de preferência gaseificados quando da entrada no mesmo por queimadores de pó dispostos na parede do gaseificador de fusão 3, aos quais é aduzido também gás contendo oxigênio.

2 0 O gás de redução ao menos parcialmente consumido é

extraído na extremidade superior do poço de redução 1 através de um conduto de gás de topo 9 e, após uma lavagem no lavador a úmido 10 aduzido como gás de exportação devido ao excesso de gás para um tratamento e otimização de

2 5 energia total. Gás de redução empregado para a regulagem de

pressão da instalação, depois da lavagem no misturador a úmido 11, ou é misturado com o gás de exportação ou reconduzido através do conduto 12 como gás de resfriamento para o conduto 6 antes do ciclone de gás de aquecimento 7.

3 0 Especialmente vantajoso é o aproveitamento de ao menos uma parte do gás de topo extraído, ou após lavagem do gás de exportação, por recondução ao próprio processo, a saber, por recondução e introdução no gaseificador de fusão 3. Para essa finalidade, o gás de topo a ser reconduzido é 5 derivado depois do lavador a úmido 10 através de um conduto 13 por meio de um compressor 14 com uma pressão de aspiração tão alta quanto possível e comprimido. Vantajosamente, também gás de redução não necessário depois do lavador a úmido 11 através de um outro conduto 15 já 10 antes da mistura ao gás de exportação pode ser derivado e reconduzido.

O gás de topo reconduzido pode, segundo uma primeira variante, depois do resfriamento intermediário para 3 0 - 50 0C no refrigerador 16 e redução do teor de CO2 15 para 2 - 3 % em vol na instalação 17 para remoção de CO2, através de lanças 18, que estão introduzidas nos bocais de oxigênio, pode ser vaporizado no gaseificador de fusão 3, sendo que o conduto de retorno para o gás de topo se estende até à embocadura da adução de oxigênio 2 0 paralelamente à mesma. Uma parte desse gás a ser tratado pode ser derivada e misturada para o transporte das partículas a serem reconduzidas do ciclone de gás de aquecimento 7. Além da economia de carvão e briquete de carvão como agente de redução no gaseificador de fusão

2 5 mediante adução de redutores como por exemplo CO ou H2 do

gás de topo reconduzido pode também ser obtido um resfriamento da zona de turbulência e do leito de carbonização mediante abaixamento específico da temperatura de chama devido à reação endotérmica do carvão, do briquete

3 0 de carvão ou do coque com os componentes de gás e craqueamento do metano, sendo que são determinantes as seguintes reações:

C + CO2 -» 2 CO ΔΗ298 = +173 kJ/mol

C + H2O -> CO + H2 AH298 = +132 kJ/mol

CH4 2 H2 + C ΔΗ293 = +74 kJ/mol

Pela instalação do compressor 14 e eventualmente da instalação de remoção de CO2 17 com trocador de calor 16 pré-conectado, ou de um forno de gás de redução/reformador

21 resultam também como vantagens que são possíveis maiores 10 potências de fusão e, com isso, um aumento da produtividade, que por emprego reduzido de agente de redução também pode ser obtida uma redução das emissões de CO2 específicas por tonelada de ferro bruto, que é possível uma redução dos custos operacionais e, com isso, uma rápida 15 amortização dos custos de investimento adicionais por custos de agente de redução para carvão, briquete de carvão, coque. Também seria concebível o aproveitamento como substitutivo de nitrogênio em queimadores de pó.

Em todo caso, o gás de topo pode também ser aplicado diretamente, sem utilização do calor de compressão sensível. Para a regulagem do teor de CO2, aproximadamente em função da temperatura do leito de carbonização ou de cúpula, podem também ser misturadas duas correntes de gás.

O gás de topo reconduzido pode ser aquecido após a

2 5 remoção de CO2 também opcionalmente por meio de um forno de

gás de redução 19 (por convecção, regeneração), aquecimento elétrico, queimador de plasma ou trocador de calor (utilização do calor sensível de gás de processo p.ex. gás de topo antes do "scrubber"), etc. Quando da utilização de

3 0 um forno de aquecimento de redução 19 uma parte do gás de topo derivado pelo conduto 2 0 é empregado como gás combustível.

Quando do aquecimento do gás de topo reconduzido antes da introdução no gaseificador de fusão 3 por um trocador de calor, de preferência é aproveitada a energia térmica do gás de topo antes do lavador a úmido 10. Resulta assim como vantagem o aumento da eficácia de energia do processo por menores quantidades de água de processo requeridas para o resfriamento do gás de topo, o que significa uma redução da demanda de energia das bombas de água do processo. Além disso, é reduzido o calor descarregado do gás de topo para a água de processo, que se perde por torres de resfriamento ou produz perdas de água no sistema por vaporização, que devem ser continuamente compensadas.

Alternativamente, o gás de topo reconduzido pode também ser reformado com hidrocarbonetos superiores (p.ex. gás natural) em um reformador 21, sendo que para o calor de reação endotérmico é empregada uma parte do gás de topo aduzido através de um conduto 22 como gás combustível.

A quantidade de gás de redução do gaseificador de fusão 3, aumentada devido à recondução de gás, é utilizada para o aumento da produção no estágio de redução 1 (poço ou camada turbulenta) e/ou para uma constante metalização. A 25 constante metalização é obtida pelo desacoplamento do gaseificador de fusão 3 e do poço de redução I. Uma quantidade de gás de redução suficiente em todo tempo permite uma constante metalização no poço de redução 1. Assim não são necessárias grandes alterações da quantidade

3 0 de oxigênio a ser aduzida ao gaseificador de fusão 3 para adaptação do equilíbrio térmico, o que conduz a uma temperatura de leito de carbonização constante, menor desintegração de carvão e, portanto, estável operação do gaseificador de fusão 3 com pouco consumo de agente de 5 redução específico. Uma otimização da operação do gaseificador de fusão conduz a uma quantidade menor de agente de redução para o poço de redução de leito fixo 1 (FBRS) ou em reatores de leito turbulento (WSR) da instalação, que é compensada pela recondução de gás de topo 10 ao total.

Além disso, resulta assim uma rápida possibilidade de regulagem, redução do teor de silício no ferro bruto mediante menor temperatura de chama adiabática e operação de gaseificador de fusão mais estável, para minimizar a 15 redução de silício, que tem lugar a altas temperaturas, em correspondência à seguinte fórmula:

SiO2 + 2C Si + 2CO AH298 = +690 kJ/mol

Além do teor de silício pode também ser obtida uma redução do teor de enxofre no ferro bruto, pois devido à

2 0 recondução do gás de topo com apenas 1 a 100 ppm H2S ocorre uma alimentação de enxofre essencialmente menor do que com emprego exclusivo de carvão, briquete de carvão ou coque.

Finalmente, pela recondução de gás é essencialmente facilitado o ajuste da velocidade de bocal necessária e de uma suficiente penetração da zona de turbulência com menores taxas de fusão.

Claims

1. Processo para produção de metal fundido, sendo que oxigênio, agente de redução e ferro reduzido ao menos em um reator de redução (1) são introduzidos em um gaseificador de fusão (3), o agente de redução é gaseificado com o oxigênio e pelo calor então resultante é fundido o ferro reduzido, sendo que o gás de cúpula do gaseificador de fusão (3) é empregado como ao menos uma fração do gás de redução, e sendo que gás de topo reagido é extraído do reator de redução (1) e ao menos uma parte do gás de topo extraído é introduzida no gaseificador de fusão (3) e o gás reconduzido é comprimido, caracterizado pelo fato de que o gás reconduzido é resfriado entre a compressão e a introdução no gaseificador de fusão (3) e o teor de dióxido de carbono é reduzido, e/ou ao menos uma corrente parcial do gás reconduzido é reformado com hidrocarbonetos superiores e com emprego de uma outra corrente parcial do gás reconduzido como gás combustível, e sendo que por meio da quantidade e/ou da temperatura e/ou da fração de CO2 do gás reconduzido é controlada a temperatura de chama adiabática teórica na zona de turbulência.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ao menos uma parte do gás reconduzido é apenas comprimida, ao menos uma outra parte do gás reconduzido é apenas resfriada e seu teor de dióxido de carbono reduzido, e sendo que o gás comprimido e reduzido em dióxido de carbono é misturado antes da introdução no gaseificador de fusão (3).

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações I ou 2, caracterizado pelo fato de que o gás reconduzido e em todo caso resfriado e reduzido em dióxido de carbono é aquecido antes da introdução no gaseificador de fusão (3) , de preferência com emprego de uma corrente parcial do gás reconduzido como gás combustível.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o gás reconduzido reformado é mistura com o gás apenas comprimido e/ou o gás resfriado e reduzido em dióxido de carbono antes da introdução no gaseificador de fusão (3).

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que partículas co-transportadas no gás de cúpula são separadas e reconduzidas ao gaseificador de fusão (3), sendo que uma parte do gás apenas comprimido e/ou do gás resfriado e reduzido em dióxido de carbono é mistura para o transporte das partículas reconduzidas.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que o gás reconduzido é resfriado para 3 0 até 50 0C entre a compressão e a introdução no gaseificador de fusão (3).

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fatõ de que o teor de dióxido de carbono é reduzido para 2 a 3 % em vol.

8. Instalação para produção de metal fundido, com um reator de redução (1), um gaseificador de fusão (3) com adução de oxigênio (5) e um sistema de adução (4) para agente de redução, ao menos um conduto (6, 8) para a adução do gás de cúpula do gaseificador de fusão (3) ao reator de redução (1) e ao menos um conduto (9) para a extração do gás de topo do reator de redução (1) , com ao menos um conduto de retorno (13, 18) derivando do conduto para o gás de topo e conduzindo ao gaseificador de fusão (3) , sendo que no conduto de retorno (13, 18) está inserido um compressor (14), caracterizada pelo fato de que entre o compressor (14) e a adução de oxigênio (5) estão inseridos um dispositivo de resfriamento (16) e um estágio de redução de dióxido de carbono (17), e sendo que entre o compressor (14) e a adução de oxigênio (5) está inserido um reformador (21) , sendo que em ramais paralelos do conduto de retorno (13, 18) estão previstos tanto um dispositivo de resfriamento (16) e um estágio de redução de dióxido de carbono (17) como também um reformador (21), sendo que os ramis paralelos conduzem a um conduto de adução (18) comum para a adução de oxigênio (5) ao gaseificador de fusão (3).

9. Instalação, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que ó conduto de retorno (13, 18) pra o gás se estende até a embocadura da adução de oxigênio (5) paralelamente à mesma.

10. Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizada pelo fato de que a saída do compressor (14) e a saída do estágio de redução de dióxido de carbono (17) conduzem a um conduto de adução (18) comum para adução de oxigênio (5) ao gaseificador de fusão.

11. Instalação, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que depois da reunião da saída do compressor (14) e da saída do estágio de redução de dióxido de carbono (17) está previsto um dispositivo de aquecimento (19).

12. Instalação, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o dispositivo de aquecimento (19) opera com gás combustível, sendo que antes oü depois do compressor (14) parte uma derivação (20) do conduto de retorno (13) e conduz à conexão de gás combustível do dispositivo de aquecimento (19).

13. Instalação, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que do conduto de retorno (13) parte uma derivação (22) e conduz a uma conexão de gás combustível do reformador (21).

14. Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8, 9, 10, 11, 12 ou 13, caracterizada pelo fato de que em ao menos um conduto (6) para o gás de cúpula está previsto um separador de partícula (7), de cuja descarga de partícula conduz uma recondução de partícula ao gaseificador de fusão (3), sendo que uma derivação do conduto de retorno (18) desemboca na recondução de partícula.