ES2262803T3 - Metodo de fusion y reduccion en un horno de cuba con recuperacion de metales secundarios volatiles. - Google Patents
Metodo de fusion y reduccion en un horno de cuba con recuperacion de metales secundarios volatiles.Info
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Abstract
Un método para reducir óxidos de metal en un horno de cuba que tiene un cuerpo superior y un cuerpo inferior que comprende: hacer reaccionar combustible sólido con aire en el cuerpo inferior para producir un primer gas caliente que es dirigido en sentido ascendente hacia el interior del cuerpo superior; hacer reaccionar una carga que comprende un óxido de metal principal, un óxido de metal secundario y un agente reductor que contiene carbono en el cuerpo superior para producir un metal fundido principal de dicho óxido de metal principal y un segundo gas que contiene monóxido de carbono y un metal secundario y un óxido de metal secundario; dirigir dicho gas secundario en sentido ascendente hacia la parte superior del cuerpo superior; controlar la temperatura de dicho segundo gas en la parte superior del cuerpo superior de forma que sea mayor que la temperatura de condensación de dicho metal secundario y óxido de metal secundario mediante la variación de la altura de dicha carga dentro del cuerpo superior; posteriormente retirar dicho gas secundario de dicho horno de cuba; y separar dicho metal secundario y óxido de metal secundario a partir de dicho gas retirado de dicho horno de cuba.
Description
Método de fusión y reducción en un horno de cuba
con recuperación de metales secundarios volátiles.
El presente invento se refiere a un método para
la producción de metal fundido mediante reducción de óxidos del
metal. Esto incluye la producción de hierro fundido, incluyendo el
arrabio y el hierro colado, así como las aleaciones de metal.
Los procesos de reducción tienen por objeto bien
producir acero directamente a partir de mineral de hierro o bien
preparar un producto equivalente al arrabio de alto horno para ser
utilizado en procesos convencionales de fabricación de acero, o
producir hierro de bajo contenido en carbono como carga de fundición
para producir acero mediante procesos convencionales. Generalmente,
se pretende que este proceso sustituya a los altos hornos como
fuente de producción de hierro fundido empleado en la fabricación de
acero.
Típicamente, los altos hornos constituyen una
torre vertical en la que se introduce de manera secuencial una
carga formada por mineral de hierro, bolitas o conglomerados, junto
con coque y caliza, a través de la parte superior del horno para
formar una columna continua de material de carga. En la parte
inferior del horno, se introduce aire atmosférico que puede estar
precalentado. Cuando los materiales de la carga entran en contacto
con los gases calientes que ascienden desde la cámara de fusión, el
coque es precalentado por estos gases de forma que cuando alcanza
la parte inferior del horno y entra en contacto con el aire
introducido en ese punto, se produce la combustión. Como
consecuencia de las elevadas temperaturas que existen en este punto
del horno, el dióxido de carbono no es estable y reacciona de manera
inmediata con el carbono para formar monóxido de carbono. Esta
reacción no solo es la principal fuente de calor para la operación
de fusión, sino que también produce un gas reductor (CO) que
asciende a través del horno y precalienta y reduce el óxido de
hierro de la carga a medida que éste desciende a través del
horno.
La capacidad de producción del alto horno es
función del volumen interno o del área de los parámetros de diseño
del horno para una capacidad de producción dada. Por consiguiente,
para aumentar la capacidad se requiere aumentar el tamaño del alto
horno y por consiguiente ajustar los parámetros de diseño.
El documento
EP-A-551992 describe un proceso para
recuperar metales útiles a partir de polvo de óxido de hierro
aglomerado empleando un horno de cuba. El documento
US-A-4488905 describe un método para
reducir y recuperar un metal volátil a partir de óxidos metálicos
empleando un reactor de cuba relleno con coque y equipado con un
quemador de plasma.
El documento
EP-A-387479 describe un proceso de
retorta de cuba de alimentación continua y un aparato para la
recuperación de metales no ferrosos a partir de polvos de reducción
pirometalúrgicos.
El presente invento proporciona una mejora sobre
la operación del alto horno convencional descrita anteriormente
para la producción de metal fundido, en particular hierro fundido.
De manera específica, el método de acuerdo con el invento se
utiliza junto con un horno de cuba que puede producir hierro colado,
arrabio u otras aleaciones de metales de manera más rentable que la
utilización de operaciones de fundido convencionales, incluyendo los
altos hornos.
El invento proporciona otra ventaja a la hora de
permitir la conservación de materiales finos a partir de los gases
superiores en forma de óxidos de metales, tales como cinc, cadmio y
similares y permite la recuperación y el reciclaje de estos metales
y óxidos.
El método para reducir óxidos de metales de
acuerdo con la mejora del presente invento proporciona ventajas
sobre las prácticas convencionales mediante la utilización novedosa
de un horno de cuba para fundición. En este sentido, el método
comprende hacer reaccionar una carga de un óxido de metal y un
agente reductor para producir un metal fundido principal del óxido
de metal y un gas que contiene monóxido de carbono y un metal
secundario adicional y óxidos, que son diferentes del metal fundido
principal y de los óxidos de metal. El gas es dirigido en sentido
ascendente en el horno de cuba y fuera de esta carga. La temperatura
del gas se controla en un punto del horno de cuba por encima de la
carga de forma que sea una temperatura mayor que la temperatura de
condensación del metal secundario y de los óxidos. Este evita que
los metales secundarios y los óxidos del gas se adhieran a la pared
interior del horno de cuba. Posteriormente, a medida que el gas
pasa en sentido ascendente y es retirado del horno, el metal
secundario y los óxidos son retirados del gas. A continuación,
estos pueden ser reciclados de varias maneras, incluyendo la
utilización de los mismos en la producción de conglomerados para ser
utilizados en la carga objeto de refino.
La temperatura del gas se controla variando la
altura de la carga dentro del horno de cuba. Además, la temperatura
del gas puede controlarse variando la velocidad de combustión del
gas empleando un quemador para calentar el gas a medida que el gas
es dirigido en sentido ascendente dentro del horno de cuba.
La temperatura del gas también puede controlarse
de manera adicional controlando la velocidad de reacción de la
carga.
El gas retirado del horno está formado
esencialmente por dióxido de carbono y nitrógeno.
La carga puede incluir mineral de hierro.
Además, la carga puede incluir conglomerados que sean
autoreductores, autofundentes, o ambas cosas.
En las prácticas de reducción convencionales, la
reducción tiene lugar por medio del CO generado a partir de la
combustión parcial del coque. El CO se difunde dentro de la carga,
teniendo lugar la reducción de acuerdo con la reacción Me + CO
\Rightarrow Me + CO_{2}. El gas de CO_{2} generado en esta
reacción se difunde en sentido opuesto al CO. Esta reacción
requiere un cierto tiempo para la difusión completa en el interior
de la carga. Este requiere hornos con períodos de tiempo de
residencia para la carga en el interior del horno, que sean típicos
de altos hornos.
Los conglomerados autoreductores, no obstante,
muestran condiciones que son significativamente más favorables para
la reducción. Cuanto más estrecho sea el contacto entre el mineral o
el óxido y el carbono del agente reductor (carbón o coque) menor es
el tiempo de reacción, ya que no es necesario difundir el CO en el
interior de conglomerado. La reducción tiene lugar de acuerdo con
las reacciones siguientes, y se encuentra preestablecida dentro del
conglomerado con este fin:
2MeO + C \Rightarrow
2MeCO_{2}
CO_{2} + C \Rightarrow
2CO
MeO + CO \Rightarrow Me +
CO_{2}
De esta forma, el propio conglomerado establece
en la práctica un sistema semi-cerrado, en el que la
atmósfera es una atmósfera reductora, durante todo el período en el
que el carbono se encuentra disponible dentro del conglomerado. En
otras palabras, los conglomerados auto-reductores,
como implica dicha denominación, se mantienen dentro de su propia
atmósfera reductora que es independiente de las características de
la atmósfera externa, que es la atmósfera que existe en el interior
del horno de cuba proporcionada por los gases ascendentes.
Por tanto, resulta posible convertir en energía
para el proceso el CO presente en la atmósfera del horno
proporcionado por la combustión parcial del combustible y la
reacción de reducción que tiene lugar dentro de los conglomerados
y, de manera adicional, permitir controlar la temperatura y las
características (oxidantes o reductoras) de los gases
superiores.
En los procesos de fusión que emplean hornos de
cuba, la presencia de coque u otro combustible en forma sólida,
cargado a través de la parte superior del horno durante el curso de
la operación, sigue una ruta descendente con el resto de la carga,
reaccionando con el CO_{2} ascendente, en contracorriente de
acuerdo con la reacción CO_{2} + C \Rightarrow 2CO. Esto da
como resultado una consumo mayor del material de carbono, y de esta
forma evita su utilización eficaz para el proceso de
reducción/fundido.
Debido al corto tiempo de residencia requerido
por el proceso auto-reductor de acuerdo con el
invento, es posible operar el horno de acuerdo con el presente
invento con alturas de carga pequeñas. También es posible controlar
la temperatura de salida de los gases superiores y de esta forma
mantener en forma de vapor o de material fino en partículas los
óxidos o los metales que contaminan el residuo empleado en los
conglomerados. De esta forma, este material puede recuperarse en el
sistema de lavado de gases. Debido a la reducción del contenido y
de la fracción no metálica presente en el residuo, los finos
recuperados en el sistema de lavado de gases muestran
concentraciones elevadas de estos óxidos y metales, como por ejemplo
por encima de 20%, dando lugar a su recuperación posterior
económicamente viable. En los casos en los que se observa que la
concentración de los óxidos o de los metales no ha alcanzado el
nivel deseado para su recuperación económica, es posible reciclar
estos finos tantas veces como sea necesario incluyendo los mismos en
la producción de conglomerados auto-reductores para
aumentar su contenido en los conglomerados y de esta forma aumentar
su concentración en los finos recuperados.
La Figura 1 es una vista en perspectiva parcial
esquemática de una realización del equipo para practicar el presente
invento.
La Figura 2 es una vista en alzado del equipo de
la Figura 1.
La Figura 3 es una vista de un corte transversal
que muestra los dispositivos de distribución de carga de este
equipo.
La Figura 4 muestra un sistema de lavado de
gases capaz de retener los metales vaporizados en el interior del
horno y los finos de los óxidos de metales que abandonan el horno
junto con los gases superiores.
La Figura 5 es una vista de un corte transversal
de una estructura de cubierta que contiene quemadores para
controlar la combustión del gas de salida del horno.
El horno de acuerdo con el presente invento
permite el control de la temperatura de salida de los gases
calientes mediante una velocidad de combustión mayor o menor de los
gases combustibles proporcionados a partir de las zonas inferiores
y la reducción de los óxidos presentes en los conglomerados. De esta
forma, es posible mantener en forma de vapor o en estado de
partículas finas los metales y los óxidos presentes en los
conglomerados de partida. Este incluye materiales que tienen
temperaturas de vaporización por debajo de 1.000ºC, tales como Zn,
Cd y Pb, que de otra forma condensarían sobre las paredes de
horno.
Por tanto, los gases calientes a temperaturas
elevadas y que contienen el vapor de los metales contaminantes o de
sus óxidos en forma de partículas finas son expulsados del horno y,
como se muestra en la Figura 4, a través de la salida de gas 3
conducidos hacia el interior del sistema de lavado de gases, donde
ocurre, en los dispositivos de separación 6 (por ejemplo,
dispositivos de tipo ciclón o precipitador), la condensación de
estos vapores y su separación, junto con los finos restantes, de los
gases superiores, que siguen un curso a través de la parte restante
del sistema 7 de lavado de gases.
Los finos capturados en estos separadores 6
tienen concentraciones por encima de 20% de metales contaminantes o
de óxidos debido a la disminución en la tasa de hierro presente en
la materia prima, dando lugar a su recuperación económicamente
viable.
Si la cantidad de residuo que contienen
contaminantes no es suficiente para garantizar una concentración
económicamente viable de estos metales u óxidos, es posible operar
el horno del presente invento mediante carga de conglomerados que
contienen estos contaminantes únicamente en una parte del horno, tal
como por ejemplo en uno de sus extremos, y extraer y separar estos
materiales antes de la mezcla completa de los gases superiores del
resto del horno, con el fin de proporcionar su concentración en
niveles económicamente viables.
Esa construcción de horno novedosa, como se
muestra en las Figuras 1 a 3, consta esencialmente de un cuerpo
superior 1, cilíndrico o cónico, que tiene una forma rectangular de
corte transversal incluyendo en su parte superior un dispositivo o
dispositivos de carga que incluyen puerto(s) 2, equipados con
dispositivos 4 de distribución de la carga para permitir que los
conglomerados o la carga se coloquen en las posiciones apropiadas
en el interior del horno para concentrar los conglomerados que
contienen los metales o los óxidos que se pretenden concentrar. Una
salida o salidas de gas 3 para la descarga de gases que comprenden
principalmente distintos contenidos de CO_{2}, CO, H_{2} y
N_{2}, además de los finos producidos por la desintegración de la
carga. Los vapores o los óxidos en forma de partículas pueden fluir
a lo largo de conductor 5 hacia el sistema 7 de lavado de gases y
los dispositivos 6 separadores de finos que retienen las partículas
condensadas de metal o de los óxidos. Desde allí, los gases son
conducidos a los dispositivos de recuperación o a los regeneradores
de calor (no mostrados), para precalentar el aire impelente o para
cualquier otro fin.
En el cuerpo superior 1 hay una fila o filas de
toberas 8 que impulsan aire caliente o frío, bien enriquecido con
O_{2} o sin enriquecer, para la reacción de combustión del CO y
cualesquiera otros gases combustibles que puedan estar presentes,
para dar dióxido de carbono de acuerdo con las reacciones:
C + O_{2} \Rightarrow
CO_{2}
CO + 1/2 O \Rightarrow
CO_{2}
2H_{2} + O_{2} \Rightarrow 2-
H_{2}O
aportando calor a la carga
constituida por conglomerados auto-reductores,
mineral u óxidos de hierro y un residuo que contiene hierro y
contaminantes, y siendo autofundentes o no, arrabio, chatarra,
hierro esponjoso, bien en forma de briquetas o por el contrario,
chatarra de fundición o de acerías, o mezclas de estos componentes
en las diferentes proporciones
posibles.
El equipamiento u horno también incluye un
cuerpo inferior 9, de forma cilíndrica o cónica, con una forma
rectangular de corte transversal, que tiene bordes más largos en su
parte superior que el cuerpo superior 1, suficiente para la
colocación de los dispositivos de alimentación para alimentar el
coque o el carbón o cualquier otro combustible sólido. Alrededor
del cuerpo inferior 9, a un nivel suficientemente más elevado que
la base del cuerpo superior 1, se proporciona una sección de
alimentación de combustible, como se muestra en la Figura 2,
estando esta sección alimentada mediante tuberías u otras secciones
de alimentación conectadas con válvulas herméticas 10 para el
combustible sólido. De manera opcional, pueden añadirse a la sección
de alimentación de combustibles sólidos tuberías 11 independientes
para alimentar materiales combustibles adicionales, con el fin de
proporcionar una alimentación apropiada del lecho de combustible,
especialmente de los materiales finos que, de lo contrario, podrían
ser extraídos por los gases del cuerpo superior 1 central, o de
materiales combustibles tales como neumáticos usados,
plásticos,
etc.
etc.
El cuerpo inferior 9 incluye una o más filas de
toberas primarias 12 posicionadas para impulsar aire precalentado o
no precalentado, bien enriquecido con O_{2} o no, y para inyectar
combustibles líquidos, gaseosos o sólidos en forma de polvo para la
combustión parcial o total del combustible, proporcionando la
energía térmica necesaria para reducir y/o fundir la carga. El
cuerpo superior 1 y el cuerpo inferior 9 pueden incluir un material
refractario monolítico (mostrado en las rayas sombreadas de las
Figuras 3 y 4) y pueden incluir además medios de refrigeración.
El metal fundido y la escoria abandonan el horno
a través de su parte inferior.
En este tipo de horno, el combustible no
necesita ser añadido junto con la carga en la parte superior del
cuerpo como en las prácticas convencionales.
El horno equipado con tales mejoras tiene zonas
de distintas atmósferas, con características que pueden regularse
por medio del tipo de combustible empleado y la mayor o menor
inyección de comburente en los diferentes puntos proporcionados
para tal fin. De esta forma resulta posible recuperar este metal en
forma oxidada o metálica, dependiendo del potencial oxidante por
CO_{2} del metal a recuperar y de las características (oxidantes
o reductoras) de la atmósfera que existe en el interior del
horno.
Los gases procedentes de la zona inferior,
fluyen hacia atrás en contra de la carga, transfieren a ésta última
la energía térmica necesaria para el calentamiento y la reducción o
para el fundido simple.
Debido a que la carga del cuerpo superior 1 no
contiene cantidades importantes de coque, carbón vegetal u otro
combustible sólido, se minimiza la reacción de Boudouard, CO_{2} +
C \Rightarrow 2 CO, que absorbe calor y que además consume
cantidades considerables de carbono. De esta forma, los gases de
salida que abandonan el equipo comprenden esencialmente CO_{2} y
N_{2}. No obstante, modos de operación pueden usarse tasas
variables de CO capaces de proporcionar una característica reductora
al gas superior y suficiente poder de calentamiento como para ser
utilizados para precalentar el aire impelente o en otras partes de
la planta.
Dado que es posible controlar la atmósfera en el
interior del horno así como también la temperatura de los gases
superiores, es posible en este horno evitar la acumulación de
metales y/o de óxidos retenidos en el gas de salida sobre las
paredes internas del horno como sucede de forma típica en el caso de
los hornos de cubilote y de los altos hornos.
El método del presente invento permite gran
flexibilidad de operación facilitando la fundición de la chatarra
(incluyendo chatarra que contiene cantidades elevadas de
contaminación de otros metales además de hierro, tales como, por
ejemplo, cinc), arrabio, hierro esponjoso o cualquier otro tipo de
material pre-reducido, que puede estar en forma de
briquetas.
Este horno de cuba operado de este modo de
acuerdo con el método del invento presenta la ventaja con respecto
a los hornos de cubilote o los altos hornos de proporcionar gran
ahorro de combustible, ya que el monóxido de carbono u otros gases
formados en la parte inferior del horno pueden quemarse en la parte
superior. Este transfiere la energía térmica generada durante la
reacción a la carga que desciende a través del cuerpo. Esencialmente
los gases de salida están formados por dióxido de carbono,
nitrógeno, vapor de agua y cantidades controladas de monóxido de
carbono, hidrógeno e hidrocarburos.
Este horno de cuba también puede ser operado de
acuerdo con el invento para reducir y fundir conglomerados
auto-reductores de mineral o de residuo industrial
con o sin contaminantes metálicos que pueden recuperarse en forma
de vapor o de finos de sus óxidos a partir de los gases superiores.
También en este caso, el monóxido de carbono que se forma se quema
a lo largo del cuerpo, y el calor generado de esta forma se
transfiere casi totalmente a la carga que desciende, aumentando de
esta forma considerablemente la eficiencia térmica del equipo. De
manera adicional, debido a que el equipo no incluya capas de carbón
o de coque o de otros combustibles sólidos en la carga del cuerpo,
la reacción CO_{2} + C \Rightarrow 2CO no ocurre para
proporcionar una reducción del consumo de combustible.
La sección de alimentación del combustible
sólido también está provista con un dispositivo 13 de retirada gas
equipada con válvulas 14 de control de flujo capaces de garantizar
el paso de cierta cantidad de gas para proporcionar el
pre-calentamiento, el pre-secado y
la destilación de las fracciones volátiles presentes en los
distintos combustibles sólidos, tales como carbón mineral, leña y/o
diferentes residuos carbonaceos.
Para regular y aumentar la temperatura del gas
de salida con el fin de evitar que condensen los depósitos de metal,
la cubierta 16 del horno puede tener un quemador para calentar este
gas.
Claims (8)
1. Un método para reducir óxidos de metal
en un horno de cuba que tiene un cuerpo superior y un cuerpo
inferior que comprende:
hacer reaccionar combustible sólido con aire en
el cuerpo inferior para producir un primer gas caliente que es
dirigido en sentido ascendente hacia el interior del cuerpo
superior;
hacer reaccionar una carga que comprende un
óxido de metal principal, un óxido de metal secundario y un agente
reductor que contiene carbono en el cuerpo superior para producir un
metal fundido principal de dicho óxido de metal principal y un
segundo gas que contiene monóxido de carbono y un metal secundario y
un óxido de metal secundario;
dirigir dicho gas secundario en sentido
ascendente hacia la parte superior del cuerpo superior;
controlar la temperatura de dicho segundo gas en
la parte superior del cuerpo superior de forma que sea mayor que la
temperatura de condensación de dicho metal secundario y óxido de
metal secundario mediante la variación de la altura de dicha carga
dentro del cuerpo superior;
posteriormente retirar dicho gas secundario de
dicho horno de cuba; y
separar dicho metal secundario y óxido de metal
secundario a partir de dicho gas retirado de dicho horno de
cuba.
2. El método de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que dicha temperatura de dicho gas
secundario se controla variando la velocidad de combustión de dicho
segundo gas empleando un quemador para calentar dicho gas y dicho
gas es dirigido en sentido ascendente.
3. El método de acuerdo con las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que dicha temperatura de dicho segundo
gas se controla adicionalmente mediante el control de la velocidad
de reacción de dicha carga.
4. El método de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que dicho segundo gas
retirado de dicho horno consiste esencialmente en dióxido de carbono
y nitrógeno.
5. El método de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que dicho metal secundario
separado y óxidos de metal secundarios se reciclan para ser
utilizados en una carga posterior para la reacción.
6. El método de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que la carga incluye
conglomerados que comprenden dicho óxido de metal y dichos agentes
reductores.
7. El método de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que la carga comprende además
un agente fundente.
8. El método de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el que dicha carga comprende
óxido de hierro.
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