ES2911204T3 - Proceso y aparato para la fabricación de compuestos calcinados para la producción de productos calcinados - Google Patents
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Abstract
Un proceso para producir un producto altamente calcinado y uniformemente calcinado a partir de una materia prima que incluye las etapas de: a. Molienda de la materia prima hasta convertirla en polvo; b. Precalentamiento del polvo; c. Calcinación del polvo en una planta de reactor que comprende una serie de segmentos del reactor en los que se usa un calcinador ultrarrápido en cada una de la serie de segmentos del reactor para hacer reaccionar el polvo de forma incremental elevando la temperatura en cada segmento; d. El último segmento es un reactor de alta temperatura que tiene un tiempo de permanencia y temperatura controlados que permite el acabado controlado del proceso de calcinación para lograr el grado deseado de calcinación y sinterización del producto; y e. Enfriamiento del producto. en el que la materia prima es un carbonato, o un carbonato y minerales hidratados, tal que el dióxido de carbono liberado en los segmentos del reactor indirectamente calentados no se mezcla con los gases de combustión, para permitir la captura de carbono; o un mineral de magnesita dolomítica de una composición, incluyendo compuestos hidratados, adecuados para la producción de magnesio metálico; o un mineral de magnesita dolomítica de una composición, incluyendo compuestos hidratados, adecuados para la producción de materiales refractarios, teniendo el polvo un diámetro menor o igual a 100 micras
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso y aparato para la fabricación de compuestos calcinados para la producción de productos calcinados
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere en términos generales a un proceso, sistema y aparato para la fabricación de minerales calcinados. La presente invención puede tener aplicación específica para la fabricación o producción de dolima para la producción de magnesio, la cual está adaptada para facilitar la captura de carbono; y para la producción general de materiales a partir de procesos de calcinación que requieran un alto grado de especificación del grado de calcinación y/o sinterización.
ANTECEDENTES
La producción de magnesio metálico se puede producir en un proceso electrolítico a partir de cloruro de magnesio que se electroliza para formar magnesio metálico, o usando un proceso de reducción silicotérmica para reducir el magnesio de la dolima. El proceso electrolítico es costoso de operar debido al consumo de energía y ha sido reemplazado por el proceso silicotérmico.
El proceso silicotérmico tiene tres etapas. En la etapa de calcinación, un mineral dolomítico (MgCO3)x .(CaCO3)y .(Mg(OH)2)z se calcina a dolima (MgO)x+z(CaO)y. El mineral es un compuesto de brucita Mg(OH)2 , magnesita y dolomita MgCO3.CaCO3 y puede contener impurezas como sílice y óxidos de hierro. La composición de esta corriente de entrada puede optimizarse para el proceso mezclando minerales. Este proceso produce una cantidad significativa e inevitable de dióxido de carbono, CO2 así como vapor de H2O. En la etapa silicotérmica, la dolima se muele y se mezcla con un reductor, generalmente ferrosilicio, para formar una briqueta que permita el contacto entre las partículas de dolima y el ferrosilicio, y la briqueta se procesa en un reactor a alta temperatura y baja presión para producir vapor metálico de magnesio y una escoria de silicato de calcio y hierro. El vapor de magnesio metálico se condensa en un sólido en el reactor y se enfría para formar el metal sólido en el reactor. Se abre el reactor y se retira la corteza de magnesio y se procesa en un lingote en la tercera etapa.
Hay cuatro procesos industriales para la etapa silicotérmica, a saber, el proceso PidgeonMC, el proceso BalzanoMC, el proceso MagnathermMC y el proceso MintekMC.
El proceso MintekMC es un proceso continuo en el que los materiales de alimentación se introducen por separado en el horno, mientras que los otros procesos son procesos por lotes en los que el material de alimentación molido es una briqueta, que se forma prensando los polvos. Los procesos PidgeonMC y BalzanoMC se basan en reacciones en estado sólido a aproximadamente 1100-1200 °C, mientras que los procesos MagnathermMC y MintekMC son reacciones en fase líquida a 1550-1750 °C, y para lograr la fusión, estos procesos incluyen la adición de óxido de aluminio o aluminio. El proceso PidgeonMC usa una retorta de acero inoxidable que puede calentarse con energía eléctrica o combustión, mientras que los otros procesos usan calentamiento eléctrico. En las reacciones de estado sólido, el proceso de fabricación de briquetas es esencial para el procesamiento de estado sólido. Este proceso pone los reactivos de dolima y ferrosilicio, cada uno en forma de polvo de menos de 100 micrones de diámetro, en estrecho contacto físico para permitir que ocurran las reacciones. Se utilizan aditivos como el cloruro de calcio en la briqueta para promover la fusión de los sólidos en el horno. La condensación de magnesio en un sólido tiene lugar dentro de un segmento enfriado del horno, que normalmente funciona al vacío para reducir la temperatura de funcionamiento. Una variación de estos procesos es utilizar el enfriamiento rápido del vapor de magnesio en una expansión supersónica para producir un polvo sólido.
Estos procesos silicotérmicos utilizan dolima como insumo, y los requisitos de los insumos de dolima son todos similares, principalmente un alto grado de calcinación. Sería apreciado por una persona experta en la técnica que cualquier emisión gaseosa del proceso silicotérmico será perjudicial porque el proceso es generalmente un proceso de baja presión. Específicamente, cualquier carbono residual en la dolima se calcinará hasta CO2 durante el proceso, y el CO2 puede reducirse hasta carbono o monóxido de carbono por el ferrosilicio. Esto consume el ferrosilicio y el carbono puede condensarse con el magnesio. Es muy deseable que el contenido de carbono de la dolima sea lo más pequeño posible, normalmente menos del 0,1 %.
Para la etapa de calcinación, la tecnología actual produce la dolima a partir de rocas trituradas en un horno. En un horno, el CO2 de la calcinación del carbonato se mezcla con el gas de calentamiento de la combustión, de modo que la cantidad total de CO2 surge de este proceso mezclado con el CO2 de la combustión. Por lo general, en un horno de mejores prácticas alimentado con carbón, el 60 % del CO2 emitido proviene de la calcinación del carbonato. Esta invención divulga un proceso para la producción de la dolima en el que las emisiones de carbonato se reducen significativamente.
Una característica común de todos los procesos de producción de magnesio es su intensidad energética y las altas emisiones de dióxido de carbono asociadas. Por ejemplo, la mayor parte del magnesio del mundo ahora se produce utilizando el proceso Pidgeon en el que el calor para el horno de dolima y el proceso silicotérmico se producen a partir
de la gasificación del carbón. Se ha informado que el potencial de calentamiento global (GWP) para el magnesio es de 43,3 kg de CO2 por kg de magnesio metálico, mientras que el GWP promedio para lingotes de aluminio es de 12,7 kg de CO2 por kg de aluminio. La sustitución del aluminio por magnesio es deseable debido al menor peso y mayor resistencia del metal. Es necesario reducir las emisiones de CO2 de la producción de magnesio hasta niveles tan bajos como las del aluminio, o preferiblemente más bajas, para que los productos tengan una huella de carbono comparable 0 menor.
Las emisiones de CO2 pueden reducirse considerablemente mediante el uso de gas natural en la etapa de calcinación, y mediante el uso de energía hidroeléctrica para calentar eléctricamente el horno para el proceso silicotérmico. Se ha informado que el GWP se puede utilizar para reducir las emisiones hasta 9,1 kg de CO2 por kg de Mg utilizando estas fuentes alternativas de energía. Si el gas natural se reemplaza por un biocombustible, tal como el carbón vegetal de productos naturales, las emisiones de combustibles fósiles pueden reducirse aún más. Sin embargo, en todos estos procesos, las emisiones del proceso de calcinación de dolomita se liberan a la atmósfera y contribuyen al efecto invernadero.
El documento US 4555388 divulga un tratamiento térmico utilizando calcinadores de suspensión.
El documento GB2076308 divulga la calcinación de una suspensión granulada.
El documento US 4128392 divulga la calcinación de dolomita o caliza en una combinación de lecho fluidizado y calcinador ultrarrápido.
Se ha informado de un análisis del ciclo de vida para el uso de metales de magnesio en automóviles. El modelo se basa en la sustitución de 318 kg de hierro, acero y aluminio por 154 kg de magnesio metálico en un automóvil estándar. El menor peso significa una disminución en las emisiones de CO2 por el consumo de gasolina. El análisis del ciclo de vida considera tanto las emisiones de CO2 en la producción de los metales, como las emisiones de la combustión de gasolina. Los resultados se expresan en el número de kilómetros que ha de recorrer el automóvil para alcanzar un punto de equilibrio entre el ahorro de emisiones por el menor consumo de gasolina derivado de la reducción de peso, y el aumento de emisiones por la producción del magnesio frente a los metales que él reemplaza. El proceso Pidgeon que usa carbón como combustible produce un punto de equilibrio de la distancia de unos 275.600 km, mientras que el uso de gas natural y energía hidroeléctrica reduce esto a unos 69.500 km1. De ello se deduce que la captura de las emisiones del proceso reduciría este punto de equilibrio a unos 12.500 km. Esta es una pequeña fracción de la distancia total recorrida por un automóvil durante su vida útil, por lo que los ahorros ambientales serían significativos si pudiera evitarse la emisión del CO2 del proceso. Es necesario reducir las emisiones de CO2 derivadas de la fabricación de magnesio para fabricar vehículos metálicos ligeros que supongan una reducción neta de emisiones.
Esta invención se refiere principalmente a la reducción de emisiones para la primera etapa del proceso de producción de magnesio silicotérmico, a saber, la producción de dolima a partir de dolomita en un proceso de calcinación. Si se utilizara energía hidroeléctrica para el proceso silicotérmico y biomasa para el combustible de calcinación, entonces se podría producir magnesio metálico con casi cero emisiones. Además, si también se usa energía hidroeléctrica para el proceso de calcinación, el magnesio metálico se puede producir con cero emisiones o sustancialmente con cero emisiones.
En una realización, la invención divulga un medio de separación directa del dióxido de carbono de la calcinación del mineral dolomita mediante la combustión de un combustible, de manera que el dióxido de carbono nunca se mezcla con ningún gas de combustión y/o aire, y se logra
1 "Haciendo del Magnesio una Opción Menos Costosa y Ambientalmente Competitiva", Douglas J Zuliani y Douglas Reeson, Conferencia Mundial Sobre Materiales Livianos para Automóviles (25 y 26 de abril) de 2012. Esta corriente se puede comprimir y secuestrar para evitar las emisiones. Evitar un proceso de captura de gases de combustión reduce la energía y el gasto de implementar dichos procesos de captura posteriores a la combustión. En otra realización, también se puede utilizar energía eléctrica para la calcinación de dolomita en CO2 y/o vapor. La principal invención divulgada es el medio de captura del gas CO2 del procesamiento de la dolomita con un óxido mientras se mantiene el alto grado de calcinación de la dolomita requerido para el proceso silicotérmico.
El requisito preferido es que esa dolima se procese para producir una cantidad residual de CO2 unido que sea preferiblemente inferior al 0,1% para la producción de magnesio metálico, y que sea energéticamente eficiente por derecho propio para minimizar el consumo de combustible.
Más generalmente, la producción de productos altamente calcinados a partir de rocas trituradas o gránulos en hornos proporciona una amplia variación en el grado de calcinación de los polvos que surge del hecho de que la calcinación se produce desde el exterior de las rocas hacia el interior. Para lograr un alto grado de calcinación, el tiempo de permanencia en el horno es muy largo, en cuyo caso las partículas tienen una amplia distribución de áreas superficiales, y por lo tanto las reactividades porque la sinterización de las partículas se produce después de que la zona de reacción ha progresado en las rocas o gránulos. La necesidad de sinterización y calcinación controladas es difícil de lograr. En principio, la molienda del polvo y el procesamiento en un calcinador ultrarrápido pueden resolver
estos problemas. Sin embargo, los calcinadores ultrarrápidos que inyectan las partículas en un gas de combustión caliente generalmente dan como resultado una amplia gama de calcinación y sinterización porque cada partícula experimenta un entorno diferente. El uso de reactores de contraflujo calentados indirectamente produce materiales que tienen un procesamiento uniforme, de modo que se puede controlar el área superficial y el grado de calcinación. Sin embargo, el tiempo de permanencia limitado es tal que no se puede lograr un alto grado de calcinación. Esta invención pretende proporcionar un proceso de calcinación en el que se pueda controlar el grado de calcinación y sinterización.
Existen muchos procesos en los que el proceso de calcinación requiere un entorno gaseoso específico, por ejemplo, en los que el potencial de oxidación/reducción de la reacción requiere un control específico de la composición del gas. En este caso, no se puede implementar la mezcla de los sólidos con el gas de calentamiento. Existe la necesidad de un proceso de calcinación en el que se pueda controlar el grado de calcinación y sinterización y el entorno gaseoso.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Un primer aspecto de la presente invención puede incluir un método, sistema, proceso o dispositivo adaptado para la producción de dolima para la producción de magnesio metálico.
Preferiblemente, la invención tiene como objetivo específico proporcionar mejoras a los procesos y aparatos para la fabricación de magnesio metálico que pueden superar algunas o todas las deficiencias del proceso convencional descritas anteriormente, que incluyen, entre otras, facilitar la captura de dióxido de carbono de la etapa de calcinación de dolomita, y producir dolima con una pequeña cantidad residual de carbonato que es adecuada para su uso en la producción de magnesio con una alta eficiencia térmica.
Un primer aspecto de la presente invención puede incluir: Un proceso para producir dolima a partir de dolomita que incluye las etapas de: moler y triturar la dolomita hasta obtener un polvo con una composición (MgCO3)x .(CaCO3)y .(Mg(OH)2)z ; calcinar el polvo en una secuencia de etapas de calcinación que capturan sustancialmente el CO2 para producir dolima (MgO)x+z.(CaO)y-w.(CaCO3)w con un bajo contenido de carbono residual w que cumple con las especificaciones para la producción de magnesio. La secuencia tiene una primera etapa de calcinación a baja temperatura en la que el CO2 del MgCO3 y el H2O del Mg(OH)2 se liberan en una corriente de gas de H2O y CO2 , para producir una semidolima sólida (MgO)x+z.(CaCO3)y; una segunda etapa de calcinación a una temperatura intermedia en la que el CO2 del CaCO3 se libera sustancialmente en una corriente de gas de CO2 para producir una dolima parcialmente calcinada (MgO)x+z.(CaO)y-w(CaCO3)w ; y una tercera etapa a alta temperatura para producir dolima (MgO) x+z.(CaO)y-v(CaCO3)v , en la que el carbono residual, v, en CaCO3 se reduce a la especificación requerida para la producción de magnesio. Preferiblemente, al menos una de la primera y segunda etapas de calcinación se calienta indirectamente, y más preferiblemente, tanto la primera como la segunda etapa de calcinación se calientan indirectamente.
En términos de captura de carbono, la complejidad del tercer reactor de captura puede simplificarse permitiendo que se libere la pequeña cantidad de CO2 , w-v. En este caso, las cantidades relativas de carbonato de carbono capturadas son x+y-w y la cantidad finalmente agotada en el proceso no es mayor que w. Es preferible que w/(x+y) sea inferior al 5%, para que el proceso reducción de emisiones de CO2 en este aspecto es de al menos un 95%.
En una realización adicional que usa un gas de combustión para el calor del calcinador, también puede ser preferible que el calor en la dolima, las corrientes de CO2 , la escoria y las corrientes de gases de combustión se extraigan y se usen para precalentar la dolima y el aire, utilizados en los sistemas de combustión. Tales medidas de recuperación de calor pueden reducir el consumo de combustible y por lo tanto se pueden reducir las emisiones de CO2 de tales combustibles, de modo que la huella de carbono general para la producción de magnesio metálico se reduce considerablemente. Para la realización que usa energía eléctrica para la energía del calcinador, también puede ser preferible que el calor en la dolima, el CO2 y las corrientes de escoria, se extraigan y utilicen para precalentar la dolima. Tales medidas de recuperación de calor pueden reducir el consumo de combustible y por lo tanto se pueden minimizar las emisiones de CO2 de tales combustibles, de modo que se puede reducir significativamente la huella general de carbono del magnesio metálico. En el caso del proceso líquido MintekMC para la producción de magnesio, el polvo de dolima caliente se puede introducir directamente en el reactor y el calor se puede recuperar de la etapa silicotérmica para aumentar la eficiencia térmica del proceso general de producción de magnesio.
Preferiblemente, la corriente de gas del proceso final, que comprende dióxido de carbono, se puede enfriar y comprimir, y se puede secuestrar o utilizar de otro modo para evitar o reducir las emisiones. Opcionalmente, el CO2 enfriado y comprimido se puede almacenar.
En un segundo aspecto de la invención, el CO2 de la tercera etapa de calcinación puede capturarse como una corriente de gas puro, de modo que las emisiones no sean mayores que v/(x+y).
En un tercer aspecto de la invención, las primeras dos etapas del primer o segundo aspectos se pueden combinar en una sola etapa. Este aspecto no tiene impacto en las emisiones cuando se aplica al primer o segundo aspecto.
En un cuarto aspecto, las tres etapas del segundo aspecto pueden combinarse en una sola etapa. Este aspecto no tiene impacto en las emisiones cuando se aplica al segundo aspecto.
Hay un beneficio en el procesamiento en etapas separadas a diferentes temperaturas asociado con el control del proceso y el coste y rendimiento de los materiales que se pueden usar en la construcción de las etapas.
Si bien el magnesio metálico es un ejemplo de la innovación, existen otros procesos industriales, tales como la producción de refractarios, soportes de catalizadores a partir de hidróxidos, carbonatos y otros materiales volátiles que pueden beneficiarse del procesamiento secuencial y la separación de los gases de combustión de la corriente de gas de proceso. Otros procesos de este tipo incluyen el procesamiento de minerales en una atmósfera inerte o reductora. En muchos de estos casos, el proceso final a alta temperatura es un proceso de sinterización, o una reacción de sólidos, que puede tardar un tiempo considerable en completarse. La tercera etapa del primer aspecto de esta invención se puede utilizar para los procesos de alta temperatura, y el principal beneficio es el control del proceso derivado de la separación de las etapas iniciales de procesamiento asociadas con grandes emisiones de gases de las reacciones en estado sólido que requieren contacto íntimo entre partículas. Esta invención se aplica a dichos procesos. Preferiblemente, las emisiones de carbono de combustibles fósiles del gas de combustión se reducen más preferiblemente usando combustibles no fósiles, tales como combustibles de biomasa y residuos, hidrógeno, o usando gas natural que tiene una huella de carbono baja. Además, el uso de procesos de captura de carbono tales como combustible oxigenado, combustión previa o captura posterior a la combustión puede utilizarse para reducir las emisiones de carbono del combustible.
Un aspecto adicional de la presente invención proporciona: un proceso para producir un producto altamente calcinado y uniformemente calcinado a partir de una materia prima tal como se define en la reivindicación 1 Preferiblemente, el último segmento del reactor es un reactor de lecho fluidizado circulante. El lecho fluidizado circulante preferido se calienta directamente mediante un gas de calefacción, y el gas de escape se trata por separado del gas de escape de los reactores calentados indirectamente en los segmentos anteriores.
Los segmentos del reactor pueden construirse, formarse o montarse en una formación de torre en la que la reacción procede de arriba hacia abajo.
Preferiblemente, los segmentos del reactor son reactores calentados indirectamente configurados de modo que la temperatura de los materiales en el reactor pueda aumentar a medida que los materiales pasan a través del reactor. Preferiblemente, se utiliza un gas inerte, un gas reductor o cualquier gas específico para arrastrar los sólidos en los reactores sin mezclarlos con los gases de combustión.
El polvo puede tener un diámetro promedio igual o inferior a 100 micras.
El proceso de calcinación preferido puede dar como resultado el desprendimiento de gases y la conducción de estos gases al final de cada segmento del reactor facilita el progreso de la reacción en segmentos posteriores.
Preferiblemente, las corrientes de gas se canalizan hacia arriba y se combinan de manera que las corrientes de gas se enfrían progresivamente por los reactivos que fluyen hacia abajo.
El carbonato puede ser minerales de magnesita, dolomita o de piedra caliza o mezclas de los mismos, y también pueden ser compuestos de carbonato sintético.
Otro aspecto de la presente invención comprende el uso de un dispositivo adaptado para producir un producto altamente calcinado y uniformemente calcinado a partir de materia prima en polvo, como se define en la reivindicación 12
El carbonato puede ser minerales de magnesita, dolomita o piedra caliza o mezclas de los mismos, y también pueden ser compuestos de carbonato sintético.
Un experto en la materia apreciaría que la base de la invención es un proceso de calcinación que puede procesar los sólidos en varias etapas sin mezclar los gases del proceso con los gases de calentamiento.
Otras formas de la invención serán evidentes a partir de la descripción y los dibujos, y de las reivindicaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las realizaciones de la invención se comprenderán mejor y serán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción escrita, solo a modo de ejemplo, y junto con los dibujos, en los que:
La Figura 1 muestra un dibujo esquemático de un proceso para la producción de dolima y una corriente de CO2 relativamente pura de ambos reactores de acuerdo con la primera reivindicación.
La Figura 2 muestra una realización del calcinador 111 ultrarrápido del esquema de la Figura 1.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERIDAS
Se describe una primera realización preferida de la presente invención para la aplicación específica para la producción de dolima a partir de dolomita para la producción de magnesio usando calentamiento indirecto a partir de un proceso de combustión. Este producto calcinado debe tener una especificación para el contenido máximo de carbono permitido en el horno que vaporiza el magnesio, y un requisito deseable de que el producto tenga un área de superficie lo más alta posible para optimizar la reacción de estado sólido entre la dolima y el ferrosilicio en el horno. Este es un ejemplo específico o realización de un método general en el que el producto calcinado debe cumplir requisitos tanto de reactividad como de calcinación.
El proceso de producción de dolima se puede describir considerando el flujo del proceso de la Figura 1. En esta realización, ese carbonato es dolomita con una proporción apropiada de magnesio a calcio para optimizar la producción de magnesio metálico usando ferrosilicio. Tal materia prima puede incluir brucita, Mg(OH)2 y mezclas de dolomita pura MgCO3.CaCO3 y magnesita MgCO3 , para lograr la relación deseada. El proceso descrito puede adaptarse a un dispositivo, método o sistema para lograr éxitos o resultados iguales o similares.
Un precalentador adecuado y un reactor de calcinación ultrarrápida del tipo descrito por el Dr. Mark Sceats en la solicitud de patente PCT publicada No. WO2012/145802 puede ser adecuado para una realización que usa combustión para suministrar la energía de calcinación. En ese reactor, la separación del gas de calentamiento del gas de proceso de calcinación se logra usando calentamiento indirecto del gas de calentamiento. Esto se puede lograr usando una pared de metal o cerámica entre los dos flujos. El gas de calentamiento y las corrientes de proceso están en contraflujo, de manera que la eficiencia energética es alta, de la misma manera que los intercambiadores de calor en contraflujo tienen una alta eficiencia energética. Los sólidos caen por gravedad y son arrastrados por el vapor del gas de proceso, mientras que el gas de calefacción asciende. El producto tiene una gran área superficial ya que el tiempo de permanencia del mineral es corto para lograr el contraflujo preferible.
El tiempo de permanencia en el reactor de la Figura 2 está determinado por el arrastre de los sólidos en el gas y las grandes cantidades de CO2 producido en el reactor es tal que el tiempo de permanencia no se puede aumentar fácilmente en este reactor. En la práctica, el corto tiempo de permanencia en este reactor es tal que la cantidad residual de CO2 en el producto calcinado está en el intervalo de 2-5%. Este producto no cumple con las especificaciones para su uso en la producción de magnesio.
En esta primera realización preferida, el reactor comprende tres segmentos de reactor, en los que los segmentos de temperatura baja e intermedia se basan en un procesamiento de contraflujo indirecto, y el reactor de "pulido" de alta temperatura es un reactor de mezcla directa convencional típico de los calcinadores ultrarrápidos convencionales. El uso de dos reactores indirectos a contracorriente es para aumentar el tiempo de permanencia de los sólidos, porque el CO2 se libera en dos procesos separados. El proceso de baja temperatura es la calcinación del hidróxido de magnesio y carbonato de magnesio, en magnesita o dolomita, que ocurre en el intervalo de menos de 750 °C, mientras que el proceso de temperatura intermedia es la calcinación del carbonato de calcio, que ocurre en el intervalo de 800 - 900 °C. Si el CO2 de la calcinación de magnesio no se elimina, la presión parcial de CO2 es lo suficientemente alta como para que la reacción del sitio de calcio no tenga lugar hasta que la temperatura de los sólidos calentados sea tal que la presión parcial de equilibrio exceda la presión de CO2 , concretamente alrededor de 900 °C. La liberación de CO2 entonces ocurre rápidamente y el proceso se vuelve difícil de controlar. Lo más importante, la combinación de las dos corrientes de gas CO2 es tal que el arrastre de los sólidos por el gas es tal que el tiempo de permanencia de los sólidos es bajo.
En esta realización, la planta para la producción de dolima para la producción de magnesio comprende una planta 100 de molienda y trituración que está adaptada para moler la materia prima en polvo, una torre 102 calcinadora y una planta 103 de procesamiento de CO2. La torre calcinadora es una estructura que comprende un segmento 110 de reactor precalentador en el que se precalienta el polvo y se calcina la brucita Mg(OH)2 hasta MgO; un calcinador 111 ultrarrápido de baja temperatura que usa calentamiento indirecto de un gas de calentamiento producido en el primer combustor 112 en el que el carbonato de magnesio, como el componente mineral magnesita MgCO3 y la dolomita MgCO3.CaCO3 , se calcina hasta óxido de magnesio MgO; un primer separador 113 del gas de los sólidos en el que el polvo parcialmente procesado se separa del CO2 y vapor; un calcinador 114 ultrarrápido de temperatura intermedia que utiliza calentamiento indirecto desde un segundo combustor 115 en el que se procesa el polvo de modo que cualquier carbonato residual del carbonato de magnesio se calcina y la calcinación del carbonato de calcio de la dolomita es sustancialmente completa; un segundo separador 116 del gas de los sólidos en el que el polvo sustancialmente calcinado se separa del CO2 ; un calcinador 117 ultrarrápido de alta temperatura que usa calentamiento directo desde un tercer combustor 118 en el que el grado de calcinación del polvo se reduce a la especificación requerida por el control de la temperatura y el tiempo de permanencia; y un enfriador 119 de sólidos en el que se enfría el producto para su almacenamiento y para la producción de briquetas.
La roca 200 de dolomita sin procesar se tritura y se muele en la planta 100 de trituración y molienda. En esta planta 100, se elimina la humedad (no mostrada en la Figura 1) mediante el uso de las corrientes 246 y 247 de gas de combustión de la torre 102 del calcinador. El escape 248 de la planta 100 se alimenta a un filtro (no mostrado) para eliminar los finos y se descarga en la chimenea o torre 102. La dolomita se muele en partículas preferiblemente de menos de 100 micras de diámetro, y más preferiblemente de menos de 50 micras de diámetro. La dolomita 201 molida, sustancialmente seca, se transporta a la torre 102 del calcinador, en la que se procesa para producir dolima.
En este proceso, la dolomita 201 se calienta en el segmento 110 del precalentador hasta una temperatura de aproximadamente 600 °C, lo que marca el inicio de la reacción de calcinación que elimina el CO2 del carbonato de magnesio, sitios de MgCO3 en el polvo del mineral. Durante el precalentamiento se libera vapor de cualquier exceso de humedad de la brucita, Mg(OH)2 en el polvo del mineral. El vapor se arrastra con el polvo en el precalentador 110. La corriente 202 comprende el mineral 202 parcialmente procesado (MgCO3)x .(CaCO3)y .(MgO)z y el vapor. Los detalles del segmento 110 del precalentador se describen a continuación. El compuesto intermedio calentado con la corriente 202 se inyecta en el segmento del calcinador 111 ultrarrápido. Este calcinador 111 ultrarrápido utiliza calentamiento indirecto para garantizar que el dióxido de carbono liberado durante la calcinación no se mezcle con los gases de calentamiento utilizados para proporcionar la energía de la reacción. Un calcinador ultrarrápido adecuado es del tipo descrito por Sceats, por ejemplo en la ilustración esquemática en la solicitud de patente PCT publicada No. WO2012/145802 de ejemplo de reactor calcinador ultrarrápido se ilustra en la Figura 2 de este documento. A medida que el polvo y el gas en 202 caen a través del reactor 111, se calientan en el intervalo de 650 - 750 °C por las corrientes 242 y 244 de gas de calentamiento, aplicadas externamente. A esta temperatura, ocurre la descarbonatación del magnesio para producir una corriente 203 de escape que comprende la semidolima intermedia en polvo procesada (MgO) x+z.(CaCO3)y y un gas de CO2 y vapor. La calcinación del magnesio está sustancialmente completa. La corriente 203 entra en el primer separador 113 de gases de los sólidos, en el que los sólidos 204 se separan y fluyen hacia el calcinador 114 ultrarrápido de temperatura intermedia. La corriente de gas se descarga en un tubo central (no mostrado en la Figura 1) que transporta el gas a un escape en la parte superior del reactor como una corriente 213 y se enfría en el precalentador 110. Esta corriente también contiene la corriente 211 de CO2 del calcinador 114 ultrarrápido de temperatura intermedia descrito a continuación. La corriente 214 de CO2 enfriada del precalentador 110 se alimenta en la planta 103 de procesamiento de CO2 en la que se elimina el agua, con una corriente de agua 211, comprimida o licuada para el secuestro como 215. La corriente 203 de semidolima parcialmente caliente se calcina sustancialmente por completo en el calcinador 114 ultrarrápido intermedio mediante una corriente 241 de gas de calentamiento, proporcionada externamente. El vapor 205 de proceso contiene el polvo calcinado y el CO2 , y esta corriente y éstos se separan en el segundo separador del gas de los sólidos para producir una corriente 206 de dolima sustancialmente calcinada y una corriente 210 de CO2. La corriente de CO2 se descarga en un tubo central y se descarga como una corriente 211. El polvo 206 es (MgO)x+z.(CaO)y-v.(CaCO3)v , con v«y, y se mide en el calcinador 117 ultrarrápido de alta temperatura que es calentado directamente por el gas 240 de calentamiento del tercer combustor 118. En este reactor 117, el exceso de carbonato se reduce de v a w para producir (MgO)x+z(CaO)y-w .(CaCO3)w , en el que w es suficientemente bajo para que el producto 207 cumpla las especificaciones. El CO2 v-w se mezcla con el gas de calentamiento como corriente 243 y se enfría en el precalentador para producir la corriente 244 que se usa para secar la dolomita molida. El diseño de este reactor 117 es un lecho fluidizado en el que la temperatura del producto y del gas de escape puede superar los 1200 °C. El tiempo de permanencia y la temperatura se controlan de manera que se obtenga el grado deseado de carbonato residual w. El flujo másico de gas 240 de calentamiento es relativamente pequeño en comparación con los de los otros combustores porque la energía requerida para calcinar el CaCO3 residual es pequeño. Esta corriente puede ser una corriente de deslizamiento de los otros combustores. El producto 207 calcinado caliente se enfría en el enfriador de sólidos, y este producto se proporciona a la planta de fabricación de briquetas. El briquetado debe realizarse en un gas inerte para evitar la recarbonatación del CO2 en la atmósfera.
Los combustores 112, 115, 118 usan corrientes 224, 225 y 226 de aire primario subestequiométrico frio para transportar los combustibles 230, 231 y 232 a los combustores, en los que se queman con corrientes de aire precalentado del precalentador 110 y segmentos enfriadores de sólidos (no mostrados). El precalentador calienta la corriente 227 de aire y el aire calentado se divide como 228 y 229 en el primer y segundo combustores. El enfriador de sólidos (no mostrada) proporciona calor a la corriente 220 de aire para la provisión de aire calentado en las corrientes 221 y 222 para los combustores tercero y segundo.
El diseño preferido del precalentador 110 y el enfriador de sólidos se basa en los siguientes principios. En primer lugar, los flujos que son predominantemente polvos están restringidos a tuberías verticales que tienen diámetros lo suficientemente anchos para evitar el bloqueo, es decir, alrededor de 100 mm o más y el flujo es hacia abajo. Hay una serie de tuberías de este tipo para gestionar los flujos, y los flujos son tales que los polvos son arrastrados por el gas en un flujo diluido. En su caso, se utiliza vapor para promover dichos flujos. En esta realización, en el precalentador, el flujo de sólidos es la alimentación 201 y en el enfriador de sólidos, el flujo de sólidos es el producto 207. En segundo lugar, las corrientes de gas que contienen cantidades menores de sólidos del flujo del proceso también se conducen a través de tuberías, y en esta realización dichos flujos son ascendentes y forzados por las corrientes de gas. En esta realización, en el precalentador, los flujos que contienen algunos polvos son las corrientes 243 y 213. Es preferible que estas corrientes lleven la menor cantidad posible de sólidos y, cuando sea práctico, puede haber ciclones, incluidos los ciclones en línea (no muestrados) que eliminan una gran proporción de
los sólidos y dirigen ese flujo nuevamente a las corrientes de sólidos. En tercer lugar, las corrientes de gas puro, tales como el aire o el gas de calefacción, se dirigen a través de los sistemas en un patrón de flujo cruzado a través de conductos horizontales con un ancho de conducto elegido para proporcionar una velocidad de gas lo suficientemente alta como para lograr una transferencia de calor eficiente hacia o desde las paredes de la tubería. Las corrientes de gas se mueven de un conducto horizontal a otro a través de ejes. En el enfriador de sólidos, la corriente de gas conducida es el aire 220, y en el precalentador los gases conducidos son el aire 227 y el gas 245 de calefacción. En cuarto lugar, los flujos de calor son tales que los gases de las corrientes conducidas se inyectan en los segmentos de manera que el flujo vertical es un contraflujo de los flujos de sólidos. De este modo, en el precalentador, la parte superior del precalentador 110 es más fría que la base, por lo que las corrientes frías, como las entradas o las salidas están en la parte superior y todas las corrientes calientes están en la base. Por lo tanto, 227 (entrada), 201 (entrada), 214 (salida) y 247 (salida) están en la parte superior y son más frías que las corrientes 228 respectivas (salida), 202 (salida), 213 (entrada) y 243 (entrada) en la base. En el enfriador de sólidos, las corrientes 207calientes (entrada), 221 (salida), 222 (salida) y 223 (salida) están en la parte superior, mientras que las corrientes 208 frías (salida) y 220 (entrada) están en la base. Usando estos principios, estos segmentos pueden tener una alta eficiencia térmica y son compactos.
El diseño preferido de los calcinadores 111 y 114 ultrarrápidos es tal que las corrientes de CO2 de los respectivos separadores de sólidos y gases se conducen de regreso a través de los reactores en un tubo central. Este aspecto es una realización preferida en la patente de Sceats y permite que los reactores sean compactos. Los flujos en ese tubo central están preferiblemente en un movimiento de vórtice inducido por la forma y orientación de las tuberías en el precalentador, y por las placas deflectoras de las corrientes 203 y 205 que ingresan a los separadores de sólidos y gases. Este movimiento desvía las partículas hacia la pared del tubo central y las partículas fluyen hacia abajo de las paredes en los separadores de sólidos y gases. En efecto, el tubo forma parte del diseño de los separadores de las partículas del gas. Las paredes del tubo central que se muestran en la Figura 2 se calientan por la radiación de las paredes del tubo del reactor y las corrientes del gas CO2 , y esto ayuda a la eficiencia de los procesos de calcinación en el espacio anular del reactor.
La secuencia de los tres reactores permite que el producto cumpla con las especificaciones deseadas del grado de calcinación del producto. La cantidad de CO2 que se captura en el primer reactor representa aproximadamente 50% de la entrada total de carbono, las cantidades de CO2 que se capturan en el segundo reactor asciende a aproximadamente 45%, y la cantidad de CO2 que se descarga en los gases de combustión es de aproximadamente 5%. En este caso, la eficiencia de captura del sistema es del 95%. El control del tiempo de permanencia y la temperatura en el tercer reactor es importante porque las partículas calcinadas se sinterizan rápidamente a altas temperaturas, y la consiguiente reducción del área superficial disminuye la reactividad de las partículas. En el caso de la producción de magnesio, por un lado el grado de sinterización reduce la velocidad de reacción con el ferrosilicio en la briqueta calentada y, por otro lado, cuanto más larga es la sinterización, mayor es el grado de calcinación y menos carbono se introduce en los reactores de magnesio. Un experto en la materia apreciaría que la calcinación de las rocas dolomitas es difícil de controlar debido a que la parte interna de las rocas se calcina más lentamente que las partes externas. Generalmente, cuando se muele hay una amplia distribución del grado de calcinación del producto. Para cumplir con las especificaciones de la dolima, una gran fracción de las partículas de las partes exteriores de la roca se han "sobrecocido" y están altamente sinterizadas y sin reaccionar. Esta sobrecocción conduce a tiempos de permanencia más prolongados, y eso genera una penalización energética. El amplio intervalo de reactividad de la dolima en el proceso de ferrosilicio también conduce a tiempos de procesamiento más prolongados e ineficiencias. Esta invención optimiza la eficiencia del proceso de producción, así como la captura del CO2.
Aún una realización adicional puede usar energía eléctrica para calentar un horno para proporcionar la energía para la calcinación. La energía para la calcinación se puede producir utilizando, por ejemplo, calentamiento resistivo. En esta realización, el cableado del horno está segmentado para proporcionar control de la transferencia de calor a los productos, de modo que el perfil de temperatura de los sólidos que pasan por el calcinador es uno en el que, preferiblemente, aumenta de forma monótona. De lo contrario, el proceso es como se describe en la primera realización.
Aunque se han descrito realizaciones particulares de esta invención, será evidente para los expertos en la técnica que la presente invención puede realizarse de otras formas específicas sin apartarse de las características esenciales de la misma. Por lo tanto, las presentes realizaciones y ejemplos deben considerarse en todos los aspectos como ilustrativos y no restrictivos, el alcance de la invención está indicado por las reivindicaciones adjuntas en lugar de la descripción anterior, y todos los cambios que entran dentro del significado de las reivindicaciones están destinadas a ser incluidas en el mismo. Se entenderá además que cualquier referencia en este documento al estado de la técnica conocido no constituye, a menos que aparezca una indicación en contrario, una admisión de que dicho estado de la técnica es comúnmente conocido por los expertos en la materia a la que se refiere la invención.
Claims (12)
1. Un proceso para producir un producto altamente calcinado y uniformemente calcinado a partir de una materia prima que incluye las etapas de:
a. Molienda de la materia prima hasta convertirla en polvo;
b. Precalentamiento del polvo;
c. Calcinación del polvo en una planta de reactor que comprende una serie de segmentos del reactor en los que se usa un calcinador ultrarrápido en cada una de la serie de segmentos del reactor para hacer reaccionar el polvo de forma incremental elevando la temperatura en cada segmento;
d. El último segmento es un reactor de alta temperatura que tiene un tiempo de permanencia y temperatura controlados que permite el acabado controlado del proceso de calcinación para lograr el grado deseado de calcinación y sinterización del producto; y
e. Enfriamiento del producto.
en el que la materia prima es
un carbonato, o un carbonato y minerales hidratados, tal que el dióxido de carbono liberado en los segmentos del reactor indirectamente calentados no se mezcla con los gases de combustión, para permitir la captura de carbono; o
un mineral de magnesita dolomítica de una composición, incluyendo compuestos hidratados, adecuados para la producción de magnesio metálico; o
un mineral de magnesita dolomítica de una composición, incluyendo compuestos hidratados, adecuados para la producción de materiales refractarios, teniendo el polvo un diámetro menor o igual a 100 micras
2. El proceso de la reivindicación 1, en el que el último segmento del reactor es un reactor de lecho fluidizado circulante, y preferiblemente el lecho fluidizado circulante se calienta directamente mediante un gas de calentamiento y el gas de escape se trata por separado del gas de escape de los segmentos del reactor calentados indirectamente en los segmentos anteriores del reactor.
3. El proceso de la reivindicación 1, en el que los segmentos del reactor son segmentos intermedios del reactor externamente calentado mediante una corriente de gas derivada de un proceso combustión.
4. El proceso de la reivindicación 1, en
el que los segmentos del reactor son accionados eléctricamente.
5. El proceso de la reivindicación 1, en 
el que los segmentos del reactor se calientan indirectamente.
6. El proceso de la reivindicación 1, en el que los segmentos del reactor se colocan en una configuración de torre que la reacción procede de arriba hacia abajo.
7. El proceso de la reivindicación 1, en el que un gas inerte, un gas reductor, o cualquier gas específico se utiliza para arrastrar los sólidos en los reactores sin mezclarse con los gases de combustión.
8. El proceso de la reivindicación 1, en 
el que el polvo tiene una diámetro menor o igual a 100 micras.
9. El proceso de la reivindicación 1, en el que el proceso de calcinación da como resultado la evolución de gases canalización hacia afuera de estos gases al final de cada segmento del reactor facilita el progreso de la reacción en segmentos posteriores.
10. El proceso de la reivindicación 1, en el que el carbonato es de minerales de magnesita, dolomita o caliza o mezclas de los mismos, o compuestos de carbonato sintético.
11. El proceso de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la materia prima tiene una composición adecuada para la producción de un sustrato catalizador poroso a través de la calcinación de volátiles que pueden incluir agua, dióxido de carbono, amoníaco y materiales orgánicos hidratados, en el que se desea controlar la distribución del tamaño de poros del producto mediante sinterización controlada.
12. Uso de un dispositivo adaptado para producir un producto altamente calcinado y uniformemente calcinado a partir de materia prima en polvo en el que:
el dispositivo comprende una cadena de segmentos del reactor que tiene un primer y último segmentos del reactor, en el que cada segmento del reactor forma un calcinador ultrarrápido y en el que cada segmento del reactor está adaptado para operar a una temperatura más alta que el segmento anterior del reactor; y
el último segmento del reactor está adaptado para incluir: un tiempo de permanencia predeterminado para el procesamiento de la materia prima; y una temperatura predeterminada que se adapta para permitir el acabado controlado del proceso de calcinación para lograr un grado deseado de calcinación y sinterización del producto;
en el que el uso del dispositivo comprende:
a. Precalentamiento del polvo;
b. Calcinación del polvo en una planta del reactor que comprende los segmentos del reactor utilizando el calcinador ultrarrápido en cada segmento progresivo del reactor para hacer reaccionar el polvo de forma incremental elevando la temperatura en cada segmento;
c. En el último segmento se encuentra un reactor de alta temperatura que tiene un tiempo de permanencia controlado y una temperatura que permite la terminación controlada del proceso de calcinación para lograr el grado deseado de calcinación y sinterización del producto; y
d. Enfriamiento del producto; y
la materia prima es
un carbonato, o un carbonato y minerales hidratados,
de modo que el dióxido de carbono liberado en los segmentos del reactor calentados indirectamente no se mezcle con gas de combustión, para permitir la captura de carbono; o
un mineral de magnesita dolomítica de una composición, que incluye compuestos hidratados, adecuado para la producción de magnesio metálico;
o
un mineral de magnesita dolomítica de una composición, que incluye compuestos hidratados, adecuado para la producción de materiales refractarios, teniendo el polvo un diámetro inferior o igual a 100 micras.
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