BRPI0909767B1 - Método para a separação de gás de alto-forno - Google Patents

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Takashi Haraoka
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Abstract

método para a separação de gás de alto-forno na separação de um gás de alto-forno descarregado de um topo de alto-forno em gases, cada qual contendo um componente gasoso como um componente primeiro por meio do uso de aparelhos de separação/refino de gás de dois estágios, um método para a separação do gás de alto-forno inclui a separação do gás de alto-forno em um gás contendo dióxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de um primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio (s1) e a separação do gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável separados por meio do uso do aparelho de separação/refino de primeiro estágio em um gás contendo nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de um segundo aparelho de separação/refino de gás de estágio (s2).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO PARA A SEPARAÇÃO DE GÁS DE ALTO-FORNO.
CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção refere-se a um método para a separação de um gás de alto-forno descarregado de um topo de alto-forno em gases, cada qual contendo um componente gasoso como um componente principal.
DESCRIÇÃO DAS TÉCNICAS RELACIONADAS [002] Nas indústrias siderúrgicas, gases chamados gases de subproduto são gerados a partir de instalações, tais como forno de coque, alto-forno, e conversor. Os gases contêm nitrogênio e dióxido de carbono além de outros componentes, tais como hidrogênio, monóxido de carbono, e metano, que podem ser usados como combustíveis. A maior parte dos gases de subproduto é utilizada em instalações que usam o calor gerado por combustão, tais como em geradores de força e em fornos de aquecimento. No entanto, uma vez que componentes inertes, tais como nitrogênio e dióxido de carbono, estão contidos nos gases de subproduto, o calor por volume é de 700 a 4500 kcal/Nm3, o que é baixo em comparação aos gases combustíveis comuns, tais como gás propano e gás natural. Em particular, o gás de alto-forno tem um poder calorífico de cerca de 700 kcal/Nm3, o que é o mais baixo.
[003] Isto se deve ao fato de o gás de alto-forno conter poucos componentes combustíveis, tais como hidrogênio, monóxido de carbono, e metano, e o calor gerado pela combustão destes componentes combustíveis é usado para aquecer o nitrogênio e o dióxido de carbono que não são componentes combustíveis. Observa-se que um gás de alto-forno contém cerca de 50 a 55 % em volume de nitrogênio e 20 a 23 % em volume de dióxido de carbono.
[004] Por conseguinte, diversas propostas foram feitas com relaPetição 870190089125, de 09/09/2019, pág. 10/40
2/25 ção a métodos para a remoção de componentes inertes de gases de subproduto, em particular, métodos para a separação e recuperação de dióxido de carbono de um gás de alto-forno, a fim de cumprir as recentes demandas de redução de emissão de dióxido de carbono. [005] Por exemplo, o Documento de Patente 1 propõe um método para a fabricação de um gás inerte principalmente composto de nitrogênio e dióxido de carbono, por meio do qual, depois de o monóxido de carbono ser removido do gás, como, por exemplo, o gás de altoforno, contendo monóxido de carbono e dióxido de carbono, o gás é queimado na presença de um catalisador de combustão a fim de remover as quantidades de traço de gás combustível e oxigênio remanescentes. Uma proposta de separação de dióxido de carbono do gás inerte para obter um nitrogênio altamente puro foi também feita.
[006] O Documento de Patente 2 propõe um método para a fabricação de um gás rico em monóxido de carbono e hidrogênio por meio do qual dióxido de carbono e nitrogênio em um gás de alto-forno são seletivamente separados por meio de adsorção mediante o uso de um adsorvente de alumina e um poliestireno poroso por meio de um método de separação de adsorção por oscilação de pressão para a realização da separação de adsorção sob uma pressão aumentada ao colocar o gás em contato com um adsorvente e em seguida realizando a dessorção ao dessorver o componente adsorvido sob uma pressão reduzida.
[007] O Documento de Patente 3 propõe que, na separação e recuperação do dióxido de carbono por meio de um método de absorção química dos gases de subproduto gerados na indústria siderúrgica, um calor de exaustão de baixo grau de 500° C ou menos gerado na indústria siderúrgica seja utilizado em um processo de absorção de dióxido de carbono com um absorvente químico líquido dos gases e o aquecimento do absorvente químico líquido para separar dióxido de
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3/25 carbono.
[008] Documento de Patente 1: Publicação do Pedido de Patente
Japonesa não-examinado N. 61-28446.
[009] Documento de Patente 2: Publicação do Pedido de Patente
Japonesa não-examinado N. 62-193622.
[0010] Documento de Patente 3: Publicação do Pedido de Patente
Japonesa não-examinado N. 2004-292298.
[0011] Conforme proposto nos Documentos de Patente 1 a 3, uma tecnologia para a separação dos respectivos componentes contidos nos gases de subproduto gerados na indústria siderúrgica foi sugerida, porém nenhuma é colocada em prática e todas as tecnologias têm problemas a solucionar.
[0012] Por exemplo, no Documento de Patente 1, o monóxido de carbono no gás de alto-forno é separado por meio de um método de absorção. No entanto, cerca de 1 % em volume de monóxido de carbono permanece no gás após a absorção de monóxido de carbono, e o hidrogênio permanece não absorvido (referência à coluna esquerda superior, p. 2 do Documento de Patente 1). Os mesmos são completamente queimados por meio de um queimador instalado a jusante do separador. O calor gerado pelo monóxido de carbono e hidrogênio remanescentes é tão grande quanto 5 % do calor do gás de alto-forno, porém, uma vez que o gás é diluído com grandes quantidades de nitrogênio e dióxido de carbono, torna-se extremamente difícil se usar de maneira efetiva o calor gerado pelo queimador. Sendo assim, o Documento de Patente 1 desperdiça o calor equivalente a 5 % do calor do gás de alto-forno.
[0013] No Documento de Patente 2, um adsorvente baseado em alumina para a adsorção do dióxido de carbono no gás de alto-forno e um poliestireno poroso para a adsorção do nitrogênio são carregados em uma torre de adsorção, e o dióxido de carbono e o nitrogênio no
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4/25 gás de alto-forno são permitidos adsorver na torre de adsorção de modo a obter um gás tendo uma concentração relativamente alta de monóxido de carbono e uma concentração relativamente alta de hidrogênio. No entanto, uma vez que as razões de recuperação do monóxido de carbono e do hidrogênio não excedem 80 %, os restantes 20 % de monóxido de carbono e hidrogênio são descarregados como um gás de baixo poder calorífico misturados com dióxido de carbono e nitrogênio.
[0014] Além disso, no Documento de Patente 3, embora o dióxido de carbono no gás de alto-forno seja separado e recuperado por meio de um método de absorção química, a concentração de dióxido de carbono no gás de alto-forno é de cerca de 20 %. Embora o efeito do aumento do poder calorífico possa ser obtido por meio da separação do dióxido de carbono apenas, o efeito do aperfeiçoamento é de cerca de 25 %, o que é limitado. Sendo assim, um gás tendo um alto poder calorífico não poderá ser obtido.
[0015] Além disso, todos os métodos de separação compartilham um problema relativo à injeção de energia motriz. No Documento de Patente 1, o aquecimento de 100° C a 150° C ou a diminuição da pressão são aspectos necessários na regeneração do absorvente líquido. No Documento de Patente 2, o aumento da pressão a 2 atmosferas para a dessorção é necessário. No Documento de Patente 3, o aquecimento a 120° C é necessário para a regeneração do absorvente líquido. A fonte de calor ou a energia motriz para estes são necessárias até mesmo por meio do uso de um gás de exaustão.
[0016] Conforme acima descrito, o aumento do poder calorífico por meio da remoção dos componentes inertes dos gases de subproduto de siderurgia é importante a partir do ponto de vista da redução da emissão de dióxido de carbono e da conservação de energia. No entanto, a fim de obter uma aplicação prática, as razões de recuperação
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5/25 de componentes combustíveis, tais como monóxido de carbono e hidrogênio, devem ser aperfeiçoadas e a energia ou os custos para a realização da separação devem ser reduzidos.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0017] É um objetivo da presente invenção prover um método para a separação de um alto-forno por meio do qual o gás de alto-forno pode ser separado em gases principalmente compostos dos respectivos componentes na fabricação de um gás de alto-forno reformado tendo um alto poder calorífico através da separação e remoção do dióxido de carbono e nitrogênio do gás de alto-forno, o método sendo capaz de recuperar, de maneira eficaz, o respectivo gás com altas razões de recuperação.
[0018] Os inventores da presente invenção estudaram aperfeiçoamentos de razões de recuperação na separação do gás de alto-forno e da redução de energia e custos considerando diversos pontos de vista e descobriram que este objetivo pode ser obtido por meio de uma combinação adequada da ordem de separação e de técnicas de separação na separação dos respectivos componentes do gás de altoforno.
[0019] A presente invenção foi realizada com base nas descobertas acima mencionadas. Na separação de um gás de alto-forno descarregado a partir de um topo de alto-forno em gases, cada qual contendo um componente gasoso como um componente principal, por meio do uso de aparelhos de separação/refino de gás de dois estágios, um método para a separação do gás de alto-forno de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção compreende: a separação do gás de alto-forno em um gás contendo dióxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de um primeiro aparelho de separa
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6/25 ção/refino de gás de estágio, e a separação do gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável separado por meio do uso do primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio em um gás contendo nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de um segundo aparelho de separação/refino de gás de estágio.
[0020] Um método para a separação de um gás de alto-forno de acordo com uma segunda modalidade da presente invenção é caracterizado pelo fato de que, na primeira modalidade da presente invenção, o primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio é um separador de adsorção que separa dióxido de carbono por meio de adsorção e o segundo aparelho de separação/refino de gás de estágio é um separador de adsorção que separa monóxido de carbono por meio de adsorção.
[0021] Um método para a separação de um gás de alto-forno de acordo com uma terceira modalidade da presente invenção é caracterizado pelo fato de que, na primeira modalidade da presente invenção, o primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio é um absorvente químico que separa dióxido de carbono por meio de absorção e segundo aparelho de separação/refino de gás de estágio é um separador de adsorção que separa monóxido de carbono por meio de adsorção.
[0022] Um método para a separação de um gás de alto-forno de acordo com uma quarta modalidade da presente invenção é caracterizado pelo fato de que, na primeira modalidade da presente invenção, o primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio é um separador de adsorção que separa dióxido de carbono por meio de adsorção e o segundo aparelho de separação/refino de gás de estágio é um ab
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7/25 sorvente químico que separa monóxido de carbono por meio de absorção.
[0023] Um método para a separação de um gás de alto-forno de acordo com uma quinta modalidade da presente invenção é caracterizado pelo fato de que, em qualquer uma dentre a segunda a quarta modalidades, uma membrana permeável ao hidrogênio ou um adsorvente que adsorve outros componentes além do hidrogênio é provida com um terceiro aparelho de separação/refino de gás de estágio no lado de saída do separador de adsorção de modo a separar um gás contendo hidrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável do gás contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável separado com o separador de adsorção.
[0024] Um método para a separação de um gás de alto-forno de acordo com uma sexta modalidade da presente invenção é caracterizado pelo fato de que, na quinta modalidade da presente invenção, quando o adsorvente que adsorve outros componentes além do hidrogênio é disposto como o terceiro aparelho de separação/refino de gás de estágio para separar o gás contendo hidrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso deste adsorvente, os componentes adsorvidos no adsorvente são removidos por meio de uma operação de desaeração mediante a redução de pressão ou por meio de uma operação de lavagem ou de lavagem reversa com o uso de hidrogênio.
[0025] De acordo com a presente invenção, na separação do gás de alto-forno principalmente composto de hidrogênio, nitrogênio, monóxido de carbono, e dióxido de carbono nos respectivos componentes gasosos, o dióxido de carbono, que é o mais fácil de separar, é separado em primeiro lugar. Sendo assim, a separação do gás de altoforno pode ser feita com uma pequena energia motriz. Uma vez que aparelhos de separação/refino de gás de dois estágios são utilizados
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8/25 para a separação, os respectivos gases podem ser separados com altas razões de separação. Além disso, quando o terceiro aparelho de separação/refino de gás de estágio é utilizado para separar hidrogênio, um gás altamente concentrado pode ser recuperado do gás de altoforno com uma alta razão de recuperação e, como resultado, um gás de alto-forno reformado tendo um maior poder calorífico e contendo alta concentração de hidrogênio e alta concentração de monóxido de carbono poderá ser obtido. Devido a estes efeitos, a energia e os custos injetados para a separação podem ser reduzidos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0026] A figura 1 é um fluxograma mostrando uma primeira modalidade da presente invenção.
[0027] A figura 2 é um fluxograma mostrando uma segunda modalidade da presente invenção.
[0028] A figura 3 é um fluxograma mostrando uma terceira modalidade da presente invenção.
[0029] A figura 4 é um diagrama esquemático mostrando uma operação de separação que utiliza aparelhos de adsorção por oscilação de pressão nas etapas de separação de gás de um primeiro estágio e de um segundo estágio.
[0030] A figura 5 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando um separador de hidrogênio é um separador de membrana da primeira modalidade da presente invenção mostrada na figura 4.
[0031] A figura 6 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando um separador de hidrogênio é um separador de adsorção da primeira modalidade da presente invenção mostrada na figura 4.
[0032] A figura 7 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando um separador de hidrogênio é submetido a uma
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9/25 operação de desaeração da primeira modalidade da presente invenção mostrada na figura 4.
[0033] A figura 8 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando um separador de hidrogênio é submetido a uma operação de lavagem com o hidrogênio da primeira modalidade da presente invenção mostrada na figura 4.
[0034] A figura 9 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando um separador de hidrogênio é submetido a uma operação de lavagem reversa com o hidrogênio da primeira modalidade da presente invenção mostrada na figura 4.
Modalidades para a Execução da Invenção [0035] A presente invenção será descrita em detalhe a seguir.
[0036] A composição do gás de alto-forno é de 21.1 a 25.2 % em volume de dióxido de carbono, de 2.9 a 5.3 % em volume de hidrogênio, e de 52.5 a 59.2 % em volume de nitrogênio. (Vide o documento Handbook of Steel and Iron, 4a edição (CD-ROM), N.1, Vol. 2. Pig iron and steel making, publicado em 30 de julho de 2002, Tabela 425.7 (2000)). A fim de fabricar um gás de alto-forno reformado tendo um poder calorífico maior a partir deste gás de alto-forno ou similar, na presente invenção, um aparelho de separação/refino de gás de dois estágios é usado para separar o gás de alto-forno nos respectivos componentes gasosos. O gás de alto-forno é separado em um gás contendo dióxido de carbono e em um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio. O gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável separado por meio do aparelho de separação/refino de gás do primeiro estágio é separado em um gás contendo nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável e em um
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10/25 gás contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de um aparelho de separação/refino de gás do segundo estágio.
[0037] O componente gasoso de impureza inevitável inclui componentes menores contidos no gás de alto-forno, como também os componentes gasosos que são incidentalmente misturados para fins de uma eficiência de separação, além de outros componentes a serem separados selecionados dentre os quatro componentes (monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, e nitrogênio) acima descritos, e 20 % em volume de tais componentes ficam contidos no máximo. Observa-se que o gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável às vezes contém hidrogênio como o componente gasoso de impureza inevitável. Em outras palavras, em alguns casos, um gás contendo hidrogênio, nitrogênio, e um componente gasoso de impureza inevitável é separado do gás descarregado do separador de adsorção. O gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável é um conceito que cobre o caso no qual o gás contendo hidrogênio, nitrogênio, e um componente gasoso de impureza inevitável é separado e o caso no qual este gás não é separado.
[0038] Conforme acima descrito, de acordo com a presente invenção, o dióxido de carbono é separado do gás de alto-forno no aparelho de separação/refino de gás do primeiro estágio de modo que a carga imposta sobre a etapa de separação de monóxido de carbono possa ser reduzida e uma separação eficaz seja possível.
[0039] Um separador de adsorção que separa dióxido de carbono (também referido doravante como CO2) por meio de adsorção ou um absorvente químico que separa dióxido de carbono por meio de absorção pode ser usado como o aparelho de separação/refino de gás do primeiro estágio. Um separador de adsorção que separa monóxido de
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11/25 carbono (também referido doravante como CO) por meio de adsorção ou um absorvente químico que separa monóxido de carbono por meio de absorção pode ser usado como o aparelho de separação/refino de gás do segundo estágio, como também com o aparelho de separação/refino de gás do primeiro estágio.
[0040] Uma técnica de adsorção por oscilação de pressão (técnica
PSA), uma técnica de adsorção por oscilação de temperatura (TSA) ou similar podem ser usadas como o método de separação de adsorção utilizado como aparelhos de separação/refino de gás dos primeiro e segundo estágios. Como o absorvente químico usado com os aparelhos de separação/refino de gás dos primeiro e segundo estágios, um método de amina, um método de amônia resfriada, ou similar podem ser usados para o dióxido de carbono e um método que utiliza como um líquido absorvente, como o hexametilfosfato de cloreto triamida de cobre, cloreto tolueno de alumínio, ou similar, podem ser usados para o monóxido de carbono.
[0041] Observa-se que as combinações possíveis dos separadores do primeiro estágio e do segundo estágio incluem adsorção + adsorção (primeira modalidade), absorção + adsorção (segunda modalidade), e adsorção + absorção) (terceira modalidade). No entanto, quando ambos o primeiro estágio e o segundo estágio empregam o método de absorção, o hidrogênio não pode ser separado e ocorre uma perda, o que não é preferido.
[0042] Além disso, o hidrogênio altamente puro pode ser separado por meio da provisão de um separador de hidrogênio equipado com um adsorvente que adsorve outros componentes além do hidrogênio ou um filme permeável ao hidrogênio como um terceiro aparelho de separação/refino de gás de estágio no lado de saída do separador de adsorção (podendo ser o separador do primeiro estágio ou do segundo estágio).
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12/25 [0043] A presente invenção será descrita a seguir em detalhe com referência aos desenhos.
[0044] A figura 1 é um fluxograma mostrando uma primeira modalidade da presente invenção. Um separador de adsorção de CO2 é provido como uma etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1) a fim de separar, com este separador de adsorção de CO2, o gás de alto-forno em um gás (descarregado do separador em um período inicial de descarga) contendo hidrogênio (também referido doravante como H2), nitrogênio (também referido doravante como N2), e um componente gasoso de impureza inevitável, em um gás (descarregado no período intermediário de descarga) contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável, e em um gás (descarregado por último) contendo dióxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável. Um separador de adsorção de CO é provido como uma etapa de separação de gás de segundo estágio (S2) a fim de separar, com este separador de adsorção de CO, o gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de primeiro estágio (S1) em um gás (descarregado do separador durante o período inicial de descarga) contendo nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás (descarregado por último) contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável.
[0045] Observa-se que o termo descarga é usado para se referir a todos os procedimentos de descarga a partir de uma torre de adsorção nas respectivas etapas do método de adsorção por oscilação (adsorção, redução de pressão, limpeza, desaeração, etc.) de pressão (temperatura). Os termos inicial, intermediário, e último indicam a ordem crônica dentro de um ciclo constituído pelas respectivas etapas. [0046] O motivo para a separação do dióxido de carbono na etapa
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13/25 de separação de gás de primeiro estágio é como se segue. Quando um separador de adsorção é usado para conduzir a separação, a capacidade de adsorção dos respectivos componentes para o adsorvente de modo geral aumenta na ordem de hidrogênio << nitrogênio < monóxido de carbono << dióxido de carbono. A diferença na capacidade de adsorção entre o nitrogênio e o monóxido de carbono é de modo geral pequena em comparação à diferença na capacidade de adsorção entre outros componentes. Isto mostra que na separação de um gás misturado contendo hidrogênio, nitrogênio, monóxido de carbono, e dióxido de carbono em respectivos componentes por meio do uso de um separador de adsorção, o dióxido de carbono é mais fácil de separar, uma vez que o dióxido de carbono adsorve em uma baixa pressão ou em uma temperatura elevada, ou seja, a separação do dióxido de carbono pode ser feita por meio da menor energia motriz. Além disso, de acordo com a separação pela técnica de adsorção, a injeção da energia motriz é necessária para os componentes que não estão sujeitos à separação. Uma vez que grandes quantidades de componentes não propensos à separação se encontram presentes na separação de componentes de baixa concentração, uma energia motriz maior se faz necessária.
[0047] Além disso, um separador de hidrogênio é provido como uma etapa de separação de gás de terceiro estágio (S3) e este separador de hidrogênio é usado para separar um gás contendo hidrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável do gás contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1). Conforme acima mencionado, a etapa de separação de gás de terceiro estágio (S3) não é essencial para a presente invenção. Um objeto de obtenção de um gás de alto-forno reformado tendo um poder calorífico por volume três vezes ou mais que o do gás de alto-forno pode ser su
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14/25 ficientemente obtido por meio da mistura do gás contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de gás de primeiro estágio (sem se afastar do âmbito de aplicação da presente invenção) e o gás contendo monóxido de carbono e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de gás de segundo estágio (S2).
[0048] A figura 2 é um fluxograma mostrando uma segunda modalidade da presente invenção. Um separador de adsorção de CO2 é provido como na etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1) e este separador de adsorção de CO2 é usado para separar um gás de alto-forno em um gás (descarregado de uma torre de adsorção) contendo nitrogênio, monóxido de carbono, hidrogênio, e um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás (descarregado de uma torre de regeneração) contendo dióxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável. Um separador de adsorção de CO é provido como a etapa de separação de gás de segundo estágio (S2) e este separador de adsorção de CO é usado para separar o gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, hidrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1) em um gás (descarregado do separador no período inicial da descarga) contendo hidrogênio, nitrogênio, e um componente gasoso de impureza inevitável, em um gás (descarregado no período intermediário da descarga) contendo nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável, e em um gás (descarregado por último) contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável.
[0049] O motivo para a separação do dióxido de carbono em primeiro lugar na segunda modalidade é o mesmo que o descrito na primeira modalidade, ou seja, reduzir a carga sobre a etapa de separação de adsorção de gás de segundo estágio.
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15/25 [0050] Além disso, um separador de hidrogênio é provido como a etapa de separação de gás de terceiro estágio (S3) e este separador de hidrogênio é usado para separar um gás contendo hidrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável do gás contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de gás de segundo estágio (S2). A etapa de separação de gás de terceiro estágio (S3) não é essencial como na primeira modalidade.
[0051] A figura 3 é um fluxograma mostrando uma terceira modalidade da presente invenção. Um separador de adsorção de CO2 é provido como uma etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1) para separar, com este separador de adsorção de CO2, o gás de altoforno em um gás (descarregado do separador em um período inicial de descarga) contendo hidrogênio, nitrogênio, e um componente gasoso de impureza inevitável, em um gás (descarregado no período intermediário de descarga) contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável, e em um gás (descarregado por último) contendo dióxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável. Um separador de adsorção de CO é provido como uma etapa de separação de segundo estágio (S2) para separar, com este separador de adsorção de CO, o gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1) em um gás (descarregado da torre de adsorção) contendo nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável e em um gás (descarregado da torre de regeneração) contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável.
[0052] Além disso, um separador de hidrogênio é provido como uma etapa de separação de gás de terceiro estágio (S3) e este separador de hidrogênio é usado para separar um gás contendo hidrogênio
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16/25 e um componente gasoso de impureza inevitável do gás contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável separado na etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1). A etapa de separação de gás de terceiro estágio (S3) não é essencial como na primeira modalidade.
[0053] A primeira modalidade da presente invenção será descrita em mais detalhes mediante a citação de exemplos reais.
[0054] A figura 4 é um diagrama esquemático mostrando a operação de separação que utiliza aparelhos de adsorção por oscilação de pressão como um separador de adsorção de CO2 da etapa de separação de gás de primeiro estágio (S1) e um separador de adsorção de CO da etapa de separação de gás de segundo estágio (S2). Na figura 4, o numeral de referência 1 indica um contentor de gás de matériaprima de um aparelho de adsorção por oscilação de pressão de adsorção de CO2 (doravante referido como aparelho CO2-PSA), o numeral de referência 2 indica uma torre de adsorção do aparelho CO2-PSA (referida doravante como torre de adsorção de CO2-PSA 2), o numeral de referência 3 indica um contentor de gás de matéria-prima de um aparelho de adsorção por oscilação de pressão de adsorção de CO (doravante referido como aparelho CO-PSA), o numeral de referência 4 indica uma torre de adsorção do aparelho CO-PSA (doravante referida como torre de adsorção de CO-PSA), o numeral de referência 5 indica o separador de hidrogênio acima mencionado. Observa-se que os estados de distribuição dos respectivos componentes gasosos dentro da torre de adsorção de CO2-PSA 2 e da torre de adsorção de COPSA 4 são ilustrações meramente esquemáticas para descrição e não representam uma real distribuição de gás nas torres.
[0055] O gás de alto-forno descarregado do alto-forno é introduzido no contentor de gás de matéria-prima 1 do aparelho de adsorção de CO2-PSA, misturado no contentor de gás de matéria-prima 1 com
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17/25 um gás d contendo nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável que retorna da torre de adsorção de CO2-PSA 2 descrito abaixo, e introduzido à torre de adsorção de CO2-PSA 2 a partir do contentor de gás de matériaprima 1. Neste caso, poeira (partículas sólidas), névoa (partículas líquidas finas), umidade, e enxofre no gás de alto-forno são de preferência removidos antes de o gás de alto-forno ser introduzido no contentor de gás de matéria-prima 1. Isto porque a poeira obstrui os poros do adsorvente instalado na torre de adsorção de CO2-PSA 2, deste modo degradando o desempenho, e a névoa e a umidade degradam relativamente a capacidade de o adsorvente adsorver o dióxido de carbono, uma vez que as mesmas têm uma capacidade de adsorção maior ao adsorvente que o dióxido de carbono e aceleram a deterioração do adsorvente. O enxofre degrada o desempenho devido ao envenenamento dos sítios de adsorção do adsorvente.
[0056] Qualquer material que pode separar hidrogênio, nitrogênio, monóxido de carbono, e dióxido de carbono até certo ponto pode ser usado como o adsorvente a ser carregado na torre de adsorção de CO2-PSA 2. O adsorvente não é particularmente especificado e carbono ativado e zeólito comercialmente disponíveis podem ser usados. A pressão durante a adsorção e a pressão durante a dessorção não são particularmente limitadas, mas a pressão de adsorção é de preferência de 100 a 500 kPa e a pressão de dessorção é de preferência de 5 a 100 kPa de modo a facilitar a operação.
[0057] Um gás a (gás contendo gás de alto-forno e N2, CO, CO2 e um componente gasoso de impureza inevitável circulantes) introduzido na torre de adsorção de CO2-PSA 2 a partir do contentor de gás de matéria-prima 1 é separado em um gás b contendo hidrogênio, nitrogênio, e um componente gasoso de impureza inevitável, nitrogênio, e um componente gasoso de impureza inevitável, em um gás c contendo
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18/25 nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável, em um gás d contendo nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável, e em um gás e contendo dióxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável, conforme mostrado na figura 4.
[0058] O gás b contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável pode ser diretamente usado como um gás combustível nas siderúrgicas, mas pode ser separado em um gás j contendo hidrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável, ou seja, um hidrogênio altamente concentrado, por meio da provisão de um separador de hidrogênio 5. Um gás k contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável separado do gás b contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável pode ser recuperado pelo contentor de gás de matéria-prima 1 do CO2-PSA ou pelo contentor de gás de matéria-prima 3 do aparelho de CO-PSA, porém é difuso em ar após ser misturado com ar usando um catalisador e queimado quando o conteúdo de monóxido de carbono no mesmo é tão baixo que a energia motriz necessária para a separação precisa ser aumentada. O separador de hidrogênio 5 pode ser um aparelho de PSA que fortemente adsorve outros componentes gasosos (isto é, nitrogênio) além de hidrogênio ou um adsorvente pode ser carregado na porção superior da torre de adsorção de CO2-PSA 2 separadamente do adsorvente para CO2. O separador de hidrogênio pode ser um filme de separação de hidrogênio usando o tamanho das moléculas.
[0059] O gás c contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável é alimentado para o contentor de gás de matéria-prima 3 do aparelho de CO-PSA a jusante. O gás d contendo nitrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável é alimentado para o
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19/25 contentor de gás de matéria-prima 1 do aparelho de CO2-PSA conforme descrito acima e misturado com o gás de alto-forno. O gás separado e contendo dióxido de carbono e o componente gasoso de impureza inevitável é um CO2 altamente puro, tendo uma pureza de 99 % ou mais e pode ser usado como um gás inerte ou para gelo seco.
[0060] O aparelho de CO2-PSA repete a introdução de um gás do contentor de gás de matéria-prima 1 na torre de adsorção de CO2-PSA 2 e a descarga do gás da torre de adsorção de CO2-PSA 2.
[0061] O gás c contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável separado pela torre de adsorção de CO2-PSA 2 é alimentado para o contentor de gás de matéria-prima 3 do aparelho CO-PSA a jusante, misturado no contentor de gás de matéria-prima 3 com o gás h contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável retornando da torre de adsorção de CO-PSA 4 descrito abaixo, e introduzido como um gás f do contentor de gás de matéria-prima 3 para a torre de adsorção de CO-PSA 4.
[0062] O adsorvente carregado na torre de adsorção de CO-PSA 4 pode ser qualquer material que pode separar monóxido de carbono até certo ponto e não é particularmente especificado. O zeólito do tipo Y e o zeólito do tipo Y que carregam um cobre monovalente ou que são submetidos a uma troca de íons são preferidos, uma vez que os mesmos apresentam boa capacidade de adsorção de monóxido de carbono. A pressão durante a adsorção e a pressão durante a dessorção não são particularmente limitadas, mas a pressão de adsorção é de preferência de 100 a 500 kPa e a pressão de dessorção é de preferência de 5 a 100 kPa no sentido de facilitar a operação.
[0063] O gás f introduzido do contentor de gás de matéria-prima 3 para a torre de adsorção de CO-PSA 4 é, como mostrado na figura 4, separado em um gás g contendo nitrogênio e um componente gasoso
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20/25 de impureza inevitável, em um gás g contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e um componente gasoso de impureza inevitável, e em um gás i contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável. O gás g contendo nitrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável é um N2 altamente puro tendo uma pureza de cerca de 99 % e pode ser usado como um gás inerte em um conversor ou similar. O gás h contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável é alimentado para o contentor de gás de matéria-prima 3, conforme descrito acima. O gás i contendo monóxido de carbono e o componente gasoso de impureza inevitável é um CO altamente puro tendo uma pureza de 99 % ou mais e pode ser usado como um gás combustível tendo um poder calorífico de 3000 Kcal/Nm3 ou mais. O gás i é também útil com uma matériaprima química.
[0064] O aparelho CO-PSA repete a introdução de um gás do contentor de gás de matéria-prima 3 na torre de adsorção de CO-PSA e a descarga do gás da torre de adsorção de CO-PSA 4.
[0065] Como resultado, H2, CO2, N2, e CO altamente puros podem ser separados do gás de alto-forno com uma alta eficiência e alta razão de separação.
[0066] Observa-se que, quando o separador de hidrogênio 5 é provido, o separador de hidrogênio 5 pode ser um aparelho PSA que adsorve fortemente outros componentes gasosos além do hidrogênio ou uma membrana de separação de hidrogênio. Quando o aparelho PSA que fortemente adsorve outros componentes gasosos além do hidrogênio é utilizado, é preferível se conduzir uma operação de desaeração por meio da redução da pressão ou uma operação de lavagem ou de lavagem reversa com hidrogênio na quebra do adsorvente com outros componentes além do hidrogênio. A perda de monóxido de carbono e nitrogênio pode ser minimizada mediante a realização de
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21/25 uma operação de desaeração por meio da redução de pressão, ou de uma operação de lavagem ou de lavagem reversa usando hidrogênio. [0067] A figura 5 mostra um exemplo da primeira modalidade na qual o separador de hidrogênio 5 é um separador de membrana. O gás k que contém monóxido de carbono, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável e é separado e descarregado ao mesmo tempo que o gás j (um gás de hidrogênio altamente puro) contendo hidrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável mediante o uso do separador de hidrogênio 5 é introduzido no contentor de gás de matéria-prima 1 quando a concentração de hidrogênio no gás separado e descarregado é alta, e no separador de gás de matéria-prima 3 quando a concentração de hidrogênio no gás separado e descarregado é baixa.
[0068] A figura 6 mostra um exemplo da primeira modalidade na qual o separador de hidrogênio 5 é um aparelho de adsorção. O gás b contendo hidrogênio, nitrogênio, e o componente gasoso de impureza inevitável é introduzido no separador de hidrogênio 5 a fim de separar o gás j (um gás de hidrogênio altamente puro) contendo hidrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável.
[0069] No caso em que o separador de hidrogênio 5 é um aparelho de adsorção, a figura 7 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando uma operação de desaeração do aparelho de adsorção é realizada mediante a redução da pressão após a separação do gás j contendo hidrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável, a figura 8 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando uma operação de lavagem do aparelho de adsorção é conduzida com hidrogênio, e a figura 9 é um diagrama esquemático de uma operação de separação quando uma operação de lavagem reversa do aparelho de adsorção é conduzida com hidrogênio. Neste caso, a operação de lavagem com hidrogênio significa a
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22/25 operação de lavagem em uma direção para frente e significa que um gás de hidrogênio para lavagem é introduzido na mesma direção de introdução do gás durante a adsorção. De maneira similar, a operação de lavagem reversa com gás de hidrogênio significa uma operação de lavagem na direção reversa e que o gás de hidrogênio para lavagem é introduzido em uma direção oposta na direção de introdução de gás durante a adsorção.
[0070] Quando o separador de hidrogênio 5 é um aparelho de adsorção e a operação de desaeração do aparelho de adsorção deve ser conduzida, CO, N2, etc., remanescentes no separador de hidrogênio 5 são evacuados com um aparelho de evacuação 6, como uma bomba a vácuo, conforme mostrado na figura 7. Um gás de exaustão separado 1 principalmente composto de CO e N2 descarregado é introduzido no contentor de gás de matéria-prima 1 quando a concentração de hidrogênio no gás de exaustão separado é alta, e no contentor de gás de matéria-prima 3 quando a concentração de hidrogênio no gás de exaustão separado é baixa.
[0071] Quando uma operação de lavagem do aparelho de adsorção com hidrogênio após a separação do gás j contendo hidrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável deve ser realizada, conforme mostrado na figura 8, o gás separado j contendo hidrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável são introduzidos no separador de hidrogênio 5 através de um aparelho de soprar 7, como um soprador, a fim de evacuar o gás contendo CO, N2, e o componente gasoso de impureza inevitável remanescente no separador de hidrogênio 5. Um gás descarregado m contendo CO, N2, H2, e um componente gasoso de impureza inevitável é introduzido no contentor de gás de matéria-prima 1 quando a concentração de hidrogênio no gás de exaustão separado é alta, e no contentor de gás de matéria-prima 3 quando a concentração de hidrogênio no gás de exaustão separado é
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23/25 baixa.
[0072] De maneira similar, quando a operação de lavagem reversa do aparelho de adsorção com hidrogênio deve ser realizada, conforme mostrado na figura 9, o gás separado j contendo hidrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável é introduzido no separador de hidrogênio 5 por meio do uso do aparelho de soprar 7 a fim de evacuar CO, N2, e o componente gasoso de impureza inevitável remanescente no separador de hidrogênio 5. Um gás descarregado n contendo CO, N2, H2, e um componente gasoso de impureza inevitável é introduzido no contentor de gás de matéria-prima 1 quando a concentração de hidrogênio no gás de exaustão separado é alta, e no contentor de gás de matéria-prima 3 quando a concentração de hidrogênio no gás de exaustão é baixa.
[0073] Neste caso, a operação de lavagem reversa com hidrogênio é mais referida, uma vez que uma tubulação extra ou similar não se faz necessária. Observa-se que nas figuras 5 a 9, uma outra estrutura além das estruturas descritas acima é igual à da figura 4. As mesmas partes são representadas pelos mesmos símbolos de referência e a sua descrição é omitida.
[0074] A tabela 1 a seguir mostra as diferenças de força injetada necessária para a separação de gás entre o método para a separação do gás de alto-forno de acordo com a presente invenção, ou seja, o método (referido como exemplo da invenção) no qual a etapa de separação de gás de primeiro estágio é a etapa de separação de dióxido de carbono e a etapa de separação de gás de segundo estágio é uma etapa de separação de monóxido de carbono, e um método reverso no qual a primeira etapa de separação de gás de primeiro estágio é a etapa de separação de monóxido de carbono e a etapa de separação de gás de segundo estágio é a etapa de separação de dióxido de carbono (referida como exemplo comparativo).
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Tabela 1
Exemplo da Invenção Exemplo Comparativo
Primeiro aparelho de adsorção Componente principal removido CO2 CO
Energia motriz requerida 83 WH/Nm3 entrada 168 WH/Nm3 - entrada
Segundo aparelho de adsorção Componente principal removido H2, N2, CO H2, N2, CO
Energia motriz requerida 131 WH/Nm3 entrada 64 WH/Nm3 entrada
Energia motriz total requerida 214 WH/Nm3 entrada 232 WH/Nm3 - entrada
Aperfeiçoamento na eficiência da energia motriz (com base no exemplo comparativo) 8 % Padrão
[0075] Conforme mostrado na Tabela 1, a força injetada pode ser reduzida quando a etapa de separação de gás de primeiro estágio é a etapa de separação de dióxido de carbono em comparação a quando a etapa de separação de gás de primeiro estágio não é a etapa de separação de dióxido de carbono. Em outras palavras, o gás de altoforno é separado com quantidades menores de energia de injeção de acordo com o método para a separação do gás de alto-forno da presente invenção.
[0076] Os símbolos de Referência nos desenhos são como seguem:
- contentor de gás de matéria prima
- torre de adsorção de CO2-PSA
- contentor de gás de matéria-prima
- torre de adsorção de CO-PSA
- separador de hidrogênio
- aparelho de evacuação
- aparelho de soprar
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- etapa de separação de gás de primeiro estágio
- etapa de separação de gás de segundo estágio
- etapa de separação de gás de terceiro estágio

Claims (5)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para a separação de um gás de alto-forno compreendendo:
    separar um gás de alto-forno descarregado de um topo de alto-forno em:
    um gás contendo dióxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável, um gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável, e um gás contendo hidrogênio, nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável, por meio do uso de um primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio (S1), caracterizado pelo fato de que o primeiro aparelho de separação/refino de gás de estágio (S1) é um primeiro separador de adsorção que separa dióxido de carbono;
    separar o gás contendo nitrogênio, monóxido de carbono, e o componente gasoso de impureza inevitável separados com um primeiro separador de adsorção em um gás contendo nitrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável, e em um gás contendo monóxido de carbono e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de um segundo aparelho de separação/refino de gás de estágio (S2);
    separar o gás contendo hidrogênio, nitrogênio e o componente gasoso de impureza inevitável separados com um primeiro separador de adsorção em um gás contendo hidrogênio e um componente gasoso de impureza inevitável por meio do uso de um terceiro aparelho de separação/refino de gás de estágio (S3).
  2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo aparelho de separação/refino de gás de
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    2/2 estágio (S2) é um segundo separador de adsorção que separa monóxido de carbono por meio de adsorção.
  3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo aparelho de separação/refino de gás de estágio (S2) é um absorvedor químico que separa monóxido de carbono por meio de adsorção.
  4. 4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o terceiro aparelho de separação/refino de gás de estágio (S3) é um aparelho de separação/refino de gás tendo uma membrana permeável de hidrogênio.
  5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o terceiro aparelho de separação/refino de gás de estágio (S3) é um aparelho de separação/refino de gás tendo um adsorvente que adsorve outros componentes além de hidrogênio.
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