BRPI0909766B1 - método para separar gás de alto forno - Google Patents

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Ida Hiroyuki
Nasu Masaru
Haraoka Takashi
Nakagawa Tsuguhiko
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Jfe Steel Corp
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Abstract

método para separar gás de alto forno a presente invenção refere-se a um método para separar gás de alto forno inclui as etapas de: produzir ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de pelo menos 25% em volume, queimar o ar enriquecido com oxigênio dentro de um alto forno através de ventaneira fornecida em uma parte inferior do alto forno, e gerar um gás de alto forno reformado separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio em um gás de alto forno descarregado de um topo do alto forno.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO PARA SEPARAR GÁS DE ALTO FORNO.
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um método para separar e remover o dióxido de carbono e o nitrogênio contidos em um gás de alto forno descarregado de um topo do alto forno para usar o gás de alto forno como um gás combustível ou gás de redução.
DESCRIÇÃO DAS TÉCNICAS RELACIONADAS
O gás de alto forno descarregado a partir do topo do forno de um alto forno para fabricar ferro fundido reduzindo o minério de ferro é eficazmente usado como um gás combustível para fogão quente e forno de coque e como um gás combustível para geração de energia em siderurgias integradas.
No entanto, o gás de alto forno tem uma composição de monóxido de carbono: 21,1 a 26,2% em volume, dióxido de carbono: 19,3 a 23,2% em volume, hidrogênio: 2,9 a 5,3% em volume, e nitrogênio: 52,5 a 59,2% em volume, contém poucos componentes de gás combustível e tem um baixo valor de aquecimento de 3031 a 3784 kJ (723 a 903 kcal/Nm3) (refere-se a Handbook of Steel and Iron, 4- edição (CD-ROM), n2 1, vol. 2, iron and steel making, publicado em 30 de julho de 2002, Tabela 42-5.7 (2000)). Assim, quando o gás de alto forno sozinho é usado como um gás combustível, a temperatura do gás de combustão é baixa e assim o gás de alto forno não é apropriado para utilização em alta temperatura. Isto é porque as quantidades de componentes de gás combustível tal como hidrogênio, monóxido de carbono e metano são baixas, e o calor gerado pela combustão destes componentes de gás combustível é usado para aumentar a temperatura dos componentes de gás inerte, tal como nitrogênio e dióxido de carbono, salvo os componentes de gás combustível. Assim, o gás de alto forno é misturado com um gás de subprodutos de alto teor calórico tendo um valor de aquecimento de 2000 kcal/Nm3 ou mais, tal como gás de forno de coque ou gás conversor que também é um gás de subprodutos de siderurgias como com o gás de alto forno, e usado nas utilizações acima mencionadas. O gás obtido misturando o gás de alto forno e gás de forno de coque e/ou gás conversor é denominado gás misturado ou gás M.
Com relação às quantidades de gases de subprodutos gerados nas siderurgias, a quantidade de gás de alto forno gerado é notavelmente maior do que as de outros gases de subprodutos. A fim de usar o gás de alto forno, grandes quantidades de gás de forno de coque e gás conversor são consumidas como o gás para carburação. Em particular, recentemente, a operação de alto fornos é comutada de injeção de óleo para injeção de carvão pulverizado e, assim, a quantidade de gás de alto forno gerado tende a aumentar. À medida que a quantidade de gás de alto forno gerado aumenta, o consumo de gás de subprodutos de alto teor calórico para carburação também aumenta. Assim, a deficiência de gás de subprodutos de alto teor calórico que é usado em fornos de aquecimento a jusante das siderurgias torna-se uma preocupação. Os combustíveis obtidos por aquisição, tal como LPG e LNG, são usados como a alternativa para o gás de subprodutos de alto teor calórico.
Assim, um número de propostas é feito para reformar os alto fornos para aumentar o valor de aquecimento de modo que o gás de alto forno possa ser usado sozinho.
A Publicação do Pedido de Patente JP não-Examinado n- 2004309067 propõe a separação e a remoção de dióxido de carbono de um gás de alto forno descarregado de um topo do alto forno para produzir um gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento de 900 kcal/Nm3 ou mais alto e que este gás de alto forno reformado é usado como um substituto para toda ou parte de pelo menos um do gás de alto forno, gás de forno de coque, gás conversor e gás LPC. A Publicação do Pedido de Patente JP não-Examinado n- 2004-309067 propõe que o gás de alto forno reformado também seja usado como um gás de redução para reduzir o minério de ferro em um forno de redução.
A Publicação do Pedido de Patente JP não-Examinado na 55113814 propõe que um gás de alto forno reformado fabricado removendo o dióxido de carbono de um gás de alto forno seja aquecido e injetado dentro de um alto forno de modo que o gás de alto forno possa ser reciclado.
A Publicação do Pedido de Patente JP não-Examinado n2 62193622 propõe um método para fabricar um gás enriquecido com monóxido de carbono e hidrogênio respectivamente e seletivamente separando o dióxido de carbono e o nitrogênio contidos em um gás de alto forno por adsorção usando um adsorvente baseado em alumina e um poliestireno poroso.
No entanto, estas técnicas conhecidas têm os seguintes problemas.
De acordo com as Publicações dos Pedidos de Patente JP nãoExaminados n2s 2004-309067 e 55-113814, somente o dióxido de carbono é separado e removido a partir de gás de alto forno e nitrogênio, que totaliza cerca de 50% em volume do gás de alto forno, é deixado não removido. O valor de aquecimento após a modificação é somente cerca de 1050 kcal/Nm3 na melhor das hipóteses. O aumento no valor de aquecimento é menor e os efeitos obtidos pela modificação são poucos.
A Publicação do Pedido de Patente JP não-Examinado n2 62193622 descreve a fabricação de gás rico em monóxido de carbono e hidrogênio removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio do gás de alto forno. No entanto, o valor de aquecimento do gás rico em monóxido de carbono e hidrogênio do Exemplo na Publicação do Pedido de Patente JP nãoExaminado n2 62-193622 é menor do que 1000 kcal/Nm3. É improvável que o dióxido de carbono e o nitrogênio sejam suficientemente removidos.
Além do mais, o teor de nitrogênio no gás de alto forno antes da separação e remoção de dióxido de carbono e nitrogênio é tão alto quanto 55% em volume, e a quantidade de gás de alto forno a ser tratado é grande. Assim, o custo para a separação e a remoção de dióxido de carbono e nitrogênio é alto. O mesmo problema ocorre com as Publicações dos Pedidos de Patente JP não-Examinados η% 2004-309067 e 55-113814.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
É um objetivo de a presente invenção fornecer um método para separar um gás de alto forno pelo qual dióxido de carbono e nitrogênio podem ser separados eficazmente a um baixo custo, de um gás de alto forno descarregado de um topo do alto forno.
Para obter este objetivo, a presente invenção propõe um método para separar um gás de alto forno que pode ser sumarizado como a seguir.
[1] . Um método para separar um gás de alto forno, o método incluindo as etapas de:
produzir ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de pelo menos 25% em volume;
soprar o ar enriquecido com oxigênio para dentro de um alto forno através de ventaneiras fornecidas em uma parte inferior do alto forno; e gerar um gás de alto forno reformado separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio em um gás de alto forno descarregado de um topo do alto forno.
[2] . O método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], sendo que o ar enriquecido com oxigênio tem uma concentração de oxigênio de 25 a 96% em volume.
[3] . O método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], sendo que o gás de alto forno removido tem um valor de aquecimento de 1060 a 2950 kcal/Nm3.
[4] . O método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], em que o ar enriquecido com oxigênio tem uma concentração de 25 a 96% em volume, e o gás de alto forno reformado tem um valor de aquecimento de 1060 a 2950 kcal/Nm3.
[5] , O método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], em que a etapa de gerar o ar enriquecido com oxigênio inclui:
preparar um recipiente cilíndrico que é girável em torno de um eixo geométrico central e contém um adsorvente que absorve nitrogênio tendo uma adsorção de nitrogênio que aumenta com um aumento na pressão ou um decréscimo na temperatura;
suprir ares secos tendo pressões e temperaturas diferentes para o adsorvente que absorve nitrogênio, os ares secos sendo supridos em direções opostas uns aos outros;
conduzir um tratamento de desnitrificação sobre um ar tendo uma pressão relativamente alta ou uma temperatura relativamente baixa; e conduzir o enriquecimento de nitrogênio sobre um ar tendo uma pressão relativamente baixa ou uma temperatura relativamente alta de modo a conduzir o enriquecimento de oxigênio sobre o ar tendo a pressão relativamente alta e a temperatura relativamente baixa.
[6] , Método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], em que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado inclui as etapas de:
separar e remover o dióxido de carbono por um método de amina, e separar e remover o nitrogênio por um método PSA.
[7] . Método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], em que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado inclui as etapas de:
separar e remover o dióxido de carbono por um método PSA, e separar e remover o nitrogênio por um método PSA.
[8] . Método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], em que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado inclui usar calor de exaustão de siderurgias para separar e remover o dióxido de carbono e o nitrogênio no gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno.
[9] . Método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], incluindo ainda a etapa de usar o gás de alto forno reformado como um gás combustível para pelo menos um selecionado a partir do grupo consistindo de um forno de aquecimento, um forno de embebimento, um forno de recozimento e um forno de retenção.
[10] . Método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], incluindo ainda as etapas de:
usar um gás de alto forno reformado como um gás combustível para pelo menos um selecionado a partir do grupo consistindo em um forno de aquecimento, forno de embebimento, um forno de recozimento e um forno de retenção; e injetar um gás de forno de coque dentro do alto forno.
[11] . Método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], incluindo ainda a etapa de efetuar a reciclagem injetando o gás de alto forno reformado dentro do alto forno.
[12] . O método para separar um gás de alto forno de acordo com [1], incluindo ainda a etapa de introduzir o gás de alto forno reformado servindo como um gás combustível em um compressor de gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás e queimar o gás de alto forno reformado com um queimador da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia.
[13] . O método para separar um gás de alto forno, de acordo com [1], incluindo ainda as etapas de:
introduzir o gás de alto forno reformado servindo como um gás combustível em um compressão de gás combustível de uma instalação de energia combinada com uma turbina de gás e queimar o gás de alto forno reformado com um queimador da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia, em que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado inclui o uso de um calor de exaustão de siderurgias pela utilização da energia obtida por um método de operação da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás de modo a separar e remover o dióxido de carbono e o nitrogênio no gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno.
[14] . O método para separar um gás de alto forno de acordo com [12], incluindo ainda a etapa de suprir a energia gerada por um método de operação da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás a instalações de siderurgias e usar a energia em excesso para armazenar o dióxido CE carbono subterrâneo ou fundir sucatas de ferro.
[15] , O método para separar um gás de alto forno de acordo com [12], incluindo ainda: suprir a energia gerada por um método de operação da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás a instalações de siderurgias, interromper a geração de energia correspondente à energia em excesso, e injetar dentro do alto forno o gás de alto forno reformado ou um gás de alto forno tendo um valor de aquecimento equivalente ao gás de alto forno reformado necessário para gerar a energia em excesso.
[16] . Um método para separar um gás de alto forno, o método incluindo as etapas de:
gerar um gás de alto forno reformado separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio em um gás de alto forno descarregado de um topo do alto forno; e efetuar a reciclagem injetando o gás de alto forno reformado dentro de um alto forno.
[17] . Um método para separar um gás de alto forno, o método incluindo as etapas de:
gerar um gás de alto forno reformado separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio em um gás de alto forno descarregado de um topo do alto forno; e introduzir o gás de alto forno reformado servindo como um gás combustível em um compressor de gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás e queimar o gás de alto forno reformado com um queimador da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática de um aparelho de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório apropriado para a presente invenção.
A figura 2 inclui vistas em perspectiva esquemáticas de um primeiro recipiente cilíndrico e um segundo recipiente cilíndrico que formam parte do aparelho de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório mostrado na figura 1.
A figura 3 é um gráfico mostrando qualitativamente a relação entre a adsorção de nitrogênio de zeólito e pressão.
A figura 4 é um gráfico mostrando qualitativamente a relação entre a adsorção de nitrogênio de zeólito, pressão e temperatura.
A figura 5 é um diagrama esquemático mostrando uma estrutura de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás de acordo com uma terceira modalidade.
MODALIDADES PARA REALIZAR A INVENÇÃO
Primeira Modalidade:
um método para separar um gás de alto forno de acordo com uma primeira modalidade inclui executar uma operação de alto forno injetando o ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de 25% em volume, ou mais alta, dentro de um alto forno a partir de uma ventaneira fornecida na parte inferior do alto forno, recuperar o gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno pela operação do alto forno, e separar e remover o dióxido de carbono e o nitrogênio do gás de alto forno recuperado. A primeira modalidade será agora descrita em detalhe específico.
São descritos os componentes do gás e os valores de aquecimento quando o dióxido de carbono e o nitrogênio são separados e removidos a partir do gás de alto forno. A tabela 1 mostra os componentes do gás e os valores de aquecimento do gás (gás de alto forno reformado 1) obtidos removendo completamente somente o dióxido de carbono a partir de um gás de alto forno contendo 4,4% em volume de hidrogênio (doravante também referido como H2), 49,9% em volume de nitrogênio (doravante também referido como N2), 23,6% em volume de monóxido de carbono (doravante também referido como CO), e 22,1 %/ em volume de dióxido de carbono (doravante também referido como CO2), e um gás (gás de alto forno reformado 2) obtido removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do mesmo gás de alto forno. Para o gás de alto forno reformado 2, o cálculo foi baseado presumindo-se que 90% de dióxido de carbono e 90% de nitrogênio podem ser removidos (CO2: 22,1% em volume -> 2,2% em volume, N2: 49,9% em volume -> 5,0% em volume). A proporção de volume é a proporção de volume quando se presume que o volume do gás de alto forno é 1,0.
TABELA 1
Componentes do gás (%vol) Proporção de volume Valor de aquecimento (kcal/Nm3) Nota
h2 n2 CO CO2
Gás de alto forno 4,4 49,9 23,6 22,1 1,0 825 Gás de alto forno como gerado
Gás de alto forno reformado 1 5,6 64,1 30,3 0 0,80 1062 Após remoção de CO2
Gás de alto forno reformado 2 12,5 14,2 67,0 6,3 0,35 2346 Após remoção de CO2 e N2
Como mostrado na tabela 1, o valor de aquecimento do gás de alto forno como gerado é 825 kcal/Nm3. Quando somente dióxido de carbono é completamente removido a partir do gás de alto forno (gás de alto forno reformado 1), o aumento no teor do componente de gás combustível é somente cerca de 8% em volume e o teor do componente de gás combustível total é somente cerca de 36% em volume. O valor de aquecimento é 1062 kcal/Nm3 e o aumento no valor de aquecimento é pequeno. Em contraste, quando 90% tanto de dióxido de carbono como de nitrogênio são separados 10 e removidos (gás de alto forno reformado 2), o teor do componente de gás combustível total alcança cerca de 80% em volume e o valor de aquecimento aumenta para 2346 kcal/Nm3.
Um dos objetivos da primeira modalidade é reduzir o consumo do gás de subprodutos para carburar o gás de alto forno. A fim de assim fa15 zer, o gás de alto forno precisa ser usado como um gás com alto teor calórico que pode ser usado sozinho. Consequentemente, na primeira modalidade, o dióxido de carbono e o nitrogênio são separados e removidos a partir do gás de alto forno. Neste caso, o valor de aquecimento varia com a proporção da remoção de dióxido de carbono e de nitrogênio, mas o dióxido de carbono e o nitrogênio são de preferência removidos de tal modo que um valor de aquecimento de 1060 kcal/Nm3 ou mais alto pode ser obtido. O valor de aquecimento do gás de alto forno reformado é de preferência tão alto quanto possível e o dióxido de carbono e o nitrogênio são mais preferivelmente removidos de modo que um valor de aquecimento de 1500 kcal/Nm3 ou mais alto pode ser obtido. O limite superior do valor de aquecimento é cerca de 2950 kcal/Nm3 em vista da composição do gás de alto forno.
Também é possível misturar gás de forno de coque ou gás conversor dentro da faixa (por exemplo, a faixa de quantidade que é convenientemente necessária) permissível nas siderurgias para ainda aumentar o valor de aquecimento do gás de alto forno reformado.
Na primeira modalidade, não há nenhuma necessidade de especificar o método para separar e remover o dióxido de carbono e o nitrogênio no gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno. O dióxido de carbono e o nitrogênio podem ser separados e removidos por um método de absorção química, um método de absorção física, um método de separação de membrana, um método de adsorção, ou qualquer outro método. Exemplos do método para separar dióxido de carbono incluem um método de amina, um método de separação de membrana e um método PSA. Exemplos do método para separar nitrogênio incluem um método de separação de membrana e um método PSA. No entanto, o dióxido de carbono e o nitrogênio não são separados e removidos ao mesmo tempo, mas através de uma separação em dois estágios, isto é, um é removido após o outro ter sido removido. A fonte de energia, tal como a energia motriz para separar o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do gás de alto forno, é de preferência a energia recuperada a partir do calor de exaustão de siderurgias, tal como água de resfriamento de um corpo de alto forno, água de resfriamento de um gás de exaustão conversor, gás de exaustão de um forno de aquecimento, ou semelhantes, do ponto de vista da conservação e redução de energia da quantidade de dióxido de carbono gerado. Como para a separação de dióxido de carbono, o método de amina é vantajoso para as instalações em grande escala uma vez que a separação pode ser obtida a um custo mais baixo comparado a outros métodos e em uma escala maior. No entanto, uma vez que a separação simultânea de nitrogênio não é possível, uma estrutura de separação em dois estágios é empregada e a separação de nitrogênio é conduzida no segundo estágio. De acordo com o método de separação de membrana e o método PSA, as características de separação diferem dependendo do material usado; assim, as relações de separação melhoram e a perda dos componentes de gás combustível diminui quando uma estrutura de separação em dois estágios é empregada. Consequentemente, a separação de dióxido de carbono no primeiro estágio é de preferência conduzida por um método de amida, que é menos dispendioso e apropriado para instalações em grande escala, ou um método PSA, que tem um bom registro em instalações de tamanho pequeno-médio e é capaz de processar a um baixo custo, e a separação de nitrogênio no segundo estágio é de preferência conduzida pelo método PSA. A separação e a remoção de dióxido de carbono e de nitrogênio devem ser conduzidas de modo que o valor de aquecimento do gás de alto forno reformado após a separação e remoção seja 1060 kcal/Nm3 ou mais, e mais de preferência 1500 kcal/Nm3 ou mais, como mencionado anteriormente. O limite superior do valor de aquecimento é cerca de 2950 kcal/Nm3 em vista da composição do gás de alto forno.
O gás de alto forno reformado fabricado separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do gás de alto forno pode ser eficazmente usado como um gás combustível para vários fornos de aquecimento, um gás combustível para alto fogões quentes, um gás combustível para fornos de coque e gás combustível para a geração de energia, por exemplo.
Na primeira modalidade, o gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno é recuperado, e o dióxido de carbono e o nitrogênio são separados e removidos do gás de alto forno recuperado; no entanto, quando o ar é injetado a partir de ventaneiras fornecidas na parte inferior do alto forno, cerca de 55% em volume de nitrogênio estão contidos no gás de alto forno descarregado e a quantidade de gás de alto forno gerado aumenta devido ao alto teor de nitrogênio. A fim de suprimir o aumento no custo para submeter grandes quantidades de gás de alto forno ao tratamento de separação e no custo para separar o nitrogênio contido no mesmo em grandes quantidades, o ar enriquecido com oxigênio contendo 25% em volume ou mais de oxigênio é injetado dentro do alto forno através de ventaneiras na primeira modalidade para diminuir a quantidade de nitrogênio contido no gás de alto forno e reduzir a quantidade de gás de alto forno gerado. Ao injetar o ar enriquecido com oxigênio, o oxigênio em uma quantidade igual à quantidade de oxigênio injetado quando o ar é injetado pode ser injetado; assim, a quantidade de injeção é pequena comparada à quando o ar é injetado. Notar que a fim de diminuir a quantidade de nitrogênio contido no gás de alto forno, a concentração de oxigênio no ar enriquecido com oxigênio é de preferência tão alta quanto possível, isto é, de preferência 30% vol ou mais e, mais de preferência 35% em volume ou mais de oxigênio estão contidos. A concentração de oxigênio é de preferência 96% em volume ou menos considerando o custo para a fabricação de oxigênio. Uma concentração de oxigênio de cerca de 70% em volume é suficiente em vista da operação no alto forno. Naturalmente, oxigênio puro pode ser usado considerando a demanda e o balanço de suprimento nas siderurgias. No entanto, a fim de aumentar a concentração de oxigênio para 98% ou mais alta, por separação de ar, o argônio precisa ser separado além de nitrogênio e a energia para a separação é necessária.
O nitrogênio no ar injetado dentro do alto forno não contribui para as reações e é descarregado a partir do topo do forno embora mantendo a quantidade suprida. Consequentemente, quando o ar enriquecido com oxigênio é injetado dentro do alto forno, o teor de nitrogênio no gás de alto forno diminui devido ao decréscimo no teor de nitrogênio comparado ao ar e a quantidade de gás de alto forno gerado diminui. Como um resultado, a quantidade de gás de alto forno submetido ao tratamento de separação diminui, e a concentração de nitrogênio no gás de alto forno descarregado diminui deste modo tornando a separação de dióxido de carbono e de nitrogênio mais eficaz.
Notar que durante a operação no gás de alto forno em que um gás de alto forno que tem uma concentração de nitrogênio de 54% em volume é descarregado, o teor de nitrogênio no gás de alto forno é cerca de 48% em volume quando o ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de 25% em volume é injetado em vez de ar, deste modo reduzindo cerca de 20% em volume do teor de nitrogênio. Quando o ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de 30% em volume é injetado em vez de ar, o teor de nitrogênio no gás de alto forno é cerca de 42% em volume, deste modo reduzindo cerca de 38%em volume do teor de nitrogênio. Quando o ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de cerca de 35% em volume é injetado em vez de ar, o teor de nitrogênio no gás de alto forno é cerca de 36% em volume, deste modo reduzindo cerca de 50% em volume do teor de nitrogênio. Quando o ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de 50% em volume é injetado, o teor de nitrogênio no gás de alto forno é cerca de 24% em volume.
Na primeira modalidade, a razão para injetar o ar enriquecido com oxigênio tendo uma concentração de oxigênio de 25% em volume é reduzir significativamente o teor de nitrogênio no gás de alto forno descarregado, como descrito acima.
Um separador criogênico, um separador de membrana, um dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório, ou similares, podem ser usados no método para produzir o ar enriquecido com oxigênio, e qualquer método pode ser usado. No entanto, a fim de fabricar o ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio relativamente baixa, isto é, uma concentração de oxigênio de até cerca de 50% em volume, um dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório que pode fabricar o ar enriquecido com oxigênio a baixo custo enquanto economizando energia é de preferência empregado. O separador criogênico é apropriado para a produção em massa, mas não é apropriado para fabricar o ar enriquecido com oxigênio com uma concentração de oxigênio baixa em vista do custo.
O dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio gira14 tório será agora descrito. A figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática de um dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório usado na primeira modalidade. A figura 2 inclui vistas em perspectiva automáticas de um primeiro recipiente cilíndrico e um segundo recipiente cilíndrico formando parte do dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório mostrado na figura 1. A figura 2A mostra o primeiro recipiente cilíndrico e a figura 2B mostra o segundo recipiente cilíndrico.
Como mostrado na figura 1, um primeiro recipiente cilíndrico 2 que pode ser girado por um motor (não mostrado) em torno de um eixo geométrico central 2a está disposto no interior do corpo tubular 13, e um segundo recipiente cilíndrico 3 e um terceiro recipiente cilíndrico 4 estão dispostos para encaixar o primeiro recipiente cilíndrico 2 enquanto opondo um ao outro na direção do eixo geométrico central 2a. O segundo recipiente cilíndrico 3 e o terceiro recipiente cilíndrico 4 têm suas direções de eixo geométrico central coincidindo com o eixo geométrico central 2a do primeiro recipiente cilíndrico 2 e podem ser girados por um motor (não mostrado) em torno do eixo geométrico central 2a. Neste caso, os primeiro ao terceiro recipientes cilíndricos podem ser girados pelo menos motor ou por motores individuais. Quando eles são girados usando motores individuais, o número de rotações pode ser diferente um do outro. Além do mais, embora a direção de rotação seja a mesma na figura 1, os recipientes podem ser girados em diferentes direções.
Como mostrado na figura 2A, o interior do primeiro recipiente cilíndrico 2 é particionado em uma pluralidade de câmaras por placas de partição 8 estendidas radialmente a partir do eixo geométrico central 2a e cada uma das câmaras é preenchida com um adsorvente que absorve nitrogênio 5 circundado com uma malha ou rede (não mostrada). Alternativamente, estruturas de colmeias tendo superfícies revestidas com o adsorvente que absorve nitrogênio 5 podem estar dispostas nas câmaras formadas pela partição. O zeólito é de preferência usado como o adsorvente que absorve nitrogênio 5 por sua capacidade de absorver um alto teor de nitrogênio. O zeólito é um óxido inorgânico cristalino e, mais especificamente, uma substância microporosa cristalina constituída por silicato cristalino, aluminossilicato cristalino, metalossilicato cristalino, aluminofosfato cristalino, metaloaluminofosfato cristalino, ou similares. As placas de partição 8 também funcionam como elementos de reforço para assegurar a rigidez do primeiro recipiente cilíndrico 2.
A estrutura interna do segundo recipiente cilíndrico 3 é a mesma como a estrutura interna do primeiro recipiente cilíndrico 2, como mostrado na figura 28. Um adsorvente que absorve umidade 6 preenche cada uma das câmaras particionadas pelas placas de partição 8 enquanto sendo circundado com uma malha, uma rede, ou similares. Além disso, as estruturas de colmeia tendo superfícies revestidas com o adsorvente que absorve umidade 6 podem estas dispostas nas câmaras formadas por partição. Embora não mostrada no desenho, a estrutura interna do terceiro recipiente cilíndrico 4 também é idêntica à do segundo recipiente cilíndrico 3, e um adsorvente que absorve umidade 7 preenche cada uma das câmaras particionadas pelas placas de partição 8. Um adsorvente que absorve umidade tal como gel de sílica pode ser usado como o adsorvente que absorve umidade 6 e o adsorvente que absorve umidade 7.
As placas de separação 14 que encaixam o primeiro recipiente cilíndrico 2, o segundo recipiente cilíndrico 3, e o terceiro recipiente cilíndrico 4 estão dispostas no interior do corpo tubular 13 em uma posição que passa através da linha central do corpo tubular 13, e formam dois canais no interior do corpo tubular 13. Em outras palavras, na figura 1, o ar suprido a um primeiro canal de suprimento de ar 9 sobra o lado esquerdo inferior passa através do segundo recipiente cilíndrico 3, do primeiro recipiente cilíndrico 2 e do terceiro recipiente cilíndrico 4 nessa ordem, e é descarregado em um primeiro canal de exaustão de ar 11 no lado direito inferior. Por outro lado, na figura 1, o ar suprido em um segundo canal de suprimento de ar 10 sobre o lado direito superior passa através do terceiro recipiente cilíndrico 4, do primeiro recipiente cilíndrico 2 e do segundo recipiente cilíndrico 3, nessa ordem, e é descarregado em um segundo canal de exaustão de ar 12 sobre o lado esquerdo superior.
Neste dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório 1, é essencial que os ares sejam supridos em direções opostas. No entanto, o primeiro recipiente cilíndrico 2, o segundo recipiente cilíndrico 3 e o terceiro recipiente cilíndrico 4 são continuamente ou intermitentemente girados em torno do eixo geométrico central 2a e, assim, não todo o ar suprido através do primeiro canal de suprimento de ar 9 é descarregado através do primeiro canal de exaustão de ar 11. Similarmente, não todo o ar suprido através do segundo canal de suprimento de ar 10 é descarregado através do segundo canal de exaustão de ar 12. Parte do ar torna-se misturado com um outro. No entanto, no dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório 1, a misturação de parte do ar não é considerada.
O primeiro canal de suprimento de ar 9, o segundo canal de suprimento de ar 10, o primeiro canal de exaustão de ar 11 e o segundo canal de exaustão de ar 12 são respectivamente conectados por tubulação. O ar é suprido ao primeiro canal de suprimento de ar 9 e ao segundo canal de suprimento de ar 10 através desta tubulação e o ar descarregado a partir do primeiro canal de exaustão de ar 11 e do segundo canal de exaustão de ar 12 é orientado para locais particulares através desta tubulação.
O dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório 1 que tem uma tal estrutura é usado para fabricar o ar enriquecido com oxigênio a partir de ar como abaixo.
Primeiramente, a capacidade de adsorção de nitrogênio do zeólito usada como o adsorvente que absorve nitrogênio 5 é descrita. A figura 3 é um gráfico mostrando qualitativamente a relação entre a adsorção de nitrogênio do zeólito e a pressão. A figura 4 é um gráfico mostrando qualitativamente a relação entre a adsorção de nitrogênio do zeólito, pressão, e temperatura.
Como mostrado na figura 3, a adsorção de nitrogênio do zeólito aumenta com a pressão. Quando o zeólito é contatado com ar em uma atmosfera com uma pressão Pi, o zeólito adsorve o nitrogênio até a adsorção alcançar um valor C-ι. Como um resultado, o nitrogênio no ar diminui, deste modo enriquecendo o oxigênio em uma quantidade correspondente à quan17 tidade de nitrogênio diminuída. A uma pressão P2, a adsorção de nitrogênio do zeólito cai para um valor C2 e, assim, o zeólito que adsorve nitrogênio para o valor Ci libera o nitrogênio uma vez que entrou em contato com ar tendo uma pressão P2. Como um resultado, a adsorção de zeólito diminui do valor Ci para o valor C2. O teor de nitrogênio no ar ao qual o nitrogênio é liberado aumenta, deste modo obtendo o enriquecimento de nitrogênio.
Em outras palavras, quando o zeólito entra em contato com os ares tendo diferentes pressões, o enriquecimento de oxigênio do ar tendo uma pressão relativamente alta é obtido e o enriquecimento de nitrogênio do ar tendo uma pressão relativamente baixa é obtido dependendo da diferença na adsorção de nitrogênio determinada pela diferença em pressão. Quando o zeólito alternativamente entra em contato com os ares tendo diferentes pressões, o zeólito repete a adsorção e a liberação de nitrogênio e o enriquecimento de oxigênio continua semipermanentemente com a adsorção de nitrogênio não permanecendo em um estado saturado.
Como mostrado na figura 4, a adsorção de nitrogênio do zeólito também varia com a temperatura. A adsorção de nitrogênio aumenta com o decréscimo na temperatura mesmo quando a pressão é constante. Em outras palavras, quando o zeólito entra em contato com o ar tendo uma temperatura T-ι mais baixa do que a temperatura T2 a uma pressão constante P3, o nitrogênio absorve o zeólito até a adsorção alcançar o valor C3. Como um resultado, o nitrogênio no ar diminui, deste modo enriquecendo o oxigênio em uma quantidade correspondente à quantidade do nitrogênio diminuído. A uma temperatura T2, a adsorção de nitrogênio do zeólito cai para um valor C4 e, assim, o zeólito que adsorve nitrogênio libera o nitrogênio uma vez que entrou em contato com o ar tendo uma temperatura T2. Como um resultado, a adsorção de zeólito diminui a partir do valor C3 para 0 valor C4. O teor de nitrogênio no ar ao qual 0 nitrogênio é liberado aumenta, deste modo obtendo o enriquecimento de nitrogênio.
Em outras palavras, quando o zeólito entra em contato com os ares tendo diferentes temperaturas, o enriquecimento de oxigênio do ar tendo uma temperatura relativamente baixa é obtido e o enriquecimento de ni18 trogênio de ar tendo uma temperatura relativamente alta é obtido dependendo da diferença na adsorção de nitrogênio determinada pela diferença em temperatura. Quando o zeólito alternativamente entra em contato com os ares tendo diferentes temperaturas, o zeólito repete a adsorção e a liberação de nitrogênio e o enriquecimento de oxigênio continua semipermanentemente com a adsorção de nitrogênio não permanecendo em um estado saturado.
Neste caso, como pode ser deduzido da figura 4, a diferença na adsorção de nitrogênio do zeólito aumenta, aumentando a pressão e diminuindo a temperatura do ar a ser enriquecido com oxigênio, e o enriquecimento de oxigênio pode ser eficazmente conduzido.
Em seguida, é descrito o método para fabricar o ar enriquecido com oxigênio do ar usando tal capacidade de adsorção de nitrogênio do zeólito.
Isto é, com referência à figura 1, embora girando continuamente ou intermitentemente o primeiro recipiente cilíndrico 2, o segundo recipiente cilíndrico 3 e o terceiro recipiente cilíndrico 4 em torno do eixo geométrico central 2a, a pressão do ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 é ajustada para ser mais alta do que a pressão do ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10, a temperatura do ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 é ajustada para ser mais baixa do que a temperatura do ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10, ou a pressão do ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 é aumentada e a temperatura diminuída comparado ao ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10 a fim de suprir os ares a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 e do segundo canal de suprimento de ar 10. As pressões dos ares supridos podem ser ajustadas controlando a pressão de descarga dos sopradores para liberar os ares, e as temperaturas dos ares supridos pode ser ajustada fornecendo aquecedores para alimentar a tubulação, por exemplo.
O ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 entra em contato com o adsorvente que absorve umidade 6 disposto no se19 gundo recipiente cilíndrico 3 para remover a umidade (referido como tratamento de desumedecimento), e o ar desumidificado entra em contato com o adsorvente que absorve nitrogênio 5 disposto no primeiro recipiente cilíndrico 2. Uma vez que o ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 tem uma alta pressão, uma baixa temperatura, ou uma baixa pressão e uma baixa temperatura comparado ao ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10, o nitrogênio é adsorvido pelo adsorvente que absorve nitrogênio 5 composto de zeólito ou semelhantes, a quantidade de nitrogênio é reduzida, e o enriquecimento de oxigênio é obtido (referido como tratamento de desnitrificação). O tratamento de desnitrificação também é denominado tratamento de enriquecimento de oxigênio.
O ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10 entra em contato com o adsorvente que absorve umidade 7 disposto no terceiro recipiente cilíndrico 4 para conduzir o tratamento de desumedecimento, e o ar desumidificado flui para dentro do primeiro recipiente cilíndrico 2 e entra em contato com o adsorvente que absorve nitrogênio 5 disposto no primeiro recipiente cilíndrico 2. O ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10 tem uma baixa pressão, uma alta temperatura, ou uma baixa pressão e uma alta temperatura comparado ao ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9. Assim, a adsorção de nitrogênio do adsorvente que absorve nitrogênio 5 composto de zeólito ou similares diminui à medida que ele contata este ar, e o nitrogênio correspondendo à diferença na adsorção de nitrogênio é liberado para o ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10. Como um resultado, a concentração de nitrogênio no ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10 aumenta (referido como tratamento de enriquecimento de nitrogênio). Deste modo, o adsorvente que absorve nitrogênio 5 continua a adsorção e a liberação de nitrogênio com a adsorção de nitrogênio não permanecendo em ume estado saturado.
Subsequentemente, o ar enriquecido com oxigênio suprido a partir do segundo canal de suprimento 10 flui para dentro do segundo recipiente cilíndrico 3 e entra em contato com o adsorvente que absorve umidade
6. O adsorvente que absorve umidade 6 adsorve a umidade contida no ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 à medida que ele contata este ar. No entanto, o ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10 é ar seco a partir do qual a umidade já foi removida pelo adsorvente que absorve umidade 7 disposto no terceiro recipiente cilíndrico 4. Assim, a umidade adsorvida sobre o adsorvente que absorve umidade 6 é liberada para o ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10, deste modo aumentando a concentração de umidade no ar (referido como tratamento de enriquecimento de umidade). Em outras palavras, o adsorvente que absorve umidade 6 continua a adsorção e a liberação de umidade com a adsorção de umidade não permanecendo em um estado saturado.
Similarmente, o ar desnitrificado ou enriquecido com oxigênio suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 flui para dentro do terceiro recipiente cilíndrico 4 e entra em contato com o adsorvente que absorve umidade 7. O adsorvente que absorve umidade 7 adsorve a umidade contida no ar suprido a partir do segundo canal de suprimento de ar 10 à medida que ele contata este ar. No entanto, o ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9 é ar seco a partir do qual a umidade já foi removida pelo adsorvente que absorve umidade 6 disposto no segundo recipiente cilíndrico 3. Assim, a umidade adsorvida sobre o adsorvente que absorve umidade 7 é liberada para o ar suprido a partir do primeiro canal de suprimento de ar 9. Em outras palavras, o adsorvente que absorve umidade 7 também continua a adsorção e a liberação de umidade com a adsorção de umidade não permanecendo em um estado saturado.
Os números de rotações do primeiro recipiente cilíndrico 2, do segundo recipiente cilíndrico 3 e do terceiro recipiente cilíndrico 4 pode ser fixado de acordo com as capacidades de adsorção dos adsorventes de modo que cada recipiente gira 180 graus (meio giro) antes da adsorção do adsorvente correspondente alcançar a adsorção de saturação.
Como descrito acima, de acordo com o dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório 1 apropriado para a primeira modalidade, porque o adsorvente que absorve umidade 6 e o adsorvente que ab21 sorve umidade 7 estão dispostos nos dois lados do adsorvente que absorve nitrogênio 5 e os ares são supridos em direções opostas com relação aos adsorventes, o ar seco é constantemente suprido ao adsorvente que absorve nitrogênio 5 nas direções opostas. O adsorvente que absorve nitrogênio 5 permanece não afetado pela umidade, absorve o nitrogênio a partir do ar suprido, e libera o nitrogênio absorvido para o ar suprido a partir do lado oposto. Além do mais, o adsorvente que absorve umidade 6 e o adsorvente que absorve umidade 7 repetem a adsorção e a liberação de umidade de um modo alternativo. Como um resultado, o adsorvente que absorve nitrogênio 5, o adsorvente que absorve umidade 6 e o adsorvente que absorve umidade 7 continuam a produzir o ar enriquecido com oxigênio durante um longo tempo enquanto a adsorção não permanece em um estado saturado, que é um aspecto excelente.
No dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório 1 descrito acima, o adsorvente que absorve nitrogênio 5, o adsorvente que absorve umidade 6 e o adsorvente que absorve umidade 7 estão respectivamente dispostos em recipientes cilíndricos separados. Além disso, um recipiente cilíndrico pode ser fornecido e o adsorvente que absorve umidade 6, o adsorvente que absorve nitrogênio 5 e o adsorvente que absorve umidade 7 podem estar dispostos no interior desse recipiente cilíndrico nessa ordem. Embora os recipientes cilíndricos estejam dispostos no interior do corpo tubular 13 e os canais de ar estejam dispostos no interior do corpo tubular 13, somente os recipientes cilíndricos podem estar dispostos no interior do corpo tubular 13 e os canais de ar podem ser formados como tubulação independente.
Quando o ar enriquecido com oxigênio é fabricado como tal usando o dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório 1, a taxa de consumo de energia elétrica pode ser significativamente reduzida para quando o ar enriquecido com oxigênio é fabricado produzindo oxigênio puro com um separador criogênico e misturando o oxigênio puro com ar.
Como descrito acima, de acordo com a primeira modalidade, uma vez que a operação no alto forno é conduzida injetando o ar enriquecí22 do com oxigênio tendo uma concentração de oxigênio de 25% em volume ou mais dentro do alto forno, o teor de nitrogênio no gás de alto forno gerado é diminuído. Como um resultado, a quantidade de gás de alto forno gerado é diminuída devido ao decréscimo no teor de nitrogênio, a quantidade de gás de alto forno submetido a tratamentos é diminuída, e a quantidade de nitrogênio a ser separado e removido é diminuída. Consequentemente, torna-se possível separar e remover eficazmente o nitrogênio e o dióxido de carbono a partir do gás de alto forno em baixo custo. Uma vez que o dióxido de carbono e o nitrogênio são removidos a partir do gás de alto forno, um gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento de 2000 kcal/Nm3 ou mais, que é pelo menos duas vezes o do gás de alto forno convencional, pode ser obtido, e a utilização eficaz de gás de alto forno é promovida.
Segunda Modalidade:
Um método para separar um gás de alto forno de acordo com uma segunda modalidade inclui fabricar um gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento alto comparado a um gás de alto forno, separar e remover CO2 e N2 a partir do gás de alto forno descarregado de um topo de forno, e injetar o gás de alto forno reformado para reciclagem.
De acordo com a segunda modalidade, uma vez que CO2 e N2 são removidos do gás de alto forno, um gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento de 1060 kcal/Nm3 ou mais (de preferência 1500 kcal/Nm3 ou mais e mais de preferência 2000 kcal/Nm3 ou mais), que é pelo menos duas vezes o do gás de alto forno convencional, pode ser obtido. Quando o gás de alto forno reformado é injetado dentro do alto forno, o gás de alto forno reformado funciona como um agente de redução e a quantidade de alimentação do agente de redução, isto é, coque ou carvão pulverizado, pode ser reduzida correspondentemente. Além do mais, quando o gás de alto forno reformado é usado como um gás combustível para um forno de aquecimento ou um forno de embebimento, a quantidade de gás de exaustão após a combustão é diminuída, o calor levado para fora do sistema através do gás de exaustão é diminuído, e a quantidade de combustível usado pode ser reduzida. Quando o gás de alto forno reformado é injetado dentro de um alto forno ou usado como um gás combustível em um forno de aquecimento ou um forno de embebimento, a quantidade do agente de redução ou do gás combustível recentemente usada pode ser reduzida e a quantidade de CO2 gerado nas siderurgias pode deste modo ser reduzida. Consequentemente, as segundas modalidades trazem efeitos ambientalmente e industrialmente úteis.
A segunda modalidade será agora descrita em detalhe específico.
Os componentes do gás e os valores de aquecimento quando CO2 e N2 são separados e removidos do gás de alto forno são primeiramente descritos. A tabela 2 mostra os componentes de gás e os valores de aquecimento de um gás obtido removendo somente CO2 de um gás de alto forno contendo 4,4% em volume de H2, 49,9% em volume de N2, 23,6% em volume de CO e 22,1% em volume de CO2 e um gás obtido removendo CO2 e N2 a partir do mesmo gás de alto forno. O cálculo foi baseado na suposição de que 90% de CO2 e 90% de N2 podem ser removidos (CO2: 22,1% em volume -> 2,2% em volume, N2: 49,9% em volume -> 5,0% em volume). A proporção de volume quando o volume do gás de alto forno é presumido ser 1,0.
TABELA 2
Componentes do gás (%vol) Proporção de volume Valor de aquecimento (kcal/Nm3) Nota
h2 n2 CO CO2
Gás de alto forno 4,4 49,9 23,6 22,1 1,0 825 Gás de alto forno como gerado
Gás de alto forno reformado 1 5,5 62,3 29,5 0 0,80 1031 Após remoção de CO2
Componentes do gás (%vol) Proporção de volume Valor de aquecimento (kcal/Nm3) Nota
h2 n2 CO CO2
Gás de alto forno reformado 2 12,5 14,2 67,0 6,3 0,35 2346 Após remoção de CO2 e N2
Como mostrado na tabela 2, o valor de aquecimento do gás de alto forno como gerado é 825 kcal/Nm3. Quando somente CO2 é removido a partir do gás de alto forno, 0 aumento no componente de gás combustível é somente cerca de 7% em volume e a quantidade total dos componentes de gás combustível é somente cerca de 35% em volume. O valor de aquecimento é 1031 kcal/Nm3 e 0 aumento no valor de aquecimento é pequeno. Em contraste, quando tanto CO2 como N2 são separados e removidos, a quantidade total dos componentes de gás combustível alcança cerca de 80% em volume e o valor de aquecimento aumenta para 2346 kcal/Nm3.
Um objetivo da presente invenção é reduzir o consumo do gás de subprodutos com alto teor calórico para carburar o gás de alto forno. A fim de assim fazer, 0 gás de alto forno precisa ser usado como um gás com alto teor calórico que pode ser usado sozinho. Consequentemente, a suposição da presente invenção é fazer uso de um gás de alto forno reformado com alto teor calórico obtido separando e removendo CO2 e N2 de um gás de alto forno. Neste caso, o valor de aquecimento varia com a proporção da remoção CO2 e N2, mas CO2 e N2 são de preferência removidos de modo que o valor de aquecimento de 2000 kcal/Nm3 ou mais alto possa ser obtido.
Em outras palavras, a presente invenção caracteriza a fabricação de um gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento alto comparado a um gás de alto forno, separando e removendo CO2 e N2 de um gás de alto forno e reciclando o gás de alto forno reformado injetando o gás de alto forno reformado dentro do alto forno ou usando o gás de alto forno reformado como um gás combustível para pelo menos um selecionado de um forno de aquecimento, um forno de embebimento, um forno de recozimento e um forno de retenção.
Na presente invenção, não há nenhuma necessidade de especificar o método de separar e remover CO2 e N2 a partir do gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno. Exemplos do método para separar CO2 incluem um método de amida, um método de separação de membrana e um método PSA. Exemplos do método para separar N2 incluem um método de separação de membrana e um método PSA. No entanto, CO2 e N2 não são de preferência separados e removidos ao mesmo tempo, mas através de separação em dois estágios, isto é, um é removido após o outro ter sido removido. A fonte e energia, tal como energia motriz, necessária para separar CO2 e N2 a partir do gás de alto forno, é de preferência a energia recuperada a partir do calor de exaustão de siderurgias, tal como água de resfriamento de um corpo de alto forno, água de resfriamento de um gás de exaustão conversor, gás de exaustão de um forno de aquecimento, ou semelhantes, do ponto de vista de conservação de energia e redução da quantidade de CO2 gerado.
Como para a separação de CO2, o método de amina é vantajoso para as instalações em grande escala uma vez que a separação pode ser obtida a um custo mais baixo comparado a outros métodos e em uma escala maior. No entanto, uma vez que a separação simultânea de N2 não é possível, uma estrutura de separação em dois estádios é empregada e a separação de N2 é conduzida no segundo estágio. De acordo com o método de separação de membrana e o método PSA, as características de separação diferem dependendo do material usado; assim, as relações de separação melhoram e a perda dos componentes de gás combustível diminui quando uma estrutura de separação em dois estágios é empregada. Consequentemente, a separação de CO2 no primeiro estágio é de preferência conduzida por um método de amina, que é menos dispendioso e apropriado para as instalações em grande escala, ou um método PSA, que tem um bom registro nas instalações de tamanho pequeno-médio e é capaz de processar a um baixo custo, e a separação de N2 no segundo estágio é de preferência conduzida pelo método PSA.
Na presente invenção, o gás de alto forno reformado fabricado removendo CO2 e N2 a partir do gás de alto forno é reciclado injetando o gás de alto forno reformado dentro do alto forno ou usando o gás de alto forno reformado como um gás combustível em um forno de aquecimento, um forno de embebimento, um forno de recozimento ou um forno de retenção. O caso em que o gás de alto forno reformado é reciclado e usado em um alto forno é descrito primeiramente.
Em um alto forno, minério de ferro, que é a matéria-prima principal, coque, que é um agente de redução e um combustível, e calcário, que é um agente de fluxo, são carregados a partir do topo do forno e ar quente aquecido a 1000°C ou mais alto é injetado através da ventaneira fornecida na parede lateral inferior para reduzir o minério de ferro e fabricar ferro fundido. Em alguns casos, óleo pesado servindo como um combustível é injetado através da ventaneira, mas nos últimos anos tornou-se prática comum injetar carvão pulverizado barato O ar quente é usualmente enriquecido com 1 a 2% vol de oxigênio.
À medida que o minério de ferro desce do interior do forno, o minério de ferro é aquecido com o calor de combustão a partir de coque e ar quente e reduzido por CO gerado pela combustão de coque e carvão pulverizado. Esta reação de redução pode ser representada por FeOn + nCO -» Fe + nCO2 e é denominada redução indireta. A redução também prossegue à medida que o minério de ferro reage com o coque ou carvão pulverizado. Esta reação de redução pode ser representada por FeOn + nC -> Fe + nCO e é denominada redução direta.
Na presente invenção, um gás de alto forno reformado, do qual CO2 e N2 são removidos, é injetado dentro do forno a partir da ventaneira junto com o ar quente. O gás de alto forno reformado contém CO como o componente principal e cerca de 10% vol de H2 e reduz o minério de ferro por CO e H2 no gás de alto forno reformado. Consequentemente, a quantidade de agente de redução equivalente à quantidade do gás de alto forno reformado alimentado, isto é, a quantidade de carvão pulverizado injetada a partir da ventaneira, pode ser reduzida. O coque também funciona como um agente de redução, mas também tem um efeito de assegurar a permeabili27 dade do ar no forno. Assim, cuidado precisa ser tomado ao reduzir a quantidade de coque. O gás de alto forno reformado é de preferência aquecido a cerca de 1000°C antes de alimentado dentro do forno como com o ar quente para aumentar a eficácia térmica do alto forno.
A quantidade de ar quente suprido ao forno precisa ser reduzida pela quantidade correspondente à quantidade de ar quente necessária para queimar o agente de redução tal como carvão pulverizado; portanto, a quantidade de ar quente suprido ao forno é reduzida de acordo com o decréscimo na quantidade de agente de redução, tal como carvão pulverizado, suprido. Isto reduz a energia motriz para liberação de ar quente. Além do mais, uma vez que a quantidade de ar quente suprido ao forno é reduzida, o teor de N2 no gás de alto forno descarregado a partir do topo do forno é reduzida e o valor de aquecimento do gás de alto forno descarregado é aumentado. O gás de alto forno descarregado é recuperado, CO2 e N2 no gás de alto forno recuperado são separados e removidos, e o gás de alto forno reformado resultante é injetado dentro do alto forno através da ventaneira para obter a reciclagem.
De acordo com este modo de operação, o uso de carvão pulverizado não é mais necessário e a quantidade de CO2 gerada pode deste modo ser reduzida. Por exemplo, em um alto forno que usa coque e carvão pulverizado como um agente de redução e um combustível onde o teor de carvão pulverizado é cerca de 20% massa, cerca de 30% de CO2 descarregado a partir do alto forno podem ser reduzidos reciclando o gás de alto forno reformado a partir do qual CO2 e N2 são removidos.
O caso em que o gás de alto forno reformado é usado como um gás combustível em um forno de aquecimento, forno de embebimento, forno de recozimento ou um forno de redução é descrito a seguir. Neste caso, o valor de aquecimento do gás de alto forno reformado usado é de preferência 2000 kcal/Nm3 ou mais.
Quando o valor de aquecimento do gás de alto forno reformado é 2000 kcal/Nm3 ou mais, os combustíveis adquiridos tal como LPS e LNG ou gás de subprodutos com alto teor calórico (gás de forno de coque, gás conversor, etc.) para carburação não são necessários e somente o gás de alto forno reformado é usado como um gás combustível para um forno de aquecimento, um forno de embebimento, um forno de recozimento ou um forno de retenção. Neste caso, um aparelho que usa uma mistura de um gás de alto forno e um gás de forno de coque também pode ser usado sem trocar as especificações do aparelho simplesmente encaixando o gás combustível.
Quando o gás de alto forno reformado é usado como um gás combustível para um forno de aquecimento, um forno de embebimento, um forno de recozimento ou um forno de retenção, o calor (calor de exaustão) levado para fora do sistema por CO2 e N2 contidos no gás combustível diminui, e a quantidade de gás combustível usado para aquecimento é reduzida. Como um resultado, a emissão de CO2 a partir de um forno de aquecimento, um forno de embebimento, um forno de recozimento, um forno de retenção, ou semelhantes, pode ser reduzida.
Como descrito acima, a presente invenção reduz não somente a quantidade de CO2 gerado em siderurgias, mas também a quantidade de carvão pulverizado e gás combustível, deste modo proporcionando efeitos vantajosos tanto ambientalmente como industrialmente.
Terceira Modalidade:
Um gás obtido misturando o gás de alto forno e o gás de forno de coque e/ou o gás conversor é denominado gás misturado ou gás M. Deveria ser notado que a quantidade de gás de alto forno gerado nas siderurgias é significativamente maior do que as quantidades de outros gases de subprodutos e a razão para usar o gás de alto forno como um gás misturado é fazer um uso eficaz deste gás de alto forno.
A figura 5 mostra um exemplo de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás que usa o gás misturado como um gás combustível. Na figura 5, o número de referência 101 representa uma turbina de gás, 102 representa uma turbina de vapor, 103 representa um gerador de energia, 104 representa um compressor de gás combustível, 105 representa um compressor de ar, 106 representa um queimador, 107 representa uma caldeira de gás de exaustão e 108 representa uma transmissão constituída por duas engrenagens. Como mostrado na figura 5, a instalação de geração de gás combinada com uma turbina de gás inclui a turbina de gás 101, a turbina de vapor 102 e o gerador de energia 103 dispostos sobre o mesmo eixo geométrico. A instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás tem uma eficácia da geração de energia maior do que as instalações de geração de energia com turbina de vapor e, assim, é amplamente empregada nas instalações de fabricação de aço integradas e instalações de incineração de rejeitos.
De acordo com a instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás, um gás combustível em alta temperatura, alta pressão descarregado a partir do compressor de gás combustível 104 e em alta temperatura, alta pressão descarregado a partir do compressor de ar 105 é orientado para dentro do queimador 105 para queimar e gerar um gás de combustão em alta temperatura, alta pressão. O gás de combustão em alta temperatura, alta pressão é orientado para dentro da turbina de gás 101 para girar a turbina de gás 101 e para deste modo girar o gerador de energia 103 para gerar energia. O gás de exaustão a partir da turbina de gás 101 é orientado para a caldeira de gás de exaustão 107 para gerar vapor e o vapor é suprido à turbina de vapor 102 para girar a turbina de vapor 102 e para girar o gerador de energia 103 para gerar energia. Isto é, nesta instalação, a energia é gerada girando o gerador de energia 103 pelo gás de combustão em alta temperatura, alta pressão, gerado pela combustão do gás combustível e girando o gerador de energia 3 pelo vapor gerado usando o gás de exaustão do gás de combustão.
Um objetivo da terceira modalidade é fornecer um método para operar uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás que gera energia pela queima do gás de subprodutos gerado em siderurgias e que pode melhorar a eficácia da geração de energia comparada à técnica relacionada e para fornecer um método de operação de energia ótimo em siderurgias quando a instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás com eficácia da geração de energia mais alta é u30 sada para suprir energia elétrica às siderurgias.
Um método para operar uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás de acordo com a terceira modalidade que obtém o objetivo acima descrito inclui a fabricação de um gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento mais alto do que um gás de alto forno, separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do gás de alto forno descarregado a partir de um topo de forno, orientando o gás de alto forno reformado servindo como um gás combustível para dentro de um compressor de gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás, e queimando o gás de alto forno reformado com um queimador da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia.
De acordo com a terceira modalidade, uma vez que o gás de alto forno reformado a partir do qual os componentes de gás inerte são separados e removidos e que tem um valor de aquecimento mais alto do que o gás de alto forno é usado como um gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás, a energia motriz do compressor de gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás pode ser reduzida e a geração de energia pode ser aumentada em uma quantidade equivalente a esta redução de energia motriz. Assim, a eficácia da geração de energia pode ser significativamente melhorada comparada à técnica relacionada. Uma vez que a eficácia da geração de energia da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás aumenta, a energia necessária em siderurgias pode ser coberta somente pela geração de energia a partir da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás e, assim, a redução de dióxido de carbono é promovida pelo uso eficaz de energia em excesso.
A terceira modalidade será agora descrita em detalhe específico.
São conduzidos estudos para aumentar a eficácia da geração de energia de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás que usa o gás de subprodutos gerado em siderurgias como um gás combustível e verificou-se que o gás misturado que é usado como um gás combustível e que contém o gás de subprodutos tem um baixo valor de aquecimento e, assim, a carga sobre o compressor de gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás é grande, resultando no consumo de energia motriz significativamente grande. Verificou-se também que a carga sobre o compressão de gás combustível é diminuída, aumentando o valor de aquecimento do gás combustível, a energia motriz pode ser reduzida como um resultado e a quantidade de energia gerada pode ser aumentada pela quantidade correspondente à redução da energia motriz.
Assim, os estudos são dirigidos para aumentar o valor de aquecimento do gás combustível usado na instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás. Como mencionado anteriormente, os gases de subprodutos gerados em siderurgias, um gás de coque e um gás conversor têm um valor de aquecimento de cerca de três vezes ou mais que o de um gás de alto forno. Embora os objetivos possam ser facilmente obtidos usando o gás de forno de coque e o gás conversor sozinhos, a utilização do gás de alto forno que é gerado na maior quantidade não é seguro e o gás de alto forno é rejeitado, o que é um problema. Além do mais, o valor de aquecimento do gás misturado pode ser aumentado, aumentando a relação de mistura do gás de forno de coque e do gás conversor e correspondentemente diminuindo a proporção de mistura do gás de alto forno no gás misturado. No entanto, as quantidades do gás de forno de coque e o gás conversor geradas são limitadas e o gás de forno de coque e gás conversor são usados para carburar o gás de alto forno em um forno de aquecimento de aço a jusante das siderurgias e, assim, não estão disponíveis em excesso.
Considerando estes fatores, na terceira modalidade, um gás de alto forno reformado obtido separando e removendo os componentes de gás inerte de um gás de alto forno é usado como um gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás.
A tabela 3 mostra os componentes de gás e os valores de aquecimento de um gás (gás de alto forno reformado 1) obtido removendo completamente somente o dióxido de carbono de um gás de alto forno contendo
4,4% em volume de hidrogênio (doravante também referido como H2), 49,9% em volume de nitrogênio (doravante também referido como N2), 23,6% em volume de monóxido de carbono (doravante também referido como CO), e 22,1% em volume de dióxido de carbono (doravante também 5 referido como CO2), e um gás (gás de alto forno reformado 2) obtido removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do mesmo gás de alto forno. O cálculo foi baseado na suposição de que 90% de dióxido de carbono e 90% de nitrogênio no gás de alto forno reformado 2 podem ser removidos (CO2: 22,1% em volume -> 2,2% em volume, N2: 49,9% em volume -> 5,0% em volume). A proporção de volume é a proporção do volume quando o volume do gás de alto forno é presumido ser 1,0.
TABELA 3
Componentes do gás (% em volume) Proporção de volume Valor de aquecimento (kcal/Nm3) Nota
h2 n2 CO CO2
Gás de alto forno 4,4 49,9 23,6 22,1 1,0 825 Gás de alto forno como gerado
Gás de alto forno reformado 1 5,6 64,1 30,3 0 0,80 1062 Após remoção de CO2
Gás de alto forno reformado 2 12,5 14,2 67,0 6,3 0,35 2346 Após remoção de CO2 e N2
Como mostrado na tabela 3, o valor de aquecimento do gás de alto forno como gerado é 825 kcal/Nm3. Quando somente o dióxido de car15 bono é completamente removido a partir do gás de alto forno (gás de alto forno reformado 1), o aumento no componente de gás combustível é somente cerca de 8% em volume e a quantidade total dos componentes de gás combustível é somente cerca de 36% em volume. O valor de aquecimento é 1062 kcal/Nm3 e o aumento no valor de aquecimento é pequeno. Em con33 traste, quando 90% tanto de dióxido de carbono como de nitrogênio são separados e removidos (gás de alto forno reformado 2), a quantidade total dos componentes de gás combustível alcança cerca de 80% em volume e o valor de aquecimento aumenta para 2346 kcal/Nm3.
Estes resultados mostram que quando somente o dióxido de carbono é separado e removido, os resultados não são muito diferentes da operação convencional da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás e as melhoras são pequenas. Consequentemente, na terceira modalidade, um gás de alto forno reformado com alto teor calórico 10 obtido separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir de um gás de alto forno é usado como um gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás. Neste caso, o valor de aquecimento varia com a proporção da remoção de dióxido de carbono e de nitrogênio. No entanto, a fim de aumentar a eficácia da geração de ener15 gia, o dióxido de carbono e o nitrogênio são de preferência removidos de tal modo que um valor de aquecimento de 1060 kcal/Nm3 ou mais alto pode ser obtido. O valor de aquecimento do gás de alto forno reformado é de preferência tão alto quanto possível e dióxido de carbono e nitrogênio são mais preferivelmente removidos de modo que o valor de aquecimento de 1500 20 kcal/Nm3 ou mais alto pode ser obtido.
Também é possível misturar um gás de forno de coque ou um gás conversor em uma faixa (por exemplo, a faixa de quantidade que é convencionalmente usada) permissível nas siderurgias para aumentar ainda o valor de aquecimento do gás de alto forno reformado. Isto também está den25 tro do escopo da terceira modalidade.
A terceira modalidade é baseada nos resultados destes estudos e inclui a fabricação de um gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento mais alto do que um gás de alto forno, separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do gás de alto forno descarrega30 do a partir de um topo do forno, orientando o gás de alto forno reformado servindo como um gás combustível para dentro de um compressor de gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbi34 na de gás, e queimando o gás de alto forno reformado com um queimador da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia.
Na terceira modalidade, não há nenhuma necessidade de especificar o método para separar e remover dióxido de carbono e nitrogênio a partir do gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno. Exemplos do método para separar o dióxido de carbono incluem um método de amina, um método de separação de membrana e um método PSA. Exemplos do método para separar o nitrogênio incluem o método de separação de membrana e um método PSA. No entanto, o dióxido de carbono e o nitrogênio não são separados e removidos ao mesmo tempo, mas através de uma separação em dois estágios, isto é, um é removido após o outro ter sido removido. A fonte de energia, tal como uma energia motriz necessária para separar o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do gás de alto forno, é de preferência a energia recuperada do calor de exaustão de siderurgias, tal como água de resfriamento de um corpo de alto forno, água de resfriamento de um gás de exaustão conversor, gás de exaustão de um forno de aquecimento, ou semelhantes, do ponto de vista de conservação de energia e redução da quantidade de dióxido de carbono gerado. De acordo com a terceira modalidade, a eficácia da geração de energia da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás pode ser melhorada e a geração de energia em excesso pode ser esperada. A energia em excesso pode ser usada para separar o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do gás de alto forno.
Como para a separação de dióxido de carbono, o método de amina é vantajoso para instalações em grande escala uma vez que a separação pode ser obtida a um custo mais baixo comparado a outros métodos e em uma escala maior. No entanto, uma vez que a separação simultânea de nitrogênio não é possível, uma estrutura de separação em dois estágios é empregada e a separação de nitrogênio é conduzida no segundo estágio. De acordo com o método de separação de membrana e o método PSA, as características de separação diferem dependendo do material usado; assim, as proporções de separação melhoram e a perda de componentes de gás combustível diminui quando uma estrutura de separação em dois estágios é empregada. Consequentemente, a separação de dióxido de carbono no primeiro estágio é de preferência conduzida por um método de amina, que é menos dispendioso e apropriado para as instalações em grande escala, ou um método PSA, que tem um bom registro em instalações de tamanho pequeno-médio e é capaz de processar a um baixo custo, e a separação de nitrogênio no segundo estágio é de preferência conduzida pelo método PSA. A separação e a remoção de dióxido de carbono e de nitrogênio devem ser conduzidas de modo que o valor de aquecimento do gás de alto forno reformado após a separação e remoção é 1060 kcal/Nm3 ou mais e, mais de preferência 1500 kcal/Nm3 ou mais, como mencionado anteriormente.
O gás de alto forno reformado fabricado pela separação e remoção de dióxido de carbono e de nitrogênio a partir do gás de alto forno é usado como um gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás. O método para operar a instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás será agora descrito com referência à figura 5. A figura 5 é um diagrama esquemático mostrando a estrutura de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás que implementa a terceira modalidade.
O gás de alto forno reformado servindo como um gás combustível é introduzido no compressor de gás combustível 104 e a temperatura e a pressão do gás de alto forno reformado são aumentadas pelo compressor de gás combustível 104. O gás de alto forno em alta temperatura, alta pressão é então suprido ao queimador 106. O ar para a combustão é introduzido no compressor de ar 105 para obter o ar em alta temperatura, alta pressão pelo compressor de ar 105. O ar em alta temperatura, alta pressão é suprido ao queimador 106. O gás de alto forno reformado em alta temperatura, alta pressão é queimado com o queimador 106 usando o ar em alta temperatura, alta pressão, e um gás de combustão em alta temperatura, alta pressão é deste modo gerado. O gás de combustão é orientado para dentro da turbina de gás 1 para girar a turbina de gás 1 e para deste modo girar o gerador de energia 103 para gerar energia.
O gás de exaustão a partir da turbina de gás 1 é orientado para a caldeira de gás de exaustão 107 para gerar vapor e o vapor é suprido à turbina de gás 107 para girar a turbina de vapor 102 e para girar o gerador de energia 103 para gerar energia.
A turbina de gás 101, a turbina de vapor 102, o gerador de energia 103 e o compressor de ar 105 da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás estão dispostos no mesmo eixo geométrico e, assim, a energia é gerada eficazmente. De acordo com a terceira modalidade, uma vez que o gás de alto forno reformado tendo um valor de aquecimento aumentado é usado como o gás combustível, isto é, uma vez que o gás de alto forno reformado a partir do qual os componentes de gás inerte são separados e removidos é usado, a energia motriz que era necessária para aumentar a temperatura e a pressão dos componentes de gás inerte no compressor de gás combustível 104 na prática convencional de usar gás misturado como um gás combustível, não é mais necessária, a energia motriz é reduzida como um resultado e a geração de energia é aumentada.
Em uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás de 300-mW, a redução da energia motriz no compressor de gás combustível 104 é tanto quanto 400 mW ou mais, deste modo aumentando a geração de energia em 10% ou mais. O compressor de gás combustível 104 não está disposto sobre o mesmo eixo geométrico como a turbina de gás 1, a turbina de vapor 102, o gerador de energia 103, etc., e é conectado através da transmissão 108. Assim, a quantidade de energia motriz usada no compressão de gás combustível 104 pode ser facilmente ajustada controlando a transmissão 108.
Como descrito acima, de acordo com a terceira modalidade, uma vez que o gás de alto forno reformado a partir do qual os componentes de gás inerte são separados e removidos e que tem um alto valor de aquecimento é usado como um gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás, a quantidade de energia motriz do compressor de gás combustível da instalação de geração de ener37 gia combinada com uma turbina de gás é reduzida e a geração de energia pode ser aumentada pela quantidade equivalente a esta redução na energia motriz.
Na terceira modalidade, o gás de alto forno reformado obtido separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio a partir do gás de alto forno é usado como um gás combustível da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás. A fim de aumentar a eficácia da separação de dióxido de carbono e de nitrogênio, o ar enriquecido com oxigênio é de preferência injetado dentro do alto forno em vez de ar para reduzir o teor de nitrogênio no gás de alto forno e aumentar a quantidade de gás de alto forno gerado.
Isto é, na terceira modalidade, o gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno é recuperado, e o dióxido de carbono e o nitrogênio é separado e removido do gás de alto forno recuperado; no entanto, quando o ar é injetado a partir de pireno fornecido na parte inferior do alto forno, cerca de 55% em volume de nitrogênio são contidos no gás de alto forno descarregado e a quantidade de gás de alto forno gerado aumenta devido ao alto teor de nitrogênio. A fim de suprimir o aumento no custo para submeter grandes quantidades de gás de alto forno ao tratamento de separação e o custo para separar o nitrogênio contido no mesmo em grandes quantidades, o ar enriquecido com oxigênio contendo, por exemplo, 30% em volume ou mais de oxigênio, é de preferência injetado dentro do alto forno através de pireno na terceira modalidade para aumentar a quantidade de nitrogênio contido no gás de alto forno e reduzir a quantidade de gás de alto forno gerado. Ao injetar o ar enriquecido com oxigênio, o oxigênio em uma quantidade igual à quantidade de oxigênio injetado quando o ar é injetado pode ser injetado; assim, a quantidade de injeção é pequena comparada a quando o ar é injetado.
O nitrogênio no ar injetado dentro do gás de alto forno não contribui para as reações e é descarregado a partir do topo do forno enquanto mantendo a quantidade suprida. Consequentemente, quando o ar enriquecido com oxigênio é injetado dentro do alto forno, o teor de nitrogênio no gás de alto forno diminui devido ao decréscimo no teor de nitrogênio comparado a ar e a quantidade de gás de alto forno gerado diminui. Como um resultado, a quantidade do gás de alto forno submetido ao tratamento de separação diminui, e a concentração de nitrogênio no gás de alto forno descarregado diminui, deste modo tornando a separação de dióxido de carbono e de nitrogênio mais eficaz.
Notar que durante a operação no alto forno em que um gás de alto forno tendo uma concentração de nitrogênio de 54% em volume é descarregado, o teor de nitrogênio no gás de alto forno é cerca de 42% em volume quando o ar enriquecido com oxigênio tendo uma concentração de oxigênio de 30% em volume é injetada em vez de ar, deste modo reduzindo cerca de 38% em volume de nitrogênio. Quando o ar enriquecido com oxigênio tendo uma concentração de oxigênio de 50% em volume é injetado, o teor de nitrogênio no alto forno é cerca de 24% em volume. Na terceira modalidade, a razão para injetar o ar enriquecido com oxigênio é reduzir significativamente o teor de nitrogênio no gás de alto forno descarregado, como descrito acima.
Um separador criogênico, um separador de membrana, um dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório, ou semelhante, pode ser usado no método para produzir o ar enriquecido com oxigênio, e qualquer método pode ser usado. No entanto, a fim de fabricar o ar enriquecido com oxigênio tendo uma concentração de oxigênio relativamente baixa, isto é, uma concentração de oxigênio de até cerca de 40% em volume, um dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório que pode fabricar o ar enriquecido com oxigênio a um baixo custo enquanto economizando energia é de preferência empregado. O separador criogênico é apropriado para a produção em massa, mas não é apropriado para fabricar o ar enriquecido com oxigênio com uma baixa concentração de oxigênio em vista do custo.
Quando o ar enriquecido com oxigênio é fabricado usando o dispositivo de fabricação de ar enriquecido com oxigênio giratório, a taxa de consumo de energia elétrica pode ser significativamente reduzida compara39 da a quando o ar enriquecido com oxigênio é fabricado produzindo oxigênio puro com um separador criogênico e misturando o oxigênio puro com ar.
Quando a terceira modalidade é implementada, a eficácia da geração de energia da instalação de geração de energia combinada com uma 5 turbina de gás melhora. De acordo com os estudos conduzidos pelos inventores da presente invenção, a eficácia da geração de energia melhora significativamente quando um gás de alto forno a jusante das siderurgias usa um gás de alto forno junto com gás de forno de coque e gás conversor para carburar o gás de alto forno como tem sido praticado convencionalmente e 10 quando um gás de alto forno reformado obtido separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio do resto do gás de alto forno é usado como um gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia. Verificou-se que a quantidade de energia gerada está bem acima da quantidade de energia consumida 15 nas instalações de siderurgias. Em outras palavras, verificou-se que a energia necessária pelas instalações de siderurgias pode ser suficientemente coberta somente pela quantidade de energia gerada a partir da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás que usa um gás de alto forno reformado como um gás combustível de acordo com a terceira 20 modalidade.
Como para o uso eficaz de energia em excesso, a energia em excesso é de preferência usada para armazenar o CO2 subterrâneo como meio para evitar o aquecimento global recente, ou usada como energia para fundir sucatas de ferro em um forno elétrico. Notar que embora o ferro fundi25 do fabricado reduzindo o minério de ferro em um alto forno e as sucatas de ferro seja usualmente usado como a fonte de ferro, a fabricação de ferro fundido em um alto forno envolve uma grande quantidade de energia para reduzir e fundir o minério de ferro. Em contraste, as sucatas de ferro requerem somente o calor de fusão. Assim, quando são usadas sucatas de ferro, 30 a redução de energia pela quantidade usada para reduzir termicamente o minério de ferro pode ser obtida, isto é, a conservação de energia e a redução de CO2 podem ser obtidas.
Também é possível injetar o gás de alto forno equivalente ao valor de aquecimento do gás de alto forno reformado necessário para gerar a energia em excesso ou o gás de alto forno reformado dentro do alto forno de modo a servir como um agente de redução em vez de gerar energia em excesso. O gás de alto forno e o gás de alto forno reformado contêm monóxido de carbono e hidrogênio que servem como agentes de redução para minério de ferro.
Isto é, em um alto forno, o minério de ferro, que é uma matériaprima principal, coque, que é um agente de redução e um combustível, e calcário, que é um agente de fluxo são carregados a partir do topo do forno e o ar quente aquecido para 1000°C ou mais alto é injetado através da ventaneira fornecida na parede lateral inferior para reduzir o minério de ferro e fabricar ferro fundido. À medida que o minério de ferro desce do forno, o minério de ferro é aquecido com o calor de combustão a partir de coque e ar quente e reduzido por CO gerado pela combusto de coque e carvão pulverizado. Esta reação de redução pode ser representada por FeOn + nCO -> Fe + nCO2 e é denominada redução indireta. A redução também prossegue à medida que o minério de ferro reage diretamente com o coque ou carvão pulverizado. Esta reação de redução pode ser representada por FeOn + nC -> Fe + nCO e é denominada redução direta.
Quando o gás de alto forno reformado ou o gás de alto forno é injetado no forno a partir de ventaneiras junto com o ar quente, o CO e H2 contidos no gás de alto forno reformado ou o gás de alto forno reduzem o minério de ferro. Assim, a quantidade de agente de redução equivalente à quantidade de gás de alto forno reformado e do gás de alto forno supridos pode ser reduzida. Neste caso, o gás de alto forno reformado e o gás de alto forno são de preferência aquecidos a cerca de 500°C ou mais antes de serem alimentados para dentro do forno como com o ar quente para aumentar a eficácia térmica do alto forno.
Quando um gás de alto forno com valor de aquecimento alto é usado com prioridade em uma instalação de aquecimento de siderurgias, o gás de forno de coque para ajustar o valor de aquecimento do combustível não precisa ser usado tanto. Assim, este excesso de gás de forno de coque também pode ser injetado dentro do alto forno.
EXEMPLO 1
As quantidades de energia gerada de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás mostrada na figura 1 foram comparadas entre quando um gás de alto forno reformado 2 (valor de aquecimento: 2346kcal/Nm3) que é mostrado na tabela 1 acima e do qual 90% tanto de dióxido de carbono como de nitrogênio foram separados e removidos foram usados como um gás combustível (um exemplo da terceira modalidade) e quando um gás misturado (valor de aquecimento: 1050 kcal/Nm3, proporção da mistura de gás de forno de coque: 6,6% em volume) de um gás de alto forno tendo um valor de aquecimento de 825 kcal/Nm3 e um gás de forno de coque tendo um valor de aquecimento de 4250 kcal/Nm3 é usado como o gás combustível (exemplo convencional).
Como um resultado, como mostrado na tabela 4, no exemplo da invenção, a energia motriz do compressor de gás combustível foi reduzida em 30 MW comparada ao exemplo convencional e, assim, um aumento na geração de energia equivalente a 30 MW foi obtida. Como um resultado, a eficácia da geração de energia melhorou de 49% a 53% e a geração de energia eficaz foi obtida.
TABELA 4
Gás combustível Energia motriz do compressor de gás combustível Geração de energia Eficácia da geração de energia
Tipo Valor de aquecimento
Exemplo da invenção Gás de alto forno reformado 2 2346 kcal/Nm3 53 MW 330 MW 53%
Exemplo convencional Gás misturado 1050 kcal/Nm3 83 MW 300 MW 49%
EXEMPLO 2
São descritos os resultados da investigação quando a terceira modalidade é aplicada em siderurgias tendo uma produção de aço bruto anual de 10 milhões de toneladas. Como para as pré-condições da investigação, os gases de subprodutos gerados nas siderurgias foram usados como de costume em um forno de aquecimento de aço a jusante das siderurgias, e 5 o gás de alto forno restante foi modificado dentro de um gás de alto forno reformado 2 mostrado na tabela 1 acima para uso como um gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás. A eficácia da geração de energia da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás foi estimada ser baixa, isto é, cerca de 10 50%, considerando a variação na quantidade de gás de alto forno gerado por trocas na operação do alto forno. Naturalmente, nenhuma energia adquirida tal como LNG ou LPG foi usada. O balanço de energia de siderurgias é mostrado na tabela 5. A tabela 5 também mostra o balanço de energia de siderurgias equipadas com um gerador de energia convencional que gera 15 energia com turbinas de vapor como um exemplo comparativo. A eficácia da geração de energia do gerador de energia convencional foi presumida ser 37% baseada no registro.
TABELA 5
Exemplo da invenção Exemplo comparativo
Produção de aço bruto anual 10 milhões ton 10 milhões ton
Quantidade de agente de redução injetado anualmente 47,8 trilhões kcal 47,8 trilhões kcal
Detalhes do calor evolvido anualmente Calor da reação de redução 16,5 trilhões kcal 16,5 trilhões kcal
Dissipação de calor do corpo do forno 9,6 trilhões kcal 9,6 trilhões kcal
Gases de subprodutos Gás de forno de coque 7,8 trilhões kcal 7,8 trilhões kcal
Gás de alto forno 12,2 trilhões kcal 12,2 trilhões kcal
Gás con- versor 1,7 trilhões kcal 1,7 trilhões kcal
Exemplo da invenção Exemplo comparativo
Subtotal 21,7 trilhões kcal 21,7 trilhões kcal
Total 47,8 trilhões kcal 47,8 trilhões kcal
Detalhes de onde os gases de subprodutos são usados Forno de aquecimento, etc., na instalação 12,2 trilhões kcal 12,2 trilhões kcal
Gerador de energia 9,5 trilhões kcal 9,5 trilhões kcal
Gerador de energia Tipo Combinado com turbina de gás Turbina de vapor
Eficácia da geração de energia 50% 37%
Balanço de energia anual Geração de energia (A) 5,52 bilhões kWh 4,09 bilhões kWh
Consumo na instalação (B) 4,43 bilhões kWh 4,43 bilhões kWh
Excesso e eficácia ((A)- (B)) +1,09 bilhões kWh -0,34 bilhão kWh
A energia injetada nas siderurgias é um agente de redução composto de carvão de coqueificação e coque e 47,8 trilhões (1012) kcal de agente de redução são injetados anualmente para uma produção de aço bruto de 10 milhões de tons/ano. O agente de redução geral, como gases de 5 subprodutos, 7,8 trilhões kcal de gás de forno de coque, 12,2 trilhões kcal de gás de alto forno e 1,7 trilhões kcal de gás conversor e estes gases de subprodutos são recuperados. Da energia injetada nas siderurgias, o calor de reação para redução é 16,5 trilhões kcal e a dissipação de calor de corpos de forno tal como um alto forno e um conversor é 9,6 trilhões kcal. Estes ca10 lores não são recuperados como a energia.
De acordo com um registro, dos gases de subprodutos recuperados, o valor de 12,2 trilhões kcal de gases de subprodutos é usado em um forno de aquecimento de aço e semelhantes a jusante das siderurgias e, assim, o valor de 9,5 trilhões kcal de gases de subprodutos é suprido ao ge44 rador de energia tanto no exemplo da invenção como no exemplo comparativo.
No exemplo da invenção, o dióxido de carbono e o nitrogênio foram removidos da quantidade total do gás de alto forno no valor de 9,5 trilhões kcal para a fabricação de um gás de alto forno reformado e o gás de alto forno reformado foi usado como um gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás. Como um resultado, a eficácia da geração de energia foi 50% e 5,52 bilhões kWh de energia elétrica foram obtidos anualmente. Uma vez que o consumo de energia anual nas siderurgias é 4,43 bilhões kWh de acordo com um registro, cerca de 1,09 bilhão kWh de energia foi gerado anualmente em excesso.
Verificou-se que esta energia em excesso pode ser usada para armazenar CO2 subterrâneo ou sucatas de ferro fundido em um forno elétrico. Verificou-se também que quando nenhuma energia em excesso é gerada, o gás de alto forno que poderia ser usado para gerar a energia em excesso permanece não usado e, assim, este gás de alto forno ou um gás de alto forno reformado, obtido reformando o gás de alto forno, pode ser usado como um gás de redução e injetado no alto forno. Em contraste, de acordo com o exemplo comparativo, apesar de que o valor de 9,5 trilhões kcal de um gás misturado do gás de alto forno e o gás de forno de coque foi suprido ao gerador de energia de um tipo de turbina de vapor, a eficácia da geração de energia do gerador de energia foi 37%. Embora a mesma quantidade de energia, como o exemplo da invenção, fosse injetada, somente 4,09 bilhões kWh de energia foram obtidos anualmente, 0,34 bilhão kWh de energia foi anualmente deficiente, e uma quantidade correspondente de energia teve que ser adquirida de fora.

Claims (10)

1/4
REIVINDICAÇÕES
1. Método para separar um gás de alto forno, caracterizado por compreender as etapas de:
produzir ar enriquecido com oxigênio que tem uma concentração de oxigênio de 25% a 96% em volume;
soprar o ar enriquecido com oxigênio para dentro de um alto forno através de ventaneiras fornecidas em uma parte inferior do alto forno;
gerar um gás de alto forno reformado possuindo um valor de aquecimento de 1060 a 2950 kcal/Nm3 separando e removendo o dióxido de carbono e o nitrogênio em um gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno;
introduzir o gás de alto forno reformado, servindo como um gás combustível, em um compressor de gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com turbina de gás; e queimar o gás de alto forno reformado com um queimador da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia; em que a etapa de gerar o ar enriquecido com oxigênio compreende:
preparar um recipiente cilíndrico que é girável em torno de um eixo geométrico central e contém um adsorvente que absorve nitrogênio tendo uma adsorção de nitrogênio que aumenta com um aumento na pressão ou diminui na temperatura, em que os adsorventes de absorção de umidade são dispostos nos dois lados do adsorvente de absorção de nitrogênio;
suprir ares secos tendo pressões e temperaturas diferentes ao adsorvente que absorve nitrogênio, os ares secos sendo fornecidos ao adsorvente de absorção de nitrogênio em direções opostas relativas aos adsorventes;
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2/4 conduzir um tratamento de desnitrificação sobre um ar tendo uma pressão relativamente alta ou uma temperatura relativamente baixa;
conduzir o enriquecimento com nitrogênio sobre um ar tendo uma pressão relativamente baixa ou uma temperatura relativamente alta, deste modo conduzindo o enriquecimento com oxigênio sobre o ar tendo a pressão relativamente alta ou a temperatura relativamente baixa.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado compreende:
separar e remover o dióxido de carbono por um método de amina, e separar e remover o nitrogênio por um método de PSA.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado compreende:
separar e remover o dióxido de carbono por um método PSA, e separar e remover nitrogênio por um método de PSA.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado compreende usar calor de exaustão de estruturas de aço para separar e remover o dióxido de carbono e o nitrogênio no gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda a etapa de usar o gás de alto forno reformado como um gás combustível de pelo menos um selecionado a partir do grupo consistindo em um forno de aquecimento, um forno de embebi-
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3/4 mento, um forno de recozimento e um forno de retenção.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda as etapas de:
usar o gás de alto forno reformado como um gás combustível para pelo menos um selecionado a partir do grupo consistindo em um forno de aquecimento, um forno de embebimento, um forno de recozimento e um forno de retenção; e injetar um gás de forno de coque dentro do alto forno.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda a etapa de executar a reciclagem injetando o gás de alto forno reformado dentro do alto forno.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda as etapas de:
introduzir o gás de alto forno reformado, servindo como um gás combustível, em um compressor de gás combustível de uma instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás e queimar o gás de alto forno reformado com um queimador da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás para gerar energia, em que a etapa de gerar o gás de alto forno reformado compreende usar calor de exaustão de estruturas de aço utilizando a energia obtida por um método de operação da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás de modo a separar e remover o dióxido de carbono e o nitrogênio no gás de alto forno descarregado a partir do topo do alto forno.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda a etapa de suprir a energia gerada por um método de operação da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás a instalações de estruturas de aço e usar a energia em excesso para armazenar o dióxido de carbono subterrâneo ou fun-
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4/4 dir sucatas de ferro.
10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda:
suprir a energia gerada por um método de operação da instalação de geração de energia combinada com uma turbina de gás a instalações de estruturas de aço, interromper a geração de energia correspondente à energia em excesso, e injetar dentro do alto forno o gás de alto forno reformado ou o gás de alto forno tendo um valor de aquecimento equivalente ao gás de alto forno reformado necessário para gerar a energia em excesso.
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