ES2910989T3 - Proceso y aparato para la reducción continua de mineral de hierro mediante el uso de biomasa - Google Patents

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Abstract

Un proceso continuo para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido incluye: transportar briquetas de fragmentos de mineral de hierro y biomasa a través de una cámara de precalentamiento (3) y precalentar el mineral de hierro y la biomasa a una temperatura de al menos 400 °C mientras el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara (3); y transportar las briquetas precalentadas a través de una cámara de reacción que tiene un ambiente anóxico y exponer el mineral de hierro y la biomasa en briquetas a energía electromagnética en forma de energía de microondas en condiciones anóxicas y generar calor dentro del mineral de hierro, y la biomasa que actúa como reductor y reduce el mineral de hierro en estado sólido, a medida que las briquetas se mueven a través de la cámara.

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso y aparato para la reducción continua de mineral de hierro mediante el uso de biomasa
Campo de la invención
La presente invención se refiere a la reducción de mineral de hierro para producir hierro.
Antecedentes de la invención
Un proceso de hierro reducido directamente (DRI) es una ruta de fabricación de hierro alternativa a un proceso de alto horno. En un proceso DRI, los minerales de óxido de hierro como hematita, goetita y magnetita se reducen en su estado sólido a temperaturas por debajo del punto de fusión del hierro, a diferencia de un proceso de alto horno donde se forma hierro líquido.
Un proceso DRI típicamente tiene lugar entre 800 °C y 1050 °C por interacción con reductores, normalmente H2 y CO. Estos gases reductores se derivan del gas natural o del carbón, con más del 80 % de la capacidad de las plantas DRI globales que usan gas natural (por ejemplo, plantas MIDREX e HYL). Debido a las altas temperaturas del gas y los rendimientos requeridos, las plantas DRI requieren ingeniería de reactor presurizado a gran escala, normalmente reactores de eje, reactores de lecho fluidizado u hornos rotatorios.
Los requisitos de materia prima para muchos procesos DRI existentes son estrictos, y los sistemas generalmente requieren alimentación en forma de comprimidos o terrones naturales duros en dependencia de la disponibilidad y la idoneidad del mineral, lo que significa que se requiere una preparación significativa del material antes del proceso de reducción. El gran tamaño, la altura y la complejidad de la planta dan como resultado un alto desembolso de capital y costos operativos y de mantenimiento significativos, con consumos de energía típicos para procesos basados en gas natural de entre 10-11 GJ por tonelada de DRI.
La industria del hierro y el acero es uno de los mayores usuarios de energía, ya que consume alrededor del 7 % de la energía mundial total. Se espera que la demanda mundial de acero aumente un 50 % para 2050, mientras que las emisiones de gases de efecto invernadero deben reducirse para cumplir con los estrictos objetivos de cambio climático.
En ausencia de métodos eficientes para capturar y almacenar el CO2 emitido, es importante que la industria reduzca el uso de energía, aumente la sustentabilidad y mejore la flexibilidad y escalabilidad de las operaciones.
La discusión anterior no debe tomarse como una admisión del conocimiento general común en Australia o en cualquier otro lugar.
Los documentos de las patentes US 2012/031232 y US 2012/029252 describen además un proceso continuo de reducción directa de mineral de hierro mediante el uso de biomasa.
Breve descripción de la invención
La presente invención se refiere a un proceso y aparato como se define en las reivindicaciones independientes adjuntas, con características opcionales y preferidas en las reivindicaciones dependientes adjuntas.
El proceso es para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido en condiciones anóxicas con biomasa como reductor y con energía electromagnética en forma de energía de microondas como fuente de energía y se basa en la comprensión de que el uso de biomasa como reductor y el uso de energía de microondas como fuente de energía brinda una oportunidad para la producción efectiva y eficiente de hierro metálico.
Los beneficios del proceso de la invención se basan en la capacidad de la energía electromagnética para calentar volumétricamente los materiales. Por ejemplo, los óxidos de hierro, como la hematita y la goetita, y la biomasa absorben fuertemente la energía electromagnética en forma de energía de microondas por encima de aproximadamente 400-600 °C. El solicitante se ha dado cuenta de que se puede generar calor directamente en el mineral y en la biomasa como consecuencia de la absorción de energía para hacer posible la reducción del mineral de hierro a altos niveles de metalización. El solicitante se ha dado cuenta de que esta oportunidad se aplica particularmente cuando el mineral y la biomasa están en estrecho contacto, por ejemplo, cuando están mezclados o aglomerados en forma de briquetas. Con la invención, se pueden minimizar las limitaciones de transferencia de calor del procesamiento convencional, lo que resulta en velocidades de calentamiento significativamente más altas. Los tiempos de calentamiento significativamente reducidos resultan en tiempos de reacción más rápidos y hacen posible una reducción sustancial en el tamaño del horno en comparación con los tamaños de los hornos para procesos DRI convencionales como Midrex (puede tener más de 130 m de altura), y permiten que se construyan hornos horizontales, mientras eliminan la necesidad de calentar grandes volúmenes de gas. La capacidad de generar calor directamente dentro del mineral y la biomasa como consecuencia de la absorción de energía electromagnética hasta el punto de permitir la reducción del mineral de hierro a altos niveles de metalización significa que no es necesario generar calor a partir de la combustión del gas natural. Esto brinda la oportunidad de eliminar la necesidad de comprimir en la medida requerida para los procesos DRI y aumentar el control del proceso. Estos factores juntos brindan la oportunidad de reducir el CAPEx al mismo tiempo que mejoran la operatividad y la capacidad de mantenimiento.
Además de lo anterior, y potencialmente el beneficio más importante de la invención, es que la sustitución del gas natural y el carbón por biomasa como reductor también brinda la oportunidad de reducir las emisiones netas de CO2 para las operaciones de fabricación de acero, así como también reducir la dependencia de combustibles fósiles. El proceso incluye exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas con el mineral de hierro y la biomasa en contacto en condiciones anóxicas y generando calor dentro del mineral de hierro y con la biomasa actuando como reductor y reduciendo el mineral de hierro en estado sólido. El proceso incluye energía electromagnética en forma de energía de microondas que genera calor dentro del mineral de hierro y puede incluir energía electromagnética en forma de energía de microondas que genera calor dentro de la biomasa.
El proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que el mineral de hierro se caliente a una temperatura en un intervalo en el que haya metalización del mineral de hierro.
En el caso de la hematita, el proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que el mineral de hierro se caliente a una temperatura en un intervalo de 800-1200 °C para la metalización de la hematita.
El mineral de hierro se puede calentar a una temperatura de al menos 800 °C, típicamente de al menos 900 °C. El mineral de hierro se puede calentar a una temperatura de menos de 1200 °C, típicamente menos de 1100 °C. En una modalidad reivindicada, el mineral de hierro se calienta a una temperatura en un intervalo de 850-950 °C.
El proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que el mineral de hierro se reduzca al grado requerido de metalización y forme un producto de hierro metálico en estado sólido.
El grado de metalización requerido dependerá de una serie de factores, como la(s) aplicación(es) de uso final del producto de hierro.
Típicamente, se apuntará al 100 % de metalización. Sin embargo, la invención no se limita a operar el proceso para lograr el 100 % de metalización.
Por ejemplo, el proceso puede incluir el control de las condiciones de operación para que haya al menos un 80 %, típicamente al menos un 90 %, de metalización del mineral de hierro.
El proceso es un proceso continuo que incluye transportar mineral de hierro y biomasa a través de una cámara de calentamiento/reducción que tiene un ambiente anóxico y exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas a medida que el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara.
El tiempo de residencia en la cámara puede ser una opción de control del proceso.
El proceso puede incluir generar el ambiente anóxico suministrando un gas inerte a la cámara.
El gas inerte puede ser cualquier gas inerte adecuado, como nitrógeno.
El proceso incluye el precalentamiento del mineral de hierro y la biomasa.
En la presente invención reivindicada, el proceso incluye precalentar el mineral de hierro y la biomasa a una temperatura en un intervalo de 400-900 °C.
El proceso incluye transportar mineral de hierro y biomasa a través de una cámara de precalentamiento y precalentar el mineral de hierro y la biomasa a medida que el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara hacia una cámara de calentamiento/reducción; transportar mineral de hierro y biomasa a través de la cámara de calentamiento/reducción que tiene un ambiente anóxico y exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas a medida que el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara.
En una modalidad no reivindicada, el proceso puede ser un proceso por lotes.
El proceso puede incluir cualquier opción adecuada para poner en estrecho contacto el mineral de hierro y la biomasa. Estas opciones incluyen, por ejemplo, formar una mezcla de mineral de hierro y biomasa o aglomerar juntos el mineral de hierro y la biomasa.
El proceso incluye exponer una mezcla de fragmentos de mineral de hierro y biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas en condiciones anóxicas y generar calor dentro de los fragmentos de mineral de hierro que provoca la reducción del mineral de hierro en estado sólido en los fragmentos, con la biomasa proporcionando una fuente de reductor.
El proceso incluye exponer briquetas de fragmentos de mineral de hierro, típicamente en forma de finos, y biomasa a energía electromagnética en forma de energía de microondas en condiciones anóxicas y generar calor dentro de las briquetas que provoca la reducción del mineral de hierro en estado sólido en las briquetas, proporcionando la biomasa una fuente de reductor.
Las briquetas de fragmentos de mineral de hierro y biomasa son una opción conveniente para disponer de mineral de hierro y biomasa en contacto.
El término "briqueta" se usa en la presente descripción como un término general para describir aglomerados de múltiples fragmentos de mineral de hierro. El término pretende cubrir los aglomerados que pueden describirse como comprimidos. El término no se limita a ningún método particular de producir los aglomerados.
El término "fragmento" se entiende en la presente descripción como cualquier pieza de mineral de hierro de tamaño adecuado. Algunas personas expertas en la técnica pueden entender que el término "fragmento", como se usa en la presente descripción, se describe mejor como "partículas" o "finos". La intención es usar términos como sinónimos. Las briquetas pueden ser de cualquier tamaño y forma adecuados. En una modalidad reivindicada, las briquetas tienen una dimensión principal de 1-10 cm, típicamente de 2-10 cm, más típicamente de 2-6 cm y más típicamente de 2-4 cm.
A manera de ejemplo, las briquetas pueden ser generalmente paralelepipédicas, es decir, en forma de caja con seis lados y todos los ángulos entre lados siendo ángulos rectos.
Las briquetas pueden incluir cualquier cantidad relativa adecuada de mineral de hierro y biomasa.
Las briquetas pueden incluir 20-45 % en masa, típicamente 30-45 % en masa, de biomasa.
En cualquier situación dada, las proporciones preferidas del mineral de hierro y la biomasa dependerán de una variedad de factores, incluidos, entre otros, el tipo (por ejemplo, hematita, goetita o magnetita) y las características (como el tamaño del fragmento y la mineralogía) del hierro, el tipo y las características de la biomasa, las restricciones del proceso de operación y las consideraciones de manejo de materiales.
Las briquetas pueden incluir otros componentes. Un posible componente adicional es un aglutinante para facilitar la unión de las briquetas, por ejemplo, para que las briquetas tengan las propiedades estructurales requeridas para los requisitos de manejo de materiales para el proceso.
El mineral de hierro puede ser material extraído de la mina que ha sido sometido a trituración y separación por tamaño después de que el material haya sido extraído.
A manera de ejemplo, el mineral de hierro puede estar en forma de finos.
El término "finos" se entiende en la presente descripción como fragmentos de menos de 8 mm.
El término "anóxico" se entiende en la presente descripción como muy deficiente o totalmente empobrecido en oxígeno.
El término "biomasa" se entiende en la presente descripción como materia orgánica viva o recientemente viva. Los productos de biomasa específicos incluyen, a manera de ejemplo, productos forestales (incluidos los residuos de molinos), productos agrícolas, biomasa producida en ambientes acuáticos como algas, residuos agrícolas como paja, huesos de aceituna y cáscaras de nueces, desechos animales, residuos municipales e industriales.
La biomasa puede ser cualquier biomasa adecuada en cualquier forma adecuada.
Una biomasa particular de interés para el solicitante son las familias de helechos acuáticos que incluyen el género Azolla que comprende Azolla pinnata, con nombres comunes de Red Azolla y Ferny Azolla.
Otra biomasa de interés incluye, entre otros, cultivos energéticos como variedades de sorgo, pasto varilla y Miscanthus Giganteus, así como también el bagazo de caña de azúcar. El aserrín es una biomasa de interés. La biomasa se puede usar como única fuente de reductor o se puede mezclar.
La invención se limita a la energía electromagnética en forma de energía de microondas.
El enfoque actual del solicitante está en la banda de energía de microondas del espectro de energía electromagnética.
Sin embargo, la energía de radiofrecuencia y la energía de rayos X son otras dos opciones entre la gama de opciones en el espectro de energía electromagnética que son de interés para el solicitante.
La energía electromagnética puede ser continua o pulsada.
La energía de microondas puede tener cualquier frecuencia de microondas adecuada, como una frecuencia en el intervalo de 300 MHz - 300 GHz, 300 MHz - 30 GHz, 300 MHz - 3 GHz, 400-5800 MHz, 900-3500 MHz, 915-2450 MHz. Las frecuencias de microondas particulares son las frecuencias industriales actuales de 2450 MHz o 915 MHz. La energía de radiofrecuencia puede tener cualquier frecuencia adecuada, como una frecuencia en el intervalo de 1 MHz -10 GHz.
El mineral de hierro puede ser de cualquier tipo adecuado, como hematita, goetita y magnetita.
El proceso puede incluir el procesamiento posterior del producto metálico en estado sólido para formar productos de uso final, como productos de acero.
El aparato es para la reducción directa de mineral de hierro por lo que el mineral de hierro y la biomasa están en forma de briquetas que comprenden una mezcla de mineral de hierro y biomasa.
El aparato incluye un horno de precalentamiento para precalentar el mineral de hierro y la biomasa. El horno se adapta para calentar el mineral de hierro y la biomasa a una temperatura en el intervalo de 400-900 °C durante un tiempo predeterminado y un tiempo predeterminado.
El aparato incluye un conjunto de reducción para tratar los finos de mineral de hierro y la biomasa y, en particular, calentar y reducir los finos de mineral de hierro para formar un producto metalizado.
El conjunto incluye una cámara de reacción, una fuente de energía electromagnética en forma de energía de microondas, una guía de ondas para transferir energía de microondas a la cámara, una fuente de gas inerte, como nitrógeno, tuberías adecuadas para suministrar el gas inerte al cámara para mantener la cámara en condiciones anóxicas, y una salida para descargar un gas de escape y cualquier partícula retenida que se genere durante el tratamiento en la cámara.
El gas de escape de la cámara de calentamiento/reducción puede contener energía química y térmica. La energía química puede estar predominantemente en forma de monóxido de carbono. La energía del gas de escape puede ser beneficiosa:
(a) quemado en una planta de energía para proporcionar electricidad;
(b) separados del resto de los gases de escape y reciclados a través de la cámara de calentamiento/reducción para mejorar la eficiencia del proceso y reducir el requerimiento de biomasa; o
(c) proporcionado a una instalación que puede convertir la energía en un biocombustible como el etanol (por ejemplo, el proceso LanzaTech™).
Si el dióxido de carbono se separa del gas de escape de la cámara de calentamiento/reducción, puede almacenarse geológicamente de manera permanente (también conocido como captura y almacenamiento de carbono), lo que podría generar emisiones netas de carbono negativas para el proceso.
Breve descripción de los dibujos
La invención se describe adicionalmente a manera de ejemplo solo con referencia a:
(a) Las Figuras 1 a 13 que se refieren a un estudio de factibilidad con relación a la invención que se describe a continuación y
(b) La Figura 14 que es un diagrama de bloques de una modalidad de la invención, de las cuales:
Más particularmente:
La Figura 1 es un gráfico de las propiedades dieléctricas de una variedad de materiales y minerales de ingeniería a una frecuencia de 2450 MHz a 20 °C, junto con agua a diferentes temperaturas;
La Figura 2 es un diagrama que ilustra un método de perturbación de cavidad resonante usado para medir las propiedades dieléctricas de materiales de 20-1000 °C en el estudio de factibilidad;
Las Figuras 3 y 4 son gráficos para briquetas mezcladas de PBF/biomasa a 2450 MHz y 915 MHz, entre 20-1000 °C probadas en el estudio de factibilidad;
La Figura 5 es un gráfico de profundidades de penetración de briquetas combinadas de PBF/biomasa en función de la temperatura de medición probada en el estudio de factibilidad;
La Figura 6 es un gráfico de las curvas de temperatura-flujo de calor DSC para mineral de hierro y briquetas combinadas de PBF/biomasa, en nitrógeno, entre 20-1000 °C probadas en el estudio de factibilidad;
La Figura 7 es un gráfico de la curva de flujo de calor DSC para briquetas combinadas de PBF/biomasa junto con una curva TGA correspondiente, que muestra el cambio de masa con temperatura entre 20-1200 °C, probado en el estudio de factibilidad;
La Figura 8 es un esquema de un sistema completo de tratamiento por microondas usado en el estudio de factibilidad;
La Figura 9 es un gráfico de la curva de masa-temperatura de briquetas mezcladas de PBF/biomasa según se determina mediante el uso de una TGA bajo nitrógeno entre 20-1200 °C, probado en el estudio de factibilidad; La Figura 10 son gráficos de los espectros de XRD para diez tratamientos con microondas;
La Figura 11 es un gráfico de la relación de los picos de XRD en función de la entrada de energía de microondas probada en el estudio de factibilidad;
La Figura 12 muestra los espectros de XRD para una mezcla de PBF/azúcar en comparación con una mezcla de PBF/azolla y finos de mineral sin procesar probados en el estudio de factibilidad;
La Figura 13 muestra los espectros de XRD para tres tratamientos de azúcar en comparación con finos de mineral sin procesar probados en el estudio de factibilidad; y
La Figura 14 es un diagrama de una modalidad de un proceso y un aparato para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido de acuerdo con la invención.
Descripción detallada de las modalidades
En términos generales, el proceso de la invención incluye exponer el mineral de hierro y la biomasa a energía electromagnética con el mineral de hierro y la biomasa en contacto en condiciones anóxicas, con la energía electromagnética generando calor dentro del mineral de hierro, y con la biomasa actuando como reductor y reduciendo el mineral de hierro en estado sólido.
Estudio de factibilidad
El estudio de factibilidad antes mencionado se llevó a cabo para determinar la viabilidad técnica de lograr la metalización del mineral de hierro (en la forma del producto Pilbara Blend Iron Ore Fines (PBF) de una empresa relacionada del solicitante) mezclado con biomasa de azolla mediante el uso de energía de microondas como la fuente de calor para el mineral de hierro y la biomasa.
Se caracterizaron y evaluaron las propiedades dieléctricas y térmicas del mineral de hierro, la biomasa y las briquetas mezcladas de mineral de hierro/biomasa.
Los objetivos del estudio fueron los siguientes:
• Medición de las propiedades dieléctricas de PBF, biomasa y briquetas combinadas de PBF/biomasa para cuantificar la relación entre la temperatura (20-1000 °C) y la permitividad compleja (propiedades de absorción de microondas) en las frecuencias usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz.
• determinar la relación entre la temperatura y la metalización mediante la calorimetría diferencial de barrido del PBF y briquetas mezcladas entre 20-1000 °C para identificar transiciones de materiales clave en el proceso de reducción bajo nitrógeno, e identificar la temperatura esperada requerida para metalizar briquetas mezcladas mediante el uso de energía de microondas.
• Analizar por termogravimetría del PBF y briquetas mezcladas entre 20-1000 °C bajo nitrógeno para determinar la relación entre la temperatura y la pérdida de masa durante el proceso de reducción e identificar la masa residual esperada de briquetas mezcladas metalizadas con energía de microondas.
• Ensayos de calentamiento por microondas de briquetas mezcladas en condiciones anóxicas a 2,45 GHz para determinar la influencia de la densidad de potencia de microondas (1 o 2 kW de potencia aplicada), la energía total aplicada (hasta 75 GJ/t de producto) y el tiempo de tratamiento (entre 1 y 16 minutos) sobre metalización.
• Realizar la caracterización por XRD semicuantitativa de PBF, briquetas combinadas y todas las muestras tratadas con microondas para identificar todas las fases que contienen hierro y determinar la relación entre las condiciones del tratamiento con microondas y el grado de metalización logrado.
• Realizar el tratamiento con microondas de PBF mezclado con sacarosa al 35 %, 50 % y 65 % (en masa) para determinar la influencia del tipo de biomasa y el contenido de biomasa en el grado de metalización.
• Medir las temperaturas externas de un recinto de tratamiento de ladrillos refractarios después del tratamiento a las energías más altas y estimación de la pérdida de calor de la muestra al recinto, para determinar el balance energético del tratamiento con microondas y las eficiencias potenciales para un proceso industrial optimizado donde se minimizan las pérdidas de calor.
1. Caracterización de Materiales (Programa de Trabajo 1)
Esta sección presenta la teoría, la metodología y los resultados de la caracterización de PBF, biomasa de azolla y briquetas combinadas de PBF/biomasa, que se realizaron para comprender sus interacciones fundamentales con la energía de microondas antes de comenzar la matriz de prueba en el Programa de trabajo 2.
1.1 Caracterización dieléctrica
1.1.1 Teoría dieléctrica
La capacidad de los materiales para absorber y posteriormente calentar debido a un campo electromagnético aplicado depende de las propiedades eléctricas y magnéticas del material, específicamente la permitividad (e), la permeabilidad (|j) y la conductividad (Oe). Para la mayoría de los materiales, la interacción dominante es con el campo eléctrico; las propiedades dieléctricas son una medida de esta interacción. Las propiedades dieléctricas de un material homogéneo se describen por la permitividad relativa compleja como se muestra en la Ecuación 1:
*
'■ _ / •
~ '■ ~ T- Ecuación 1
Donde £*=permisividad relativa compleja; £' = constante dieléctrica; e" = factor de pérdidas dieléctricas; j=^-1.
La constante dieléctrica (parte real de la permitividad), e', mide la capacidad de un material para ser polarizado por un campo eléctrico externo; es decir, la capacidad de polarización de cargas y dipolos. El factor de pérdida dieléctrica (parte imaginaria de la permitividad), e", mide la capacidad de un material para disipar la energía almacenada en forma de calor. Las propiedades dieléctricas de los materiales pueden variar de acuerdo con la composición, el contenido de agua, la temperatura, la frecuencia y la densidad. La Figura 1 traza las propiedades dieléctricas a 2450 MHz, para una variedad de materiales de ingeniería y minerales a 20 °C, junto con agua a diferentes temperaturas.
1.1.2 Medida de permitividad compleja
Se realizaron mediciones de propiedades dieléctricas en los componentes de biomasa de PBF y azolla y también en las briquetas mezcladas. Se cuantificó su relación con la temperatura hasta 1000 °C. Este conocimiento proporciona una comprensión mecánica del proceso y también informa de manera crucial tanto la metodología de prueba para WP2 como las discusiones sobre el potencial para el desarrollo del sistema a gran escala. Estas medidas se realizaron en las frecuencias de microondas usadas industrialmente de 2450-915 MHz.
Se usó un método de perturbación de cavidad resonante (ver Figura 2) para medir las propiedades dieléctricas de los materiales entre 20-1000 °C. La cavidad resonante consta de una cavidad cilíndrica de cobre conectada a un analizador de red vectorial, que mide el cambio de frecuencia y el cambio en el factor de calidad con relación a la cavidad resonante vacía cuando se introduce una muestra. Las muestras finamente molidas (<100 jm ) se cargaron en un tubo de cuarzo (lana de cerámica debajo de la muestra y abierta en la parte superior para minimizar la entrada de aire) y se mantuvieron en un horno calentado convencionalmente sobre la cavidad hasta que se alcanzó el punto de ajuste de temperatura. A continuación, el tubo se introdujo en la cavidad y se determinaron las propiedades a las frecuencias de microondas usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz. Cabe señalar que no fue posible realizar con seguridad la caracterización dieléctrica en condiciones anóxicas (es decir, bajo nitrógeno) ya que tanto la cavidad como el horno estaban abiertos al laboratorio.
Se graficaron los resultados de la medición de la propiedad dieléctrica del PBF, la biomasa de azolla y las briquetas combinadas de PBF/biomasa a 2450 MHz y 915 MHz, entre 20-1000 °C. Las Figuras 3 y 4 son los gráficos para briquetas mezcladas de PBF/biomasa a 2450 MHz y 915 MHz, entre 20-1000 °C. En cada gráfico, la temperatura se representa en el eje horizontal, la constante dieléctrica en el eje vertical izquierdo (línea azul) y la pérdida dieléctrica en el eje vertical derecho (línea roja). Las mediciones a 2450 MHz se relacionan con la frecuencia comúnmente usada para pruebas a escala de laboratorio, mientras que las mediciones a 915 MHz se relacionan con la frecuencia usada actualmente para la mayoría de los sistemas de procesamiento industrial a niveles de potencia superiores a 50 kW.
Se encontró que el PBF tiene propiedades dieléctricas relativamente consistentes entre 20-600 °C. Ligeras inflexiones a alrededor de 100 °C y 300-400 °C se debieron a la eliminación de agua libre y grupos hidroxilo de la goetita, respectivamente. Por encima de 600 °C, el PBF mostró un aumento en las propiedades dieléctricas, atribuido a cambios de fase de óxido de hierro dependientes de la temperatura.
Se encontró que la biomasa de azolla absorbe fuertemente la energía de microondas por debajo de aproximadamente 150 °C y por encima de 500 °C. La reducción de las propiedades dieléctricas entre 100-200 °C se debió a la eliminación del agua libre. El aumento por encima de los 500 °C se debió a la pirólisis de la biomasa, liberando volátiles para dejar carbón carbonáceo y cenizas (debido al sellado imperfecto del tubo, es poco probable que se hubieran logrado condiciones completamente anóxicas).
Dados los resultados anteriores para PBF y biomasa por separado, no es sorprendente que los resultados de medición de las briquetas combinadas de PBF/biomasa exhibieran características tanto del mineral de hierro como de la biomasa. Las inflexiones entre 100-200 °C y entre 300-400 °C se debieron a la eliminación de agua libre tanto del mineral de hierro como de la biomasa, y la eliminación de los grupos hidroxilo de la goetita. El aumento entre 500-700 °C se debió a la combustión de la biomasa, ya que de nuevo el tubo abierto no permitía una atmósfera totalmente reductora. La disminución por encima de 700 °C se debió a la reducción progresiva de los óxidos de hierro.
En general, tanto el PBF como la biomasa de azolla y las briquetas combinadas de PBF/biomasa absorbieron fuertemente la energía de microondas en todo el intervalo de temperatura medido, tanto a 2450 MHz como a 915 MHz, particularmente por debajo de 200 °C y por encima de 700 °C.
1.1.3 Profundidad de penetración
Cuando una onda de energía electromagnética se propaga en un material dieléctrico, su amplitud disminuye debido a la absorción de energía en el material. La intensidad del campo y la potencia cae exponencialmente con la profundidad desde la superficie del material. Dp, la profundidad de penetración de la energía electromagnética en un material se define como la profundidad a la que el flujo de potencia cae a 1/e (0,368) de su valor superficial, La profundidad de penetración en un material es un buen indicador del potencial para lograr uniformidad de calentamiento dentro de un material. La profundidad de penetración es proporcional a la longitud de onda; a frecuencias más altas es más probable el calentamiento de la superficie, mientras que a bajas frecuencias se logra más fácilmente el calentamiento volumétrico. La profundidad de penetración es importante cuando se requiere el calentamiento volumétrico de un material. Cabe señalar que se produce algo de calentamiento más allá de la profundidad de penetración definida, ya que el campo eléctrico no llega a cero hasta algún punto después de la profundidad de penetración. La selección de la frecuencia adecuada es importante para garantizar que las dimensiones del material no sean mucho mayores que la profundidad de penetración; por lo tanto, es un parámetro de diseño clave cuando se considera el diseño y la ampliación del proceso.
Las profundidades de penetración de las briquetas combinadas de PBF/biomasa se calcularon y se representan en la Figura 5 en función de la temperatura de medición. Las briquetas mezcladas exhibieron un aumento en la profundidad de penetración entre 100 y 200 °C, debido a la remoción de agua libre. Luego, la profundidad de penetración disminuyó alrededor de 300 °C, con una ligera inflexión alrededor de 350 °C debido a la eliminación de los grupos hidroxilo. Por encima de 500 °C, la profundidad de penetración permaneció relativamente constante. La profundidad de penetración fue alta a 915 MHz en comparación con 2450 MHz (aproximadamente 5 cm y 2 cm respectivamente, por encima de 500 °C). En general, la profundidad de penetración fue similar en escala a las dimensiones de las briquetas mezcladas. Esto sugiere que, desde la perspectiva del calentamiento por microondas, sería posible lograr un calentamiento volumétrico de una carga continua de 5-10 cm de espesor a 915 MHz.
1.2 Caracterización Térmica
Se realizaron análisis termogravimétricos (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) tanto en PBF como en briquetas combinadas de PBF/biomasa en condiciones anóxicas (bajo nitrógeno) y se cuantificó su relación con la temperatura hasta 1000 °C.
La DSC permite el mapeo del comportamiento térmico y la identificación de "eventos térmicos" durante el proceso de calentamiento.
El TGA proporciona una comprensión mecánica de cómo debe cambiar la masa de las briquetas durante el proceso de tratamiento con microondas. La combinación de los datos de comportamiento térmico permite la predicción de un "intervalo de metalización" en base a la pérdida de masa de las muestras tratadas con microondas, medida después del tratamiento.
La Figura 6 representa las curvas de temperatura-flujo de calor de la DSC para el mineral de hierro y las briquetas combinadas de PBF/biomasa, en nitrógeno, entre 20-1000 °C. A partir de estas curvas, se pueden identificar tres eventos térmicos que ocurren durante la reducción directa del mineral de hierro en presencia de biomasa en condiciones de DSC. El primero es la eliminación del agua libre justo por encima de los 100 °C de la fracción de biomasa de las briquetas. El segundo evento térmico es la eliminación de los grupos hidroxilo de la goetita y la conversión a hematita; este pico se desplaza ligeramente en la muestra de briquetas. Esto posiblemente se deba a que los productos de pirólisis de la biomasa permiten que la conversión de goetita a hematita ocurra a una temperatura más baja. El evento térmico final identificado es el inicio de la metalización alrededor de los 850 °C en la muestra de briquetas.
En la Figura 7, la curva de flujo de calor DSC para briquetas combinadas de PBF/biomasa se traza junto con la curva TGA correspondiente, mostrando el cambio de masa con temperatura entre 20-1200 °C (el intervalo de medición de temperatura para la briqueta se amplió desde 1000 °C para identificar el punto final de metalización). Los datos sugieren un punto de inicio de metalización alrededor de 850 °C y un punto final a aproximadamente 950 °C, en condiciones de DSC.
En el punto final de la metalización, el cambio de peso con la temperatura de la briqueta comienza a estabilizarse. La masa residual de la muestra de DSC-TGA a esta temperatura fue del 57 %. Esto sugiere que, si las condiciones del tratamiento con microondas son las mismas que para la caracterización, las muestras tratadas que pesen menos del 57 % de su masa original deberían metalizarse, con poco o ningún óxido de hierro presente.
1.3 Resumen del paquete de trabajo 1
• Las propiedades dieléctricas del PBF, la biomasa y las briquetas combinadas de PBF/biomasa se midieron mediante el método de perturbación de la cavidad, entre 20-1000 °C a las frecuencias usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz. Los resultados indican que todos los materiales exhiben fuertes propiedades de absorción de microondas en todo el intervalo medido. Por encima de 500 °C, las profundidades de penetración son relativamente constantes (~2cm a 2450MHz y ~5cm a 915MHz). Esto indica que a 915 MHz sería posible lograr un calentamiento volumétrico de una carga continua de 5 a 10 cm de espesor, aunque ocurre algo de calentamiento más allá de la profundidad de penetración definida. Estos resultados muestran que todos los materiales deberían absorber fuertemente la energía de microondas en todos los experimentos de metalización propuestos en el Paquete de trabajo 2.
• Se usó calorimetría diferencial de barrido de PBF y briquetas combinadas de PBF/biomasa entre 20-1000 °C para identificar transiciones de materiales clave en el proceso de reducción bajo nitrógeno, determinar la relación entre la temperatura y la metalización e identificar la temperatura esperada requerida para metalizar briquetas combinadas mediante el uso de energía de microondas. Se identificó que la región clave para la metalización de las briquetas estaba entre 850-950 °C.
• Se realizó un análisis termogravimétrico del PBF y las briquetas mezcladas entre 20-1000 °C bajo nitrógeno para determinar la relación entre la temperatura y la pérdida de masa durante el proceso de reducción, e identificar la masa residual esperada de las briquetas mezcladas metalizadas con energía de microondas. La masa sugerida de una muestra metalizada a 950 °C fue el ~57 % de su masa antes de la reducción. Esto sugiere que si los tratamientos DSC-TGA y microondas proporcionan atmósferas reductoras equivalentes, las muestras tratadas en el programa de trabajo 2 con una masa del ~57 % debe exhibir metalización.
2. Prueba de concepto de microondas (Programa de trabajo 2)
Esta sección presenta la metodología experimental y los resultados de los experimentos de calentamiento por microondas para determinar la viabilidad técnica de lograr la metalización completa mediante el calentamiento de las briquetas mezcladas de PBF/azolla mediante el uso de energía de microondas en una atmósfera anóxica.
Los ensayos realizados cuantifican la relación entre el aporte energético, la densidad de potencia, el tiempo de tratamiento y el grado de metalización del producto. El resultado de cada tratamiento de microondas diferente se evaluó mediante difracción de rayos X semicuantitativa (XRD) para determinar el grado de metalización que se había logrado con relación a las briquetas no tratadas.
2.1 Metodología Experimental y Sistema de Tratamiento
Se dispuso de una gama de sistemas de microondas personalizados y de laboratorio para tratamientos de microondas de prueba de concepto. Las mediciones de propiedades dieléctricas realizadas en el programa de Trabajo 1 mostraron que la mezcla de mineral de hierro/biomasa tiene fuertes propiedades de absorción de microondas.
Se seleccionó un sistema multimodo a escala de laboratorio (regiones de alto y bajo campo eléctrico a través de la cavidad), con dimensiones de 540x425x425mm. Los tratamientos con microondas se llevaron a cabo a la frecuencia asignada de 2450 MHz, que es la más adecuada para pruebas de laboratorio a pequeña escala.
Por cada tratamiento realizado, aproximadamente 27g (~4 briquetas) se pesó una muestra de material y se colocó en una carcasa de ladrillo refractario de mullita dentro de la cavidad multimodo. Este material es esencialmente transparente a la energía de microondas en comparación con las briquetas y, por lo tanto, se asumió que toda la energía aplicada fue absorbida por la muestra, aunque en realidad habría habido disipación de energía en esta fase tanto a través del débil calentamiento por microondas como por la transferencia de calor de las briquetas. Esta carcasa se usó para reducir las pérdidas de calor de la superficie de la muestra durante el procesamiento.
El sistema se invirtió con nitrógeno a un caudal de 25 litros por minuto antes y durante el tratamiento con microondas para proporcionar condiciones anóxicas.
A continuación, la muestra se trató a la potencia y el tiempo de tratamiento seleccionados.
La extracción de aire se usó durante el procesamiento por microondas para eliminar los gases y las partículas generadas durante la pirólisis de la fracción de biomasa de las briquetas.
Durante el tratamiento, la energía absorbida por la carga fue monitoreada y controlada mediante un sintonizador automático y una PC.
En la Figura 8 se muestra un esquema del sistema de tratamiento de microondas completo.
Para las dosis de microondas más altas, las temperaturas en el exterior del ladrillo refractario se midieron inmediatamente después del tratamiento con microondas mediante el uso de una pistola de infrarrojos, para permitir la disipación de calor en los ladrillos refractarios y, por lo tanto, estimar el balance de energía.
Una vez que el material se enfrió, se recuperó de la carcasa de ladrillos refractarios y se volvió a pesar para determinar la masa perdida durante el tratamiento, luego se molió hasta obtener un polvo fino para la caracterización por XRD.
2.2 Resultados del tratamiento con microondas
Para determinar la influencia de la entrada de energía y la densidad de potencia/tiempo de tratamiento en el grado de metalización, se completó una matriz de 11 tratamientos, como se muestra en la Tabla 1 más abajo.
Tabla 1 Matriz de prueba del estudio de factibilidad
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La potencia aplicada se fijó en 1 kW o 2 kW, y se usaron tiempos de tratamiento de entre 1 y 16 minutos. Se usó un sintonizador automático para minimizar la potencia reflejada y asegurar que se absorbiera >95 % de la energía aplicada. Estos tratamientos dieron como resultado aportes de energía de microondas de entre 1000-11 300 kWh/t de briquetas, equivalentes a entre 5 y 74 GJ/t de producto (en base a la masa recuperada de material tratado). Una inspección visual de las muestras de briquetas sin tratar y tratadas con microondas después de la molienda mostró un claro cambio de color progresivo con el aumento de la entrada de energía, debido al nivel de reducción de minerales de hierro desde hematita roja hasta hierro metálico gris.
La Figura 9 representa la curva de masa-temperatura de las briquetas combinadas de PBF/biomasa según se determina mediante el uso de la TGA bajo nitrógeno entre 20-1200 °C.
A partir de la caracterización por DSC de las briquetas mezcladas realizada en el paquete de trabajo 1, el punto final esperado del proceso de reducción (en condiciones de la DSC) fue de aproximadamente 950 °C. A esta temperatura, la TGA tenía una masa de muestra residual del 57 %. Al trazar la masa residual de las muestras tratadas con microondas frente a la entrada de energía de microondas en la Figura 9 y ajustar una curva de tratamiento para una potencia aplicada de 1 kW y 2 kW, fue posible determinar un intervalo de metalización previsto, en base a la masa residual. Esta predicción supuso que se había recuperado toda la masa residual de las muestras tratadas con microondas y que las condiciones de reducción para el tratamiento con DSC-TGA y con microondas eran similares.
En base a esto, cuatro de las muestras tratadas con microondas (resaltadas en la región amarilla de la Figura 9) mostraron una metalización significativa o completa. Las curvas también sugirieron que una dosis de energía de microondas de ~38 GJ/t de producto en el sistema no optimizado usado sería suficientes para lograr la metalización en base a una masa residual del 57 %.
La Figura 10 representa los espectros de XRD para los diez tratamientos con microondas para los cuales se pudo recuperar la masa total de la muestra residual, junto con los espectros de XRD para las briquetas no tratadas. Las etiquetas representan los picos principales de cada uno de los minerales de hierro presentes en las muestras (algunos picos menores no han sido identificados por el software de identificación de minerales)
Los resultados de XRD muestran un claro aumento en el nivel de transformación de hematita a hierro metálico con el aumento del tiempo de entrada/tratamiento de energía de microondas. De las cuatro muestras identificadas en la Figura 10 como probables de tener un alto grado de metalización, tres tienen picos significativos para el hierro metálico, a saber, 1 kW 12 minutos, 1 kW 16 minutos y 2 kW 8 minutos.
Los espectros para energías de tratamiento intermedio también revelan la presencia de otros dos productos de reducción de óxido de hierro, magnetita y wustita. La presencia de estos intermedios sugiere la siguiente ruta de metalización en condiciones anóxicas:
Fe2O3 —— Fe3O4 —— FeO —— Fe
Hematita — magnetita — wurstita — hierro
Los espectros de XRD para las muestras con un alto grado de metalización también revelaron una reacción secundaria, que ocurre entre el cuarzo y la magnetita a altas temperaturas, la producción de fayalita (olivino) y oxígeno adicional:
2 Fe2O3 3SiO2 —— 3Fe2SiO4 O2
A partir de las pruebas realizadas en este estudio de factibilidad, no fue posible determinar si la producción de productos intermedios y secundarios fue impulsada por la entrada de energía/tiempo de tratamiento o por los niveles de oxígeno presentes durante el tratamiento con microondas.
Debido al contenido amorfo de las muestras derivado del alto contenido de biomasa, no fue posible brindar resultados cuantitativos con respecto a la cantidad de hierro y óxidos de hierro presentes en cada una de las muestras. Dado que la reacción de reducción transcurre desde la hematita hasta el hierro, fue posible estimar el grado de metalización. Para cada muestra, se determinaron las áreas bajo el pico principal de hierro (44,2<29<45,0) y el pico principal de hematita (32,3<29<33,7). La Figura 11 traza la proporción de estos picos en función de la entrada de energía de microondas.
Con energías de tratamiento por debajo de 12 GJ/t de producto (equivalente a aproximadamente 2400 kWh/t de briquetas mezcladas), un aumento en la densidad de potencia aumentó el grado de metalización. La Figura 11 muestra una mayor pérdida de masa con entradas de energía equivalentes a 2 kW en comparación con una potencia aplicada de 1 kW. Esto se puede atribuir a velocidades de calentamiento más rápidas, que son más significativas en tiempos de tratamiento más cortos. Este efecto fue validado por los espectros de XRD en la Figura 10, que muestra la presencia de goetita en la muestra de 1 kW 4 minutos, pero no en la muestra de 2 kW 4 minutos, lo que sugiere que la temperatura de dihidroxilación de la goetita (entre 300-400 °C) no había sido excedida a la potencia más baja, aunque las energías de tratamiento sean las mismas.
2.4 Resultados adicionales del tratamiento con azúcar
Se realizó un tratamiento adicional, reemplazando la biomasa con azúcar blanco granulado de mesa, es decir, sacarosa, C12H22O11.
Se mezclaron 12 gramos de sacarosa con 18 gramos de PBF, junto con 5 ml de agua, formando una pasta espesa. La muestra se trató con el mismo método que las briquetas, a 2 kW durante 8 minutos.
La Figura 12 muestra los espectros de XRD para la mezcla de PBF-azúcar en comparación con la mezcla de PBF/azolla y los finos de mineral sin procesar. La muestra de azúcar exhibió niveles más bajos de metalización en comparación con la azolla con una entrada de energía de microondas equivalente. La XRD también muestra que se formaron proporciones más altas de los óxidos de hierro intermedios, magnetita y wustita, al usar azúcar. No se cree que esto se deba a la pérdida de azúcar en el ladrillo refractario, ya que se usó masilla de alta temperatura para reducir la permeabilidad de la carcasa de tratamiento.
Una observación clave aquí es que variar el tipo de biomasa usada en el proceso de reducción directa brinda la oportunidad de controlar la proporción de óxidos intermedios formados.
También se realizaron dos tratamientos adicionales usando azúcar, al 50 % y 70 % de contenido de azúcar en masa.
La Figura 13 muestra los espectros de XRD para los tres tratamientos con azúcar en comparación con finos de mineral sin procesar. Las muestras con mayor contenido de azúcar exhibieron un mayor grado de metalización con niveles más bajos de óxidos de hierro intermedios remanentes. Esto sugiere que una mayor proporción de gases reductores presentes conduce a una mejor metalización.
2.5 Balance Energético
Las estimaciones de la entrada de energía de microondas sensible mostraron que la metalización del mineral de hierro mezclado con biomasa podría lograrse con entradas de energía de microondas significativamente más bajas que los totales citados y potencialmente del mismo orden que la energía DRI sensible usada en los procesos DRI comerciales de mejor rendimiento (~2 GJ/tonelada para sistema basado en gas), incluso a escala de laboratorio en un sistema no optimizado.
Más concretamente, un balance de energía con una estimación básica de las pérdidas de calor durante el procesamiento por microondas indicó que la reducción directa del mineral de hierro mediante el uso del calentamiento por microondas a escala de lotes pequeños se logró con aportes de energía de 1,6 GJ/t de producto. Sin la estimación de las pérdidas de calor, esto equivale a alrededor de 32 GJ/t de alimentación de briquetas mezcladas, o 74 GJ/t de producto.
Debería ser posible reducir significativamente este valor en un sistema industrial optimizado donde se minimicen las pérdidas de calor.
La experiencia de escalamiento indica que se requieren entradas de energía significativamente más altas, a menudo de varios órdenes de magnitud mayores, en sistemas de escala de laboratorio de lotes pequeños no optimizados en comparación con la operación continua de un proceso industrial optimizado bien diseñado.
2. 6 Paquete de trabajo 2 Breve descripción de la invención
• Los tratamientos de microondas a escala de laboratorio a 2450 MHz mediante el uso de un sistema no optimizado y el subsiguiente análisis de XRD semicuantitativo demostraron que se podían lograr altos niveles de metalización mediante el uso de energía de microondas. El análisis de la caracterización por XRD de briquetas con un contenido de biomasa del 35 % y el 40 % (en masa) procesadas con un horno convencional sugiere que la optimización del tipo y la cantidad de biomasa podría mejorar el proceso de reducción mediante el control de la atmósfera reductora y las reacciones asociadas del hierro dentro de esa atmósfera.
• Esta tendencia también se observó en los espectros de XRD para PBF mezclado con un contenido de azúcar del 35 %, 50 % y 70 %, con cargas de azúcar más altas que dieron como resultado una metalización más completa y proporciones reducidas de óxidos de hierro intermedios con entradas globales de energía de microondas equivalentes.
3. Conclusiones de los paquetes de trabajo 1 y 2
El estudio de factibilidad mostró que es posible lograr la metalización del mineral de hierro mezclado con biomasa, mediante el uso de energía de microondas como fuente de calor. Las propiedades dieléctricas medidas muestran que la biomasa de azolla PBF (finos de mineral de hierro) y las briquetas combinadas interactuaron fuertemente con la energía de microondas en las frecuencias usadas industrialmente de 2450 MHz y 915 MHz. La profundidad de penetración de microondas derivada de 5 cm a 915 MHz por encima de 500 °C verificó que, desde la perspectiva del calentamiento por microondas, sería posible lograr un calentamiento volumétrico de una carga continua de 5-10 cm de espesor (aunque se produjo algo de calentamiento más allá de la profundidad de penetración definida). No hubo un efecto claro de la densidad de potencia (entre 1 kW y 2 kW) sobre el grado de metalización, a temperaturas superiores a 500 °C y 30 GJ/t de entrada de energía de microondas del producto. Sin embargo, la capacidad de proporcionar calentamiento global al material brinda la oportunidad de superar las limitaciones de transferencia de calor. Esto podría conducir a velocidades de calentamiento más rápidas y tiempos de residencia más cortos, con el consiguiente menor tamaño de la planta, el uso directo de finos de sinterización, CAPEX reducido y un mayor control del proceso como posibles ventajas. La producción variable de óxidos de hierro intermedios (magnetita y wustita) y productos de reacción secundaria (fayalita) para diferentes cargas de biomasa indicó que existe la oportunidad de optimizar el proceso de reducción y metalización alterando el contenido de biomasa y controlando la atmósfera reductora, lo que lleva a la metalización con entradas de energía de microondas más bajas. Finalmente, el balance energético estimó pérdidas de calor en las pruebas de viabilidad en el sistema no optimizado de casi el 90 %. Por lo tanto, la metalización a entradas de energía MW de ~2 GJ/t de producto, se podría lograr en un proceso industrial optimizado con pérdidas de calor minimizadas.
Figura 14 - Diagrama de bloques de una modalidad
Con referencia al diagrama de bloques de la Figura 14, en una modalidad de la invención, las briquetas de una mezcla de una proporción seleccionada de finos de mineral de hierro y biomasa se suministran como material de alimentación a un horno de precalentamiento 3 y se precalientan a un temperatura en el intervalo de 400-600 °C por un tiempo predeterminado.
El horno de precalentamiento 3 está diseñado para funcionar por lotes.
Luego, las briquetas precalentadas se transfieren a un conjunto de reducción 5 y los finos de mineral de hierro se calientan y reducen en el conjunto 5.
El conjunto 5 también está diseñado para funcionar por lotes.
El conjunto 5 incluye una cámara para las briquetas, una fuente de energía de microondas, una guía de ondas para transferir energía electromagnética en forma de energía de microondas a 2450 MHz u otra frecuencia adecuada a la cámara, una fuente de gas inerte, como nitrógeno, tubería adecuada para suministrar el gas inerte a la cámara para mantener la cámara en condiciones anóxicas durante el tratamiento de las briquetas en la cámara, y una salida para descargar el gas y cualquier partícula retenida que se genere durante el tratamiento en la cámara.
En uso, mientras la cámara se mantiene en condiciones anóxicas, la energía de microondas calienta los finos de mineral de hierro y la biomasa y genera calor dentro de ambos constituyentes de las briquetas, con el resultado de la reducción de los finos de mineral de hierro en estado sólido a través de la biomasa dentro de la briquetas para formar un producto metalizado en estado sólido.
El proceso incluye un sistema de control para controlar las condiciones de operación de manera que el mineral de hierro se caliente a una temperatura seleccionada durante un tiempo de residencia seleccionado a la temperatura. En el caso de la hematita, el proceso incluye el control de las condiciones de operación para que la hematita se caliente a una temperatura en un intervalo de 800-1100 °C para metalizar la hematita.
El producto metalizado en estado sólido puede almacenarse y transportarse a otras plantas para ser procesado según sea necesario para producir acero de uso final u otros productos.
Aunque la modalidad descrita con relación a la Figura 14 se describe como un proceso por lotes, se puede apreciar fácilmente que la invención no está tan limitada y podría funcionar como un proceso continuo tanto en las etapas de precalentamiento como de reducción.
Además, mientras que la modalidad descrita con relación a la Figura 14 se describe funcionando con energía de microondas, se puede apreciar fácilmente que la invención no está tan limitada y podría funcionar con cualquier energía electromagnética adecuada.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso continuo para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido incluye: transportar briquetas de fragmentos de mineral de hierro y biomasa a través de una cámara de precalentamiento (3) y precalentar el mineral de hierro y la biomasa a una temperatura de al menos 400 °C mientras el mineral de hierro y la biomasa se mueven a través de la cámara (3); y transportar las briquetas precalentadas a través de una cámara de reacción que tiene un ambiente anóxico y exponer el mineral de hierro y la biomasa en briquetas a energía electromagnética en forma de energía de microondas en condiciones anóxicas y generar calor dentro del mineral de hierro, y la biomasa que actúa como reductor y reduce el mineral de hierro en estado sólido, a medida que las briquetas se mueven a través de la cámara.
2. El proceso definido en la reivindicación 1 incluye energía de microondas que genera calor dentro de la biomasa.
3. El proceso definido en la reivindicación 1 o la reivindicación 2 incluye el control de las condiciones operativas del proceso para que el mineral de hierro se caliente a una temperatura en un intervalo en el que se produce la metalización del mineral de hierro.
4. El proceso definido en la reivindicación 3 incluye, en el caso de la hematita, controlar las condiciones operativas del proceso para que el mineral de hierro se caliente a una temperatura en un intervalo de 800-950 °C para la metalización de la hematita.
5. El proceso definido en la reivindicación 3 o la reivindicación 4 incluye el control de las condiciones de operación del proceso para que el mineral de hierro se reduzca al grado requerido de metalización y forme un producto de hierro metálico en estado sólido.
6. El proceso definido en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las briquetas tienen una dimensión principal de 1-10 cm, típicamente de 2-10 cm y más típicamente de 2-6 cm.
7. Un aparato para la reducción directa de mineral de hierro en estado sólido, el aparato incluye: un horno de precalentamiento (3) para precalentar fragmentos de mineral de hierro y biomasa en briquetas de estos materiales a una temperatura en el intervalo de 400-900 °C; y un conjunto de reducción (5) para briquetas del horno de precalentamiento (3), incluyendo el conjunto de reducción (5) una cámara de reacción, una fuente de energía electromagnética en forma de energía de microondas, una guía de ondas para transferir energía de microondas a la cámara para calentar y reducir el mineral de hierro en briquetas del horno de precalentamiento (3), con biomasa actuando como reductor, una fuente de gas inerte, como nitrógeno, tuberías para suministrar el gas inerte a la cámara para mantener la cámara en condiciones anóxicas, y una salida para descargar un gas de escape y cualquier partícula retenida que se genere en la cámara.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
LU101759B1 (en) * 2020-04-24 2021-10-25 Wurth Paul Sa Method for supplying raw material to a sinter plant
CA3178910A1 (en) * 2020-05-25 2021-12-02 Michael Buckley Biomass direct reduced iron
US20230407423A1 (en) * 2020-11-24 2023-12-21 Technological Resources Pty. Limited Biomass direct reduced iron
EP4237588A1 (en) * 2020-11-24 2023-09-06 Technological Resources Pty Limited Biomass direct reduced iron
JP7197756B1 (ja) 2021-07-16 2022-12-28 株式会社堤水素研究所 製鉄装置
WO2023173159A1 (en) * 2022-03-12 2023-09-21 Technological Resources Pty. Limited Biomass direct reduced iron

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2802213A1 (de) 1978-01-19 1979-07-26 Fink Gerdinand Verfahren und vorrichtung fuer die direktreduktion von eisenerz mit holz als reduktionsmittel
US4906290A (en) 1987-04-28 1990-03-06 Wollongong Uniadvice Limited Microwave irradiation of composites
US4822410A (en) * 1988-03-14 1989-04-18 Mkr, Inc. Reclamation of metals by flash direct reduction
WO2000047780A2 (en) * 1999-02-02 2000-08-17 Hylsa, S.A. De C.V. Method and apparatus for preheating of direct reduced iron used as feed to an electric arc furnace
US6802886B2 (en) * 2000-06-05 2004-10-12 Midrex Technologies, Inc. Method of producing a metallized briquette
AUPR186200A0 (en) 2000-12-04 2001-01-04 Tesla Group Holdings Pty Limited Plasma reduction processing of materials
GB2435649A (en) 2006-03-03 2007-09-05 Anglo Operations Ltd Process for reducing metal ores.
US7632330B2 (en) 2006-03-13 2009-12-15 Michigan Technological University Production of iron using environmentally-benign renewable or recycled reducing agents
ZA200808063B (en) * 2006-03-13 2010-02-24 Univ Michigan Tech Production of iron using environmentally-benign renewable or recycled reducing agent
JP5218196B2 (ja) 2009-03-25 2013-06-26 新日鐵住金株式会社 酸化鉄含有物質の還元方法
JP5445230B2 (ja) * 2010-03-05 2014-03-19 新日鐵住金株式会社 マイクロ波加熱による酸化鉄含有物質の還元方法、及び、焼結鉱製造用原料の製造方法、並びに、高炉原料の製造方法
US8657999B2 (en) * 2010-07-28 2014-02-25 General Electric Company Methods for preparing fuel compositions from renewable sources, and related systems
MX2013001378A (es) * 2010-08-03 2014-01-31 Hwang Jiannyang Metodo y aparato para co-produccion de arrabio y gas de sintesis de alta calidad.
US8906131B2 (en) 2011-10-04 2014-12-09 John J. Simmons Direct production of iron slabs and nuggets from ore without pelletizing or briquetting
NZ596549A (en) 2011-11-21 2014-05-30 Carbonscape Ltd Apparatus and method for processing biomass
CN102392093A (zh) * 2011-12-09 2012-03-28 青岛理工大学 一种基于生物质的直接还原炼铁装置及方法
CN102864265B (zh) 2012-09-24 2014-05-28 中南大学 一种气基直接还原尾气回收利用的方法

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