ES2940209T3 - Procedimiento y dispositivo para la reducción directa con gas reductor calentado eléctricamente - Google Patents
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Abstract
Proceso para la reducción directa de óxidos metálicos (2) utilizando un gas de reducción, que se basa en al menos un gas precursor, en el que al menos un gas precursor (15, 22) se basa en gas reformador obtenido por reformado catalítico de hidrocarburos que contienen gas (4) en un reformador (3), y en la preparación del gas de reducción se calienta por medio de energía eléctrica al menos un gas precursor a base de gas reformador. Un aparato para la reducción directa (1) de óxidos metálicos (2) por medio de un gas de reducción comprende un reformador catalítico (3) para producir un gas reformador, una línea de gas reformador (5) para eliminar el gas reformador del reformador catalítico (3), una unidad de reducción (9), una línea de gas de reducción (8) para introducir gas de reducción en la unidad de reducción (9), y al menos una línea de gas precursor (6), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y dispositivo para la reducción directa con gas reductor calentado eléctricamente
Campo de la técnica
La invención se refiere a un procedimiento para la reducción directa de óxidos metálicos mediante el uso de un gas reductor, que se basa en al menos un gas precursor, en donde al menos un gas precursor se basa en gas de reformador obtenido en un reformador, mediante reformado catalítico de gas que tiene hidrocarburos. Se refiere también a un dispositivo para la reducción directa de óxidos metálicos mediante un gas reductor, que comprende un reformador catalítico para la fabricación de un gas de reformador, una tubería de gas de reformador para la remoción de gas de reformador desde el reformador catalítico, una unidad reductora, y una tubería de gas reductor para la introducción de gas reductor en das unidad reductora.
Estado de la técnica
La fabricación de metales mediante reducción directa de óxidos metálicos por un gas reductor fabricado mediante reformado de gases que tienen hidrocarburos, es conocida - por ejemplo económicamente es muy importante el procedimiento MIDREX® para la reducción directa de óxidos de hierro. Al respecto, el gas reductor es introducido con el propósito de reducción directa en una cuba reductora llena con el óxido metálico y reacciona cuando atraviesa el relleno. La cinética de reacción para la reducción es conveniente a elevada temperatura del gas reductor - para alcanzar un rendimiento deseado de la instalación a una temperatura de introducción comparativamente baja del gas reductor, para una cuba reductora dada, deberían elevarse la cantidad específica de gas reductor y eventualmente la presión de la instalación, o tendría que usarse materias primas que puedan reducirse más fácilmente - por ejemplo pellas, que están asociados con costes significativamente más altos. A la máxima presión ajustable de la instalación y la máxima cantidad específica de gas reductor que puede introducirse se colocan sin embargo límites, puesto que de otro modo la pérdida de presión es muy elevada y conduce a un impedimento del flujo de material. Para el ajuste de una temperatura deseada de introducción, tiene que partirse del nivel de temperatura del gas que abandona el reformador. Sin embargo se colocan límites de temperatura del reformador a una elevación de este nivel de temperatura.
Para poder elevar el rendimiento de producción a pesar de tales condiciones de límite de cuba reductora y reformador, frecuentemente entre el reformador y cuba reductora se realizan medidas para la elevación de la temperatura de introducción. Por ejemplo se conoce, mediante incorporación de oxígeno en la corriente de gas, iniciar la combustión que eleva la temperatura de componentes reductores. Esto tiene sin embargo como desventaja que baja la fuerza de reducción del gas reductor introducido, y se eleva en suma el consumo específico de energía de la reducción directa. La elevación de la temperatura mediante combustión de gas natural adicional con oxígeno conduce incluso a una elevación simultánea de la cantidad de gas reductor, puede causar también problemas por el cambio de la composición de gas reductor, formación de hollín, corrientes inconvenientes de gas, y tiene que ser controlada exactamente. Los documentos US6478841B1 y CN207567268U divulgan en el Campo Técnico una parte del estado conocido de la técnica.
Sinopsis de la invención
Objetivo técnico
Deberían presentarse un procedimiento y un dispositivo, que permitiesen una elevación de la temperatura de introducción y elevación del desempeño de producción, sin las desventajas de los procedimientos conocidos.
Solución técnica
Este objetivo es logrado mediante un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1.
El gas reductor es un gas que es introducido en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos que van a ser reducidos - por ejemplo una cuba reductora o una unidad de lecho fluidizado - para reducir allí al menos parcialmente los óxidos metálicos.
Un gas reductor, que se basa al menos en un gas precursor, en donde al menos un gas precursor se basa en gas de reformador obtenido mediante reformado catalítico de gas que tiene hidrocarburos en un reformador y es calentado mediante energía eléctrica durante la preparación del gas reductor, es denominado por ejemplo gas A reductor. Para la reducción directa puede usarse sólo gas A reductor, o adicionalmente al gas A reductor puede usarse aún otro gas reductor o varios otros gases reductores - denominados también gases reductores adicionales - al respecto, las condiciones mencionadas para gas A reductor no tienen que ser válidas para los otros gases reductores.
Se denomina como reformado catalítico la reacción de materiales que contienen hidrocarburos, en particular gases, con H2O y CO2 en presencia de un catalizador en un reformador catalítico, para la fabricación de gas que tiene H2 y CO, el cual es nombrado en el marco de este documento como gas de reformador.
Por regla general, el gas de reformador sale del reformador con una temperatura de salida en el intervalo de 850 °C a 970 °C.
Preferiblemente, los óxidos metálicos comprenden óxidos de hierro, de modo particular se prefieren los óxidos de hierro. Los óxidos de hierro son por ejemplo menas de hematita o de magnetita, o aglomerados como por ejemplo pellas de mena de hierro.
Se reduce mediante el uso de un gas reductor, que se basa en al menos un gas precursor - durante la preparación del gas reductor se usa por consiguiente al menos un gas precursor. Al menos un gas precursor se basa en el gas de reformador; también varios gases precursores pueden basarse en el gas de reformador. Durante la preparación de este gas reductor se calienta al menos un gas precursor, mediante energía eléctrica. De acuerdo con la invención, mediante energía eléctrica se calienta al menos un gas precursor que se basa en gas de reformador.
Otro gas precursor puede ser por ejemplo
- una cantidad parcial no reformada de un gas que tiene hidrocarburos, previsto para el reformado,
- hidrógeno H2 ,
- monóxido de carbono CO,
- gases que tienen hidrocarburos, como por ejemplo a base de LPG, PAH, BTEX, CH4 , CmHn, gas natural, y/o una mezcla de estos gases,
- un gas de cabeza retirado de una unidad reductora en la cual se reducen los óxidos metálicos, o un gas retirado de la unidad reductora en la cual se reducen directamente los óxidos metálicos, durante la ejecución del procedimiento de acuerdo con la invención,
- gases inertes, como por ejemplo N2 , Ar,
o una mezcla de varios de estos gases citados a modo de ejemplo, o una mezcla de otros gases con uno o varios de estos gases citados a modo de ejemplo. Al menos otro gas precursor contiene componentes gaseosos con efecto reductor frente a óxidos metálicos, preferiblemente óxidos de hierro, o consiste en tales componentes gaseosos. Otro gas precursor puede contener sin embargo también componentes gaseosos inertes frente a los óxidos metálicos, o componentes gaseosos con efecto cementante o consistir en tales componentes gaseosos.
El gas de reformador es el producto obtenido durante el reformado catalítico de gas que tiene hidrocarburos - como por ejemplo gas natural, metano, gas natural licuado LNG, gas licuado de petróleo LPG, gas de horno de coque COG, biogás; puede ser un gas puro o una mezcla de gases - en un reformador. El gas precursor que se basa en el gas de reformador puede comprender al menos una cantidad parcial del gas de reformador, puede comprender también la totalidad del gas de reformador. El gas precursor que se basa en el gas de reformador puede consistir también en una cantidad parcial del gas de reformador o en la totalidad del gas de reformador. El gas precursor que se basa en el gas de reformador puede ser fabricado también mediante cambio del gas de reformador, por ejemplo mediante cambio de presión, temperatura, composición. La composición puede ser cambiada por ejemplo mediante suministro de otros gases - como por ejemplo gas natural, mediante separación de componentes gaseosos, mediante reacciones en el gas de reformador - tales reacciones pueden ser provocadas por ejemplo por cambio en la presión o temperatura o mediante el suministro de otros gases.
Efectos ventajosos de la invención
De acuerdo con la invención, durante la preparación del gas reductor se calienta mediante energía eléctrica al menos un gas precursor que se basa en gas de reformador.
Esto tiene como ventaja que para la elevación de temperatura no se incorpora oxígeno o productos de combustión, y con ello se evitan los problemas asociados con la oxidación de componentes gaseosos reductores o con el cambio de la composición del gas. En comparación con procedimientos que se basan en oxígeno para la elevación de temperatura, puede aumentarse claramente el desempeño de una unidad de reducción directa, puesto que para la elevación de la temperatura no se usan componentes gaseosos reductores. Cuanto más baja sea la temperatura del gas precursor, tanto más pronunciada es al respecto la ventaja de un calentamiento eléctrico: para una diferencia mayor respecto a una temperatura final pretendida, tiene que quemarse más gas a temperatura más baja de gas precursor, para elevar de modo correspondiente la temperatura mediante la combustión - por consiguiente se oxidarían más componentes reductores del gas en el gas precursor, lo cual disminuye el potencial de reducción para óxidos metálicos.
También se eleva la seguridad, porque no pueden formarse mezclas explosivas con oxígeno. El calentamiento eléctrico puede conducir también a que las reacciones químicas transcurran de modo más rápido y se ajusten nuevos equilibrios en el gas. De acuerdo con la invención se forman plasma o radicales, que son reactivos de modo particular;
al respecto, dado el caso cambio también la composición de un gas soporte de plasma, mediante reacciones químicas y/o disociación de moléculas.
De modo opcional, también puede calentarse mediante energía eléctrica adicionalmente otro gas precursor o varios otros gases precursores.
Preferiblemente, mediante la energía eléctrica se calienta el gas precursor que se basa en gas de reformador, a una temperatura que está en una escala de hasta 200 °C, preferiblemente hasta 100 °C, de modo particular preferiblemente hasta 70 °C, por encima de su temperatura de salida del reformador. Por ejemplo se calienta gas precursor que se basa en gas de reformador, el cual sale del reformador con una temperatura de salida de 900 °C, mediante la energía eléctrica a 970 °C.
Cuanto mayor es la elevación de temperatura causada por calentamiento mediante energía eléctrica, tanto menos económico es este calentamiento, en comparación con una elevación de temperatura excesiva en el reformador; por ello, se prevé un límite superior de 200 °C, preferiblemente hasta 100 °C, de modo particular preferiblemente hasta 70 °C, de elevación de temperatura para el calentamiento.
Preferiblemente, al respecto se calienta el un otro gas precursor o los varios otros gases precursores, que son calentados mediante energía eléctrica, a una temperatura que está en una escala de hasta 200 °C por encima de la temperatura de salida de gas de reformador del reformador.
Desde la salida del reformador hasta la introducción en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos que van a ser reducidos, puede perderse calor hacia el ambiente. El suministro de otros gases - por ejemplo gas de adición u otro gas precursor - con temperatura más baja respecto al gas de reformador, que ocurre dado el caso para la fabricación del gas reductor, conduce a más baja temperatura del gas reductor. Mediante el calentamiento con energía eléctrica puede compensarse al menos parcialmente una pérdida de calor hacia el ambiente, o disminución de la temperatura como consecuencia del suministro, y al gas reductor se le da la temperatura deseada para la entrada en la unidad reductora que tiene óxidos metálicos que van a ser reducidos.
Con ello, durante la introducción el gas reductor no es al menos esencialmente más frío que la temperatura de salida del reformador, preferiblemente la elevación de temperatura es alrededor de al menos 10 °C, de modo particular preferiblemente al menos 20 °C, de modo muy particular preferiblemente al menos 30 °C, y con extrema preferencia al menos 50 °C por encima de la temperatura de salida.
Preferiblemente el uno otro gas precursor o los varios otros gases precursores que son calentados mediante energía eléctrica, es/son al respecto calentados a una temperatura que está en una escala de al menos 10 °C, de modo particular preferiblemente al menos 20 °C, de modo muy particular preferiblemente al menos 30 °C, y con extrema preferencia al menos 50 °C por encima de la temperatura de salida.
Durante el calentamiento eléctrico de gas precursor que se basa en el gas de reformador, después del reformado, o el calentamiento eléctrico de otro gas precursor, puede optimizarse la operación del reformador sin que con ello la temperatura más baja del gas de reformador, dado el caso asociada, tenga repercusión negativa en la productividad de la reducción directa. Para una productividad mejorada de la reducción directa, después del reformado pueden realizarse cambios convenientes de la temperatura y también de la composición del gas reductor. Por consiguiente, el reformador por ejemplo no tiene que ser operado más allá de temperaturas óptimas para su función y tiempos de servicio convenientes, para asegurar una temperatura o composición deseada del gas reductor. En lugar de ello, el reformador puede ser operado de manera indulgente, lo cual prolonga su vida útil, en especial de los tubos del reformador, debido al menor arrastre en dirección longitudinal y diametral de los tubos del reformador, o la vida útil del catalizador en el reformador. Esto eleva la rentabilidad del procedimiento para la reducción directa. Una disminución en el nivel de temperatura del reformador conduce también a menor temperatura del gas de escape del reformador y menor demanda de combustible; la menor pérdida de energía del procedimiento asociada con ello eleva la rentabilidad.
La forma de operar indulgente de un reformador catalítico a nivel reducido de temperatura puede conducir a una composición del gas de reformador que no promueve una reducción directa optima; en especial respecto al deslizamiento de CH4 y contenido de CO2 en el gas de reformador.
Mediante calentamiento con energía eléctrica puede compensarse por ejemplo el menor rendimiento durante la reducción - debido al deslizamiento de CH4 y contenido más elevado de CH4 en el gas reductor asociado con ello. El calentamiento eléctrico para un gas de reformador tiene como ventaja que el potencial de reducción aún no se disminuye por la reacción de componentes gaseosos reductores, de cara al calentamiento.
Así mismo, mediante el calentamiento eléctrico puede compensarse parcialmente la degradación o desactivación del catalizador en el reformador causadas por el envejecimiento, y mediante ello postergarse la necesidad de intercambio laborioso y costoso del material de catalizador. Además, mediante el calentamiento eléctrico puede calentarse a temperaturas que no serían alcanzables durante el calentamiento en el reformador.
También es ventajoso que mediante el desacoplamiento de la temperatura del gas reductor, de la temperatura del gas de reformador - e indirectamente mediante ello dado el caso también desacoplamiento de la composición del gas reductor de la composición del gas de reformador - de manera rápida y simple puede ajustarse la mejor temperatura para los óxidos metálicos que están presentes en cada caso y la cantidad efectiva de recubrimiento. El intervalo de ajuste del calentamiento eléctrico es mayor y la regulación es más rápida, en comparación a una influencia en el reformador. La operación del reformado y la operación de la reducción directa pueden ser optimizadas de este modo independientemente una de otra, lo cual hace en suma al procedimiento más económico. En comparación con el calentamiento mediante combustión con oxidación parcial, el calentamiento eléctrico es regulable de modo más rápido y más exacto, puesto que no tienen que considerarse reacciones de combustión. En comparación con el calentamiento indirecto mediante intercambiadores de calor, el calentamiento eléctrico es regulable de modo más rápido y más exacto.
En especial durante la operación inicial de una instalación de reducción directa para la ejecución del procedimiento de acuerdo con la invención, el calentamiento eléctrico de acuerdo con la invención es conveniente. Abre la posibilidad de promover la reforma in-situ antes y/o después del contacto con los óxidos metálicos en un gas reductor, que sólo es o también se basa en un gas de reformador, en el cual se reforman aun pocos componentes - porque durante la operación inicial el reformador aún no trabaja en toda extensión - mediante elevación rápida regulable de la temperatura.
De acuerdo con una variante, se introduce al menos una cantidad parcial de la energía eléctrica directamente en el gas precursor que va a ser calentado mediante energía eléctrica, por ejemplo mediante calentamiento con resistencia con elemento de calentamiento, arcos eléctricos entre electrodos. La incorporación directa tiene como ventaja que el grado de efecto es muy elevado. Esto tiene como ventaja también que durante la introducción, la energía no es añadida materialmente. La influencia en la composición material del gas reductor puede persistir, puesto que la entrada de energía influye en la cinética de reacciones químicas de componentes presentes en el gas precursor, o por ejemplo en la superficie de los electrodos transcurren reacciones de componentes presentes en el gas precursor.
Según la invención, de acuerdo con la reivindicación 1 se introduce en el gas precursor al menos una cantidad parcial de la energía eléctrica mediante plasma. Al respecto, puede influirse en la composición material del gas reductor, mediante la composición correspondiente del medio de soporte. El medio de soporte puede ser gaseoso y/o líquido -por ejemplo petróleo - y/o sólido. El medio de soporte está preferiblemente libre de oxígeno molecular. Cuando se trata de un plasma, que es operado con un gas de soporte, se prefiere una variante en la que al menos una parte del gas de soporte es un miembro del siguiente grupo de componentes:
- un gas de reformador obtenido en un reformador mediante reformado catalítico de gas que tiene hidrocarburos, - una cantidad parcial no reformada de un gas que tiene hidrocarburos, previsto para el reformado,
- hidrógeno H2 ,
- monóxido de carbono CO,
- gases que tienen hidrocarburos, como por ejemplo a base de LPG, PAH, BTEX, CH4 , CmHn, gas natural, y/o una mezcla de estos gases,
- un gas de cabeza retirado de una unidad reductora en la cual se reducen los óxidos metálicos, o un gas retirado de la unidad reductora en la cual se reducen directamente los óxidos metálicos, durante la ejecución del procedimiento de acuerdo con la invención,
- gases inertes, como por ejemplo N2 , Ar.
El gas de soporte es disociado al menos parcialmente por las elevadas temperaturas en el quemador de plasma y normalmente es recombinado parcialmente de nuevo durante la mezcla con el gas precursor. Mediante la elección adecuada del gas de soporte pueden surgir adicionalmente componentes gaseosos reductores como CO o H2. Algunos componentes del plasma - como por ejemplo hidrógeno H atómico - reaccionan también muy rápidamente con óxido metálico, preferiblemente óxido de hierro. De modo particular se prefieren los gases de soporte que después de la mezcla generan compuestos reductores adicionales después de la recombinación o en el estado de plasma reaccionan muy rápidamente con el óxido metálico, preferiblemente óxido de hierro.
Básicamente, un gas de soporte puede ser un gas de proceso - incluyendo gas natural - o un gas de escape de un procedimiento para la reducción directa o del procedimiento de acuerdo con la invención para la reducción directa -por ejemplo gas de cabeza de la unidad reductora, por consiguiente por ejemplo de una cuba reductora o de una unidad de lecho fluidizado, o puede ser un gas de una fuente externa - por ejemplo un gas de horno de coque COG, biogás, LNG, gas a base de LPG, en donde estos gases pueden ser usados fríos, precalentados, purificados o no purificados. Entran en consideración gases que tienen H2 y/o CO y/o CO2 y/o H2O y/o CH4 y/u otros gases que tienen hidrocarburos, gases fríos o precalentados, gases purificados o no ramificada.
Mediante la elección del medio de soporte puede ejercerse influencia en la composición del gas reductor, puesto que el medio de soporte en sí mismo puede entregar también componentes al gas reductor. Por ejemplo, un gas de cabeza purificado sólo o en mezcla con otros medios de soporte, por ejemplo gas de horno de coque COG, puede ser usado como medio de soporte. Por regla general las temperaturas en un plasma son muy elevadas. Cuando son parte del medio de soporte compuestos cuya descomposición térmica es deseada, se aprovecha por un lado el uso de su
descomposición térmica. Por otro lado, pueden usarse productos de descomposición, como componentes gaseosos reductores, o como precursores de componentes gaseosos reductores, del gas reductor. También es particularmente ventajoso no suministrar al reformador compuestos que se reforman difícilmente en un reformador, sino usar como componente el medio de soporte para suministrar un uso a productos de descomposición como componentes gaseosos reductores o como precursores para componentes gaseosos reductores del gas reductor. Puede ser por ejemplo que el gas natural comprenda hidrocarburos superiores, que tienen que ser separados antes del reformado en un reformador. Tales componentes separados pueden ser usados como medios de soporte o parte de ellas.
Preferiblemente se usan como gas de soporte, gases o mezclas gaseosas cuyo uso previene la formación de hollín. Para ello se controla de modo correspondiente la relación de componentes que tienen carbono o hidrocarburos a componentes oxidantes del gas, como por ejemplo CO2, H2O, así como la potencia eléctrica y el tamaño de las corrientes de medio de soporte o de gas.
De la elevada demanda de energía eléctrica para la operación de quemadores de plasma, se esperaría que el uso de quemadores de plasma no sea sostenible económicamente en el calentamiento eléctrico del gas precursor. Se muestra ahora de manera inesperada que se alcanzan resultados económicamente convenientes, también durante el calentamiento eléctrico mediante plasma en la conducción del procedimiento de la reducción directa, en el intervalo elevado de temperatura.
De acuerdo con una variante, se calienta ya de otra manera gas precursor previsto para el calentamiento eléctrico, antes del calentamiento mediante energía eléctrica, preferiblemente a al menos 700 °C, de modo particular preferiblemente a al menos 750 °C. En el caso de gas de reformador como gas precursor, el calentamiento eléctrico está dispuesto por consiguiente en dirección del flujo del gas de reformador, después del reformador y después de otro método de calentamiento - no eléctrico -, para evadir por ejemplo el límite de temperatura de este otro procedimiento de calentamiento o elevar la vida útil/economía de este otro procedimiento de calentamiento.
De acuerdo con una variante, se calienta mediante energía eléctrica gas precursor previsto para el calentamiento eléctrico, a más de 800 °C, preferiblemente más de 900 °C. Con los óxidos de hierro las reacciones de reducción transcurren a tales temperaturas del gas reductor con eficiencia económica satisfactoria. Además, mediante ello pueden usarse de modo económico también óxidos de hierro convenientes en coste, con bajo comportamiento reductor/baja aptitud para la reducción, porque la elevación del desempeño mediante elevación de la temperatura para sustancias poco reducibles, es incluso claramente más elevada.
El gas reductor es introducido en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos se van a ser reducidos - o en los óxidos metálicos en la unidad reductora. En el caso de una cuba reductora por consiguiente por ejemplo en un lecho de material que contiene los óxidos metálicos en la cuba reductora, y en el caso de una unidad de lecho fluidizado en un lecho fluidizado que contiene los óxidos metálicos en la unidad de lecho fluidizado.
De acuerdo con una variante, la temperatura del gas reductor durante la introducción en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos que van a ser reducidos, es de al menos más de 800 °C, preferiblemente al menos más de 900°C, de modo particular preferiblemente al menos 940 °C, y hasta 1100 °C, preferiblemente hasta 1050 °C, de modo particular preferiblemente hasta 1000 °C. En los óxidos de hierro las reacciones de reducción transcurren en un intervalo de temperatura entonces con eficiencia económicamente satisfactoria. Básicamente, la temperatura en la unidad reductora - por consiguiente por ejemplo una cuba reductora o una unidad de lecho fluidizado - para la reducción directa debería ser tan alta como fuese posible, sin embargo el intervalo utilizable es limitado hacia arriba por el comportamiento de aglomeración - adhesión, agrupamiento - de los óxidos metálicos, por ejemplo óxidos de hierro. Además, la temperatura elevada para composición correspondiente del gas reductor contribuye a que en la unidad reductora se reformen in-situ componentes gaseosos. Esto provoca una elevación de la cantidad de gas reductor asociada con una elevación de los agentes reductores y con ello un desempeño elevado de la unidad y/o un alivio del reformador catalítico y/o una reducción más elevada de los óxidos metálicos.
Al menos un gas precursor se basa en el gas de reformador, es decir, aparte del gas de reformador puede comprender también otros componentes. De acuerdo con una variante del procedimiento de acuerdo con la invención, aparte de gas de reformador, este gas precursor puede comprender también gases de planta metalúrgica - como por ejemplo gas de horno de coque, gas exportado de COREX / FINEX - y/u otros gases que contienen monóxido de carbono Co y/o que contienen hidrógeno H2 y/o que contienen hidrocarburos, que tienen en general CmHn, como por ejemplo hidrocarburos alifáticos como metano, a base de gas licuado de petróleo (LPG) y/o hidrocarburos aromáticos como benceno, tolueno, hidrocarburos policíclicos. Éstos juegan así mismo adicionalmente entonces un papel para el gas de reformador durante la preparación del gas reductor y pueden contribuir para la elevación de su potencial de reducción. Por ejemplo pueden reformarse in situ en la unidad reductora - por consiguiente por ejemplo una cuba reductora o una unidad de lecho fluidizado - y mediante ello ser usados para la reducción.
De acuerdo con una variante, a un gas precursor que es calentado mediante energía eléctrica - por ejemplo el gas precursor que se basa en el gas de reformador -, se añade gas adicional que tiene hidrocarburos, que tiene en general CmHn - como por ejemplo hidrocarburos alifáticos como metano, gas a base de gas licuado de petróleo (LPG) y/o hidrocarburos aromáticos como benceno, tolueno, hidrocarburos policíclicos -, antes y/o durante y/o después de ser
calentado mediante energía eléctrica. Entonces este gas adicional juega así mismo un papel en la preparación del gas reductor y puede aportar a la elevación de su potencial reductor. Además, puede ajustarse el contenido de carbono en el producto de la reducción directa - en óxidos de hierro por ejemplo DRI direct reducediron - mediante la elevación del contenido de hidrocarburos en el gas reductor.
El gas reductor es introducido en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos que van a ser reducidos -en el caso de una cuba reductora por consiguiente por ejemplo en un lecho de material en la cuba reductora que contiene los óxidos metálicos, y en el caso de una unidad de lecho fluidizado en un lecho fluidizado en la unidad de lecho fluidizado que contiene los óxidos metálicos.
De acuerdo con una variante preferida, al menos una cantidad parcial del gas adicional que contiene hidrocarburos es reformada in-situ, antes de introducir el gas reductor en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos. Mediante ello surgen componentes gaseosos reductores adicionales. El reformado in situ ocurre por consiguiente por ejemplo, antes de ser introducido en un lecho de material en una cuba reductora que contiene los óxidos metálicos, o antes de ser introducido en un lecho fluidizado en una unidad de lecho fluidizado que contiene los óxidos metálicos.
El modo de operar indulgente de un reformador catalítico a temperatura reducida y/o la operación del reformador con catalizador degradado/desactivado puede conducir a una composición del gas de reformador que no da soporte a una reducción óptima directa; en especial respecto al deslizamiento de CH4 y contenido de CO2 en el gas de reformador. De modo particular es ventajoso entonces cuando mediante desacoplamiento - promovido por ejemplo por adición de, dado el caso, gas adicional reformado in situ - de la composición del gas reductor de la composición del gas de reformador, puede ajustarse la composición conveniente del gas reductor para los respectivos óxidos metálicos presentes. El intervalo regular es mayor y la regulación es más rápida, en comparación con una influencia por el modo de operación del reformado, o en comparación con una influencia por el cambio del gas que va a ser reformado. La operación del reformado y la operación de la reducción directa pueden ser optimizadas entonces independientemente una de otra, lo cual hace en suma más económico el procedimiento.
La reacción endotérmica in-situ de gas que tiene hidrocarburos, con H2O y CO2 puede transcurrir de manera natural en la unidad reductora - por consiguiente por ejemplo una cuba reductora o una unidad de lecho fluidizado. Puede tener lugar antes de la entrada en la unidad reductora, cuando en el gas están presentes H2O/CO2 ; puede tener lugar en la unidad reductora cuando surgen H2O/CO2 como producto de reacción durante la reducción. La reacción transcurre reforzada en presencia de un lecho de hierro metalizado.
De acuerdo con una variante preferida, se reforma in situ al menos una cantidad parcial de un gas precursor que tiene hidrocarburos, antes de introducir el gas reductor en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos. Mediante ello surgen componentes gaseosos reductores adicionales. El reformado in situ ocurre por consiguiente por ejemplo, antes de introducir el gas reductor en un lecho de material que contiene los óxidos metálicos en una cuba reductora, o antes de introducir el gas reductor en un lecho fluidizado que contiene los óxidos metálicos, en una unidad de lecho fluidizado.
Durante la preparación del gas reductor se calienta mediante energía eléctrica un gas precursor que se basa en el gas de reformador.
Durante la preparación del gas reductor pueden calentarse mediante energía eléctrica varios gases precursores que se basan en el gas de reformador.
Durante la preparación del gas reductor puede calentarse también mediante energía eléctrica un gas precursor que se basa en el gas de reformador, y pueden calentarse mediante energía eléctrica uno o varios otros gases precursores que se basan en el gas de reformador.
Durante la preparación del gas reductor pueden calentarse mediante energía eléctrica también uno o varios gases precursores que se basan en el gas de reformador, y adicionalmente también uno o varios otros gases precursores, que no se basan en el gas de reformador.
De acuerdo con una variante del procedimiento de acuerdo con la invención, se regula el flujo volumétrico de al menos uno de los gases precursores.
De acuerdo con una variante del procedimiento de acuerdo con la invención, para la reducción directa de óxidos metálicos se usa al menos un gas reductor. El gas reductor adicional es un gas que, adicionalmente al gas reductor, es introducido en una unidad reductora que contiene los óxidos metálicos que van a ser reducidos - por ejemplo una cuba reductora o una unidad de lecho fluidizado, para reducir allí al menos parcialmente los óxidos metálicos. El gas reductor adicional puede ser por ejemplo un gas precursor; por ejemplo un gas precursor que no fue calentado mediante energía eléctrica.
El gas reductor adicional es introducido en la unidad reductora en otro sitio diferente al gas reductor.
El material de óxidos metálicos que va a ser reducido atraviesa la unidad reductora de una abertura de entrada a una abertura de retiro.
De acuerdo con una forma de realización, se introduce gas reductor adicional en dirección del flujo del material desde la abertura de entrada hasta la abertura de retiro, antes del gas reductor. Con ello puede alcanzarse el uso del gas reductor adicional para la reducción de los óxidos metálicos, antes de que el gas reductor se encuentre - visto en dirección del flujo de material - con el material.
De acuerdo con otra forma de realización, el gas reductor adicional es introducido en dirección del flujo de material desde la abertura de entrada hasta la abertura de retiro, después del gas reductor.
Debido a la elevación de temperatura ocurrida mediante calentamiento eléctrico, el gas reductor es adecuado para ser introducido con una temperatura mayor. Esto es conveniente de modo particular entonces cuando, aparte de la reducción directa, tiene lugar también carburización del material en la unidad reductora. La carburización - inclusión de carbono en forma elemental, unido como cementita (Fe3C) o en forma de carbono disuelto puede conducir - dado el caso - por ejemplo durante la carburización con metano CH4 - debido a la reacción endotérmica, a disminución de temperatura, lo cual finalmente significa producto más frío durante el retiro desde la unidad reductora. Para procesamiento adicional de producto, sin embargo frecuentemente se desea una temperatura tan elevada como sea posible del producto, para el mejoramiento de la aptitud para el proceso mediante compactación por el calor, y del balance de energía. El calentamiento eléctrico permite compensar la disminución de temperatura mediante carburización, en lo cual se introduce gas reductor con temperatura correspondientemente más elevada - a pesar de la carburización el producto final puede ser retirado entonces con la temperatura deseada. Durante el procedimiento para el calentamiento del gas reductor, el cual se basa en la oxidación con oxígeno y asociada con ello con la disminución de la fuerza reductora del gas reductor, un calentamiento elevado correspondiente significó una pérdida elevada económicamente inaceptable de la fuerza reductora - y con ello más elevado consumo de gas reductor.
Otro objetivo del presente documento es un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10.
Puede estar presente una tubería de gas precursor o varias tuberías de gas precursor. Las tuberías de gas precursor sirven para suministrar gas precursor a la tubería de gas reductor.
Las tuberías de gas precursor desembocan en la tubería de gas reductor. Al menos una tubería de gas precursor parte de la tubería de gas de reformador.
Al menos una de las tuberías de gas precursor que parte de la tubería de gas de reformador comprende un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas, en donde "un" en "un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas" no es un valor numérico sino un artículo indeterminado - las tuberías de gas precursor pueden comprender en cada caso un único o varios dispositivos de calentamiento eléctrico del gas.
De modo opcional, adicionalmente también una o varias otras tuberías de gas precursor - que no parten de la tubería de gas de reformador - pueden comprender un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas, en donde "un" en "un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas" no es un valor numérico sino un artículo indeterminado - las tuberías de gas precursor pueden comprender en cada caso un único o varios dispositivos de calentamiento eléctrico del gas.
La unidad reductora es por ejemplo una cuba reductora o una unidad de lecho fluidizado. En una cuba reductora se encuentra un lecho de material sólido que comprende los óxidos metálicos; en una unidad de lecho fluidizado se encuentra un lecho fluidizado que contiene los óxidos metálicos.
En el reformador catalítico se obtiene gas de reformador, mediante reformado catalítico de gas que tiene hidrocarburos. Éste es retirado del reformador catalítico mediante la tubería de gas de reformador e introducido en al menos una tubería de gas precursor.
En dispositivos eléctricos para el calentamiento de gases se calienta el gas precursor, mediante energía eléctrica.
El gas reductor se basa en gas precursor. Cada tubería de gas precursor desemboca en la tubería de gas reductor, mediante la cual se introduce el gas reductor en la unidad reductora - el gas reductor se basa por consiguiente en todos los gases precursores, que son introducidos mediante las correspondientes tuberías de gas precursor en la tubería de gas reductor. En la unidad reductora se reducen directamente los óxidos metálicos por medio del gas reductor.
Puede estar presente por ejemplo una única tubería de gas precursor; esta parte de la tubería de gas de reformador, desemboca en la tubería de gas reductor, y comprende al menos un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas.
También puede estar presente una tubería de gas precursor, que parte de la tubería de gas de reformador, comprende un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas, y desemboca en la tubería de gas reductor, así como una segunda tubería de gas precursor, que dado el caso comprende también un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas y en
la cual desemboca la tubería de gas reductor. Al respecto, la segunda tubería de gas precursor puede partir por ejemplo de la tubería de gas de reformador, o de una tubería de alimentación del reformador, a través de la cual se suministra el gas que va a ser reformado, al reformador.
De acuerdo con una variante, al menos una tubería de gas adicional desemboca en al menos una tubería de gas precursor - cuando en la tubería de gas precursor está incluido un dispositivo de calentamiento eléctrico del gas, por ejemplo antes o después del dispositivo de calentamiento eléctrico del gas, o en el dispositivo de calentamiento eléctrico del gas. Las tuberías de gas adicional sirven para el suministro de gas adicional al gas precursor.
De acuerdo con una variante, la tubería de gas precursor que comprende un dispositivo de calentamiento eléctrico comprende en dirección del flujo del gas precursor, visto desde el dispositivo de calentamiento eléctrico, un dispositivo de calentamiento no eléctrico.
De acuerdo con una variante, el dispositivo para la reducción directa comprende al menos una tubería para la reducción de gas adicional, para la introducción de gas reductor adicional en la unidad reductora.
De acuerdo con una variante, al menos una tubería para la reducción de gas adicional sale de una tubería de gas precursor. Preferiblemente, el dispositivo para la reducción directa de óxidos metálicos mediante un gas reductor comprende al menos un dispositivo para la regulación del flujo volumétrico de al menos un gas precursor.
Otro objetivo del presente documento es una unidad para el procesamiento de señal con un código de programa legible por ordenador, caracterizado porque tiene comandos de control para la realización de un procedimiento de acuerdo con la invención. Otro objetivo del presente documento es un código de programa legible por ordenador para una unidad de procesamiento de señal, caracterizado porque el código de programa exhibe comandos de control que inducen a la unidad de procesamiento de señal para la ejecución de un procedimiento de acuerdo con la invención.
Otro objetivo del presente documento es un medio de almacenamiento con un código de programa legible por ordenador de acuerdo con la invención almacenado en él.
El dispositivo de calentamiento eléctrico del gas puede calentar, por ejemplo, mediante calentamiento por resistencia por elemento de calentamiento, o por arco eléctrico entre electrodos.
De acuerdo con la invención, el dispositivo de calentamiento eléctrico del gas comprende al menos dos quemadores de plasma, de modo muy particular preferiblemente comprende al menos tres quemadores de plasma. Al menos dos quemadores de plasma son operables independientemente uno de otro. Los quemadores de plasma tienen por regla general durante la operación continua vida útil relativamente pequeña - las elevadas temperaturas del arco eléctrico y los arcos eléctricos de por sí exigen fuertemente de modo particular al ánodo y al cátodo del quemador de plasma, de manera que frecuentemente tienen que recibir mantenimiento o ser intercambiados. De modo correspondiente, se esperaría que durante la conducción del procedimiento con un quemador de plasma no fuese posible una operación económica, puesto que el intercambio o mantenimiento del quemador de plasma interrumpiría el procedimiento de reducción directa. Cuando están presentes varios quemadores de plasma, puede ocurrir el mantenimiento o intercambio de un quemador de plasma, mientras se operan otros quemadores de plasma, de modo que el procedimiento de reducción directa no tiene que ser interrumpido o no son necesarios cambios en la operación, como por ejemplo disminución del desempeño del procedimiento de reducción directa.
El dispositivo de calentamiento eléctrico del gas puede comprender una cámara de calentamiento con varios quemadores de plasma, o varias cámaras de calentamiento con en cada caso uno o varios quemadores de plasma.
Preferiblemente, el dispositivo de calentamiento eléctrico del gas comprende al menos una cámara de calentamiento con un quemador de plasma, con al menos una abertura de retiro para la remoción de gas caliente, y con al menos una abertura de introducción para la introducción de gas precursor, y con al menos una pared longitudinal de cámara de calentamiento en extensión longitudinal, vista desde la abertura de introducción hacia la abertura de retiro, en donde el quemador de plasma está dispuesto en el centro de la cámara de calentamiento, y en donde la abertura de introducción está dispuesta entre el quemador de plasma y la pared longitudinal de la cámara de calentamiento. Mediante este arreglo se disminuye la elevada transferencia de calor - por ejemplo irradiación de calor y/o conducción del gas de plasma - en la pared longitudinal de cámara de calentamiento, porque el gas precursor exhibe una menor temperatura que el gas que sale del quemador de plasma. Una transferencia de calor muy elevada en la pared longitudinal de cámara de calentamiento puede conducir a un elevado desgaste o deterioro de las paredes, y con ello de la cámara de calentamiento. En una variante preferida se prevén varias aberturas de introducción, en donde por ejemplo entre todas las paredes longitudinales de la cámara de calentamiento y el quemador de plasma, están dispuestas aberturas de introducción.
Básicamente, puede preverse también el suministro de aberturas de entrada para medios de refrigeración - como por ejemplo dado el caso boquillas revestidas con refractario y tuberías, entre los quemadores de plasma y las paredes longitudinales de la cámara de calentamiento, para impedir un contacto directo del plasma con las paredes. Tales medios de refrigeración llegan finalmente con el gas precursor calentado, al gas reductor.
Preferiblemente el dispositivo de calentamiento eléctrico del gas comprende al menos una cámara de calentamiento con un quemador de plasma, con al menos una abertura de retiro para la remoción de gas caliente, y con al menos una abertura de introducción para la introducción de gas precursor, y con al menos una pared longitudinal de cámara de calentamiento en extensión longitudinal, vista desde la abertura de introducción hacia la abertura de retiro, en donde la abertura de introducción está dispuesta de modo que y la cámara de calentamiento está formada de manera que, una corriente introducida del gas precursor fluye en forma espiral alrededor del quemador de plasma, entre el quemador de plasma y la pared longitudinal de la cámara de calentamiento, desde la abertura de introducción hasta la abertura de retiro. La forma de la introducción puede para ello ser por ejemplo curvada, por ejemplo como parte de una elipse o sobre la base de una estría. También mediante este arreglo se disminuye la elevada transferencia de calor - por ejemplo irradiación de calor y/o conducción del gas de plasma - a la pared de la cámara de calentamiento, porque el gas precursor exhibe una temperatura más baja que el gas que sale del quemador de plasma. La transferencia muy elevada de calor en la pared de la cámara de calentamiento puede conducir a un elevado desgaste o deterioro de las paredes, y con ello de la cámara de calentamiento. El torbellino en forma de espiral de la corriente introducida es más frío que el plasma o que el gas calentado por el plasma. El calentamiento del gas no es homogéneo, puesto que en primera línea se calientan las moléculas de gas que se encuentran en la cercanía del plasma, mientras las moléculas de gas que se encuentran alejadas del plasma - por consiguiente por ejemplo en cercanía de la pared longitudinal de cámara de calentamiento, son calentadas menos fuertemente. Con el movimiento progresivo hacia la abertura de retiro se mezclan las moléculas de gas más calientes y más frías y se ajusta a una temperatura homogénea del gas. Preferiblemente, con el avance de la mezcla, no se eleva la temperatura en la pared longitudinal de cámara de calentamiento, por la temperatura homogénea del gas.
El arreglo de la abertura de introducción puede ser por ejemplo de modo que la abertura de introducción no está dispuesta de manera simétrica - por consiguiente asimétrica - respecto al eje longitudinal de la cámara de calentamiento. Considerando la sección transversal de la abertura de introducción en dirección de la cámara de calentamiento, perpendicularmente al eje longitudinal de la cámara de calentamiento, por consiguiente la sección transversal no está dividida, o en general no está dividida, simétricamente por el eje longitudinal en dos mitades iguales. Un arreglo tal de la abertura de introducción puede ser denominado también como excéntrico, en especial para una formación de la cámara de calentamiento simétrica respecto al eje longitudinal. Para un arreglo excéntrico así, la corriente introducida en forma de espiral del gas precursor fluye a lo largo de la pared longitudinal de cámara de calentamiento; el flujo no es introducido apuntando al eje longitudinal, sino por ejemplo al menos parcialmente tangencial a la pared longitudinal de cámara de calentamiento. Al respecto, preferiblemente el diámetro hidráulico de la abertura de introducción está en el intervalo de 25 % a 75 % del diámetro hidráulico de la cámara de calentamiento, sobre la altura de la abertura de introducción. Cuando la cámara de calentamiento comprende una parte cilíndrica de introducción con abertura de introducción y una parte cónica de salida con abertura de retiro, preferiblemente el diámetro hidráulico de la abertura de introducción está en el intervalo de 25 % a 75 % del diámetro de la parte de introducción.
Cuando la cámara de calentamiento comprende una parte cilíndrica de introducción con abertura de introducción y una parte cónica de salida con abertura de retiro, preferiblemente la relación de altura de la parte de introducción al diámetro de la parte de introducción está en el intervalo de 1 a 10, preferiblemente 1 a 5, de modo particular preferiblemente 1 a 2,5.
Cuando la cámara de calentamiento comprende una parte cilíndrica de introducción con abertura de introducción y una parte cónica de salida con abertura de retiro, preferiblemente el ángulo de la pared lateral de la cámara de calentamiento de la parte de salida, respecto al eje longitudinal está en el intervalo 5° - 45°.
Preferiblemente, el dispositivo de calentamiento de gas comprende al menos una cámara de calentamiento, en la cual están presentes varios quemadores de plasma. Por consiguiente, la energía para el calentamiento puede ser aplicada en varios sitios. Esto tiene como efecto que disminuye la carga de calentamiento local de la cámara de calentamiento; en lugar de aplicar la totalidad de la energía en un sitio, se aplica en cada caso poca energía en varios sitios. Mediante ello se divide la carga local de temperatura en una superficie grande. Para el arreglo del quemador de plasma existe una multiplicidad de posibilidades. En particular las posibles formas de arreglo están dispuestas de modo anular, semio parcialmente circular radialmente alrededor del eje longitudinal de la cámara de calentamiento. El arreglo puede ser también de varios anillos sucesivos de quemadores de plasma en dirección del eje longitudinal de la cámara de calentamiento, o también sólo quemadores de plasma individuales en dirección del eje longitudinal de la cámara de calentamiento, sucesivamente. El eje longitudinal de la cámara de calentamiento está, en dirección de la extensión longitudinal, desde una abertura de entrada del gas en la cámara de calentamiento hasta una abertura de retiro del gas de la cámara de calentamiento; en la operación el gas precursor fluye desde la abertura de entrada del gas hasta la abertura de retiro del gas.
El vector de dirección del flujo de quemador de plasma que entra puede ocurrir bien sea axialmente o al menos de modo parcialmente axial y/o tangencial, o al menos parcialmente tangencial al flujo del gas precursor, desde la abertura de entrada de gas hasta la abertura de retiro del gas. Al respecto, pueden ajustarse de modo que se minimiza la carga térmica de la cámara de calentamiento y/o se maximiza la mezcla completa de gas. Al respecto, pueden alcanzarse por ejemplo de modo focalizado flujo tangencial, flujos turbulentos o también otros patrones ventajosos de flujo.
Las cámaras de calentamiento están usualmente revestidas con material refractario. Preferiblemente al menos una cámara de calentamiento exhibe tuberías de refrigeración. De este modo puede enfriarse al menos parcialmente delante o detrás del material de revestimiento o en lugar del material de revestimiento, mediante agua fría, vapor u otro medio.
Breve descripción de los dibujos
La invención es ilustrada mediante representaciones ejemplares esquemáticas de las formas de realización.
La figura 1 muestra esquemáticamente una forma de realización de un procedimiento de acuerdo con la invención y de un dispositivo de acuerdo con la invención para la reducción directa de óxidos metálicos, mediante un gas reductor. Las figuras 2a y 2b muestran esquemáticamente secciones longitudinal y transversal a través de una forma de realización de una parte de un dispositivo para el calentamiento eléctrico de un gas.
La figura 3 muestra esquemáticamente un corte a través de una forma de realización de una parte de un dispositivo para el calentamiento eléctrico de gas.
Las figuras 4a a 4i muestran variantes esquemáticas del arreglo de quemadores de plasma en una cámara de calentamiento de un dispositivo para el calentamiento de gas.
Las figuras 5a y 5b muestran secciones esquemáticas longitudinal y transversal a través de una cámara de calentamiento en una forma de realización.
Las figuras 6a y 6b muestran secciones esquemáticas longitudinal y transversal a través de una cámara de calentamiento en otra forma de realización.
Las figuras 7 y 8 muestran otras formas de realización de manera ampliamente análoga a la figura 1.
Descripción de las formas de realización
Ejemplos
La figura 1 muestra esquemáticamente una forma de realización de un dispositivo de acuerdo con la invención para la reducción 1 directa de óxidos 2 metálicos, mediante un gas reductor.
En un reformador 3 catalítico se prepara gas de reformador mediante reformado catalítico de gas 4 que tiene hidrocarburos.
El gas de reformador es retirado del reformador 3 catalítico mediante la tubería 5 de gas de reformador.
De la tubería de gas 5 de reformador parte una tubería de gas 6 precursor. La tubería de gas 6 precursor comprende un dispositivo 7 de calentamiento eléctrico del gas.
El gas precursor se basa en el gas de reformador y es calentado mediante energía eléctrica en el dispositivo 7 de calentamiento eléctrico de gas. La tubería 6 de gas precursor desemboca - en dirección del flujo visto desde el reformador detrás del dispositivo 7 de calentamiento eléctrico del gas - en una tubería 8 de gas reductor. Esta misma desemboca en una unidad 9 reductora, mediante ella se introduce gas reductor en la unidad 9 reductora.
En la unidad 9 reductora se encuentran los óxidos metálicos; en el caso representado, la unidad 9 reductora es una cuba reductora, en la cual está un lecho sólido de material que comprende los óxidos metálicos. En la unidad 9 reductora se reducen directamente los óxidos 2 metálicos mediante el gas reductor que atraviesa el lecho de material.
Opcionalmente, la tubería 5 de gas de reformador puede exhibir adicionalmente también una desembocadura en la tubería 8 de gas reductor; está representada con una ramificación marcada con línea discontinua de la tubería 5 de gas de reformador. De esta manera puede conducirse por ejemplo gas de reformador en la derivación sobre el dispositivo 7 de calentamiento de gas y añadirse como gas adicional al gas precursor calentado.
Básicamente, en la figura l, con el propósito de preparación del gas reductor, podrían estar presentes también aun otras tuberías de gas precursor, para el suministro de otros gases precursores; esto no se representa, para una mejor claridad.
Las figuras 2a y 2b muestran secciones longitudinal y transversal a través de una forma de realización de una parte de un dispositivo 10 de calentamiento eléctrico de gas, que exhibe una cámara 11 de calentamiento con un quemador 12 de plasma. El quemador 12 de plasma está dispuesto en el centro en la cámara 11 de calentamiento. Eso se ve bien en la sección transversal a lo largo de la línea A-A de la figura 2a en la figura 2b. La cámara 11 de calentamiento redonda en forma de cilindro representada en el ejemplo está limitada por la pared 13 longitudinal de cámara de calentamiento. El gas precursor es introducido - representado como una flecha - a través de las aberturas 14a, 14b, 14c, 14d de introducción en la cámara 11 de calentamiento. El gas caliente - representado por una flecha en bloque -es retirado a través de una abertura de retiro no representada, de la cámara 11 de calentamiento representado por una flecha. El gas precursor es introducido en la cámara 11 de calentamiento entre la pared 13 longitudinal de cámara
de calentamiento y el quemador 12 de plasma. El flujo representado del gas 15 precursor de la abertura 14a de introducción se encuentra con ello entre el plasma 16 y pared 13 longitudinal de cámara de calentamiento. En el dispositivo de calentamiento eléctrico de gases podrían estar presentes también varias cámaras de calentamiento tales, en cada caso con un quemador de plasma.
La figura 3 muestra un corte a través de una forma de realización de una parte de un dispositivo para el calentamiento eléctrico de gases, que exhibe una cámara 18 de calentamiento con un quemador 19 de plasma. La cámara 18 de calentamiento está implementada de manera esencialmente cilíndrica, en donde el quemador 19 de plasma está esencialmente a lo largo del eje 20 del cilindro. Mediante un dispositivo 21 de introducción con abertura de introducción se introduce tangencialmente el gas 22 precursor en la cámara 18 de calentamiento, y fluye después de la introducción alrededor del quemador 19 de plasma hacia la abertura 23 de salida. A través de la abertura 23 de salida para el retiro del gas caliente, corre el eje 20 del cilindro. Podrían estar presentes también varias cámaras de calentamiento tales, en cada caso con un quemador de plasma en el dispositivo para el calentamiento eléctrico de gases.
Las figuras 4 a - i muestran variantes del arreglo de quemadores de plasma en una cámara de calentamiento de un dispositivo para el calentamiento de gas, en el cual están presentes varios quemadores de plasma. En particular son posibles formas de realización angulares, semi- o parcialmente circulares dispuesta radialmente alrededor del eje longitudinal de la cámara de calentamiento, lo cual se representa en las figuras 4a, 4b, 4c. La figura 4a muestra en una vista oblicua en un corte a través de una cámara 24 cilíndrica de calentamiento perpendicularmente al eje longitudinal - que corresponde a la dirección del flujo del gas que va a ser calentado, indicado con flechas - , como están presentes varias aberturas 25 anulares para el ensamble de quemadores de plasma. Los quemadores de plasma pueden estar con su eje longitudinal por ejemplo perpendicular u oblicuo respecto al eje longitudinal de la cámara 24 de calentamiento. La figura 4b muestra en un corte a través de una cámara 26 cilíndrica de calentamiento perpendicularmente al eje longitudinal - que corresponde a la dirección del flujo del gas que va a ser calentado - , cómo están presentes en forma semicircular varias aberturas 27 para el ensamble de quemadores de plasma. La figura 4c muestra en un corte a través de una cámara 28 cilíndrica de calentamiento perpendicularmente al eje longitudinal - que corresponde a la dirección del flujo del gas que va a ser calentado - , cómo están dispuestas en forma semicircular varias aberturas 29 para el ensamble de quemadores de plasma.
La figura 4d muestra en un corte longitudinal a través de una sección de una cámara de calentamiento como en la figura 4a, cómo pueden instalarse varios anillos de quemadores de plasma; se muestran las aberturas 25 para el montaje, el eje 30 longitudinal de la cámara de calentamiento y la dirección 31 del flujo de gas. La figura 4e muestra eso en una vista correspondiente para un arreglo en el cual está presente en cada caso sólo un quemador de plasma por posición, a lo largo del eje longitudinal.
La figura 4f muestra en vista correspondiente un ejemplo de cómo los quemadores de plasma pueden estar orientados respecto al eje longitudinal. Las flechas indican que los quemadores de plasma están inclinados respecto al eje longitudinal. Las figuras 4g y 4h muestran en vista ampliamente análoga a la figura 4a, que los quemadores de plasma indicados por flechas pueden estar dirigidos hacia el centro del flujo de un poderoso gas - representado en la figura 4g -, o prácticamente tangencial respecto al flujo del gas -representado en la figura 4h. El vector de dirección del flujo que entra al quemador de plasma - que corresponde a las direcciones de las flechas en las figuras 4g y 4h - puede seguir al menos parcialmente de modo axial y/o al menos parcialmente de modo tangencial respecto al flujo del gas, desde la abertura de entrada de gas hasta la abertura de retiro de gas.
En la figura 4i se muestra esquemáticamente mediante un corte perpendicular al eje longitudinal de una variante de una cámara 32 de calentamiento, cómo se introduce el flujo 33 de gas que va a ser calentado, entre el quemador 34 de plasma y la pared de la cámara 32 de calentamiento.
La figura 5a muestra un corte longitudinal a través de una cámara 35 de calentamiento, que comprende una parte 36 cilíndrica de introducción con abertura 37 de introducción y una parte 38 cónica de retiro con abertura 39 de salida.
El diámetro hidráulico de la abertura 37 de introducción es 45 % del diámetro de la parte de introducción.
La relación del diámetro de la abertura 37 de introducción al radio de la parte 36 de introducción es 90 %.
El ángulo a de la pared lateral de la cámara de calentamiento de la parte de retiro al eje 40 longitudinal es 35°.
El quemador 41 de plasma está dispuesto en el centro de la parte 42 de la tapa, también se dibuja una tubería 43 de gas de soporte para el suministro de gas de soporte.
La abertura de introducción no está dispuesta simétricamente - por consiguiente asimétricamente - respecto al eje longitudinal de la cámara de calentamiento. En un arreglo excéntrico tal, el flujo que entra del gas precursor puede fluir en forma de espiral a lo largo de la pared longitudinal de cámara de calentamiento - en la parte de introducción y en la parte de retiro; el flujo no es introducido apuntando radialmente al eje longitudinal, sino tangencialmente a la pared longitudinal de la cámara de calentamiento.
Para la ilustración de una elección de otras posibilidades de la forma de la abertura de introducción o de su ubicación respecto al eje longitudinal 40, se dibujan contornos de una abertura redonda de introducción con línea punteada y una abertura rectangular de introducción con línea discontinua.
La figura 5b muestra una vista desde arriba del dispositivo mostrado en la figura 5a. De manera análoga a la figura 5a se dibujan también contornos de las variantes de la abertura de introducción con líneas punteadas y con líneas discontinuas.
Las figuras 6a y 6b muestran, en vistas ampliamente análogas a las figuras 5a y 5b, una forma de realización en la cual en la parte 44 de introducción, la abertura 45 de introducción está desplazada lateralmente respecto a la figura 5a. La introducción del flujo de gas que va a ser calentado en la parte 44 cilíndrica de introducción ocurre en forma de espiral.
La figura 6b muestra mediante un corte a lo largo de F-F' considerado esquemáticamente desde arriba, cómo la introducción en forma de espiral se extiende alrededor de la parte 44 cilíndrica de introducción. La línea discontinua muestra el contorno del borde C en la zona de la desembocadura de la abertura de introducción en la parte cilíndrica de introducción.
La parte en forma de espiral podría extenderse también menos o más ampliamente; podría seguir también la forma de la totalidad de la parte de introducción de la espiral dada por la introducción 46.
La figura 7 muestra de manera análoga a la figura 1, cómo en el dispositivo 47 para el calentamiento eléctrico de gas, un quemador 48 de plasma, cuyo plasma es generado con energía eléctrica usando gas de soporte de la tubería 49 de gas de soporte, en el dispositivo 47 para el calentamiento de gas calienta el gas precursor gas de reformador en la tubería 50 de gas precursor. La energía eléctrica es introducida mediante plasma en el gas precursor.
La figura 8 muestra de manera ampliamente análoga a la figura 1 una forma de realización de un dispositivo de acuerdo con la invención, en el cual está presente una tubería 51 para la reducción de gas adicional para la introducción de gas reductor adicional en la unidad 52 reductora. Se representa también en línea discontinua la adición que ocurre opcionalmente de gas 53 natural en la tubería 54 de gas precursor antes del dispositivo 55 para el calentamiento eléctrico de gas. Se calienta un gas precursor, que es una mezcla de gas 53 natural y gas de reformador; este gas precursor se basa en el gas de reformador.
Aunque se ilustró en detalle y se describió la invención mediante ejemplos preferidos de realización, la invención no es limitada por los ejemplos divulgados y de ellos el experto puede derivar otras variaciones, sin abandonar el alcance de protección de la invención definido por las reivindicaciones anexas.
Lista de los signos de referencia
1 dispositivo para la reducción directa
2 óxidos metálicos
3 reformador
4 gas que tiene hidrocarburos
5 tubería de gas de reformador
6,6',6",6m tubería de gas precursor
7 dispositivo para el calentamiento de gas
8 tubería de gas reductor
9 unidad reductora
10 dispositivo para el calentamiento de gas
11 cámara de calentamiento
12 quemador de plasma
13 pared longitudinal de la cámara de calentamiento
14a,14b,14c,14d aberturas de introducción
15 gas precursor
16 plasma
17 dispositivo para el calentamiento de gas
18 cámara de calentamiento
19 quemador de plasma
20 eje del cilindro
21 dispositivo de introducción
22 gas precursor
23 abertura de retiro
24 cámara de calentamiento
25 aberturas para el ensamble de quemadores de plasma
26 cámara de calentamiento
27 aberturas para el ensamble de quemadores de plasma
cámara de calentamiento
aberturas para el ensamble de quemadores de plasma
eje longitudinal
dirección del flujo de gas
cámara de calentamiento
flujo de gas que va a ser calentado
quemador de plasma
cámara de calentamiento
parte de introducción
abertura de introducción
parte de retiro
abertura de retiro
eje longitudinal
quemador de plasma
parte de la tapa
tubería de gas de soporte
parte de introducción
abertura de introducción
tubería
dispositivo para el calentamiento de gas
quemador de plasma
tubería de gas de soporte
tubería de gas precursor
tubería de reducción de gas adicional
unidad reductora
gas natural
tubería de gas precursor
dispositivo para el calentamiento de gas
Claims (19)
1. Procedimiento para la reducción directa de óxidos (2) metálicos mediante el uso de un gas reductor, que se basa en al menos un gas precursor,
en donde al menos un gas (15, 22) precursor
se basa en gas de reformador obtenido mediante reformado catalítico de gas (4) que tiene hidrocarburos, en un reformador (3),
caracterizado porque
para la preparación del gas reductor se calienta mediante energía eléctrica al menos un gas precursor, de modo opcional adicionalmente también uno o varios otros gases precursores, que se basa en gas de reformador, en donde al menos una cantidad parcial de la energía eléctrica es introducida mediante plasma (16) en el gas (15, 22) precursor.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas precursor que se basa en gas de reformador es calentado mediante energía eléctrica a una temperatura que está en una escala de hasta 200 °C por encima de su temperatura de salida del reformador.
3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el gas (15, 22) precursor previsto para el calentamiento eléctrico mediante energía eléctrica, es calentado ya de otra manera antes del calentamiento, preferiblemente a al menos 700 °C, de modo particular preferiblemente a al menos 750 °C.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el gas (15, 22) precursor previsto para el calentamiento eléctrico es calentado mediante energía eléctrica a más de 800 °C, preferiblemente a más de 900 °C.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la temperatura del gas reductor, durante su introducción en una unidad (9) reductora que contiene los óxidos metálicos que van a ser reducidos, es de al menos por encima de 800 °C, preferiblemente al menos por encima de 900 °C, de modo particular preferiblemente al menos 940 °C, y hasta 1100 °C, preferiblemente hasta 1050 °C, de modo particular preferiblemente hasta 1000 °C.
6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque a un gas (15, 22) precursor que es calentado mediante energía eléctrica, se añade gas adicional que tiene hidrocarburos antes y/o durante y/o después de ser calentado mediante energía eléctrica.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se reforma in situ al menos una cantidad parcial del gas adicional que tiene hidrocarburos, antes de introducir el gas reductor en una unidad (9) reductora que contiene los óxidos (2) metálicos.
8. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se reforma in situ al menos una cantidad parcial de un gas precursor que tiene hidrocarburos, antes de introducir el gas reductor en una unidad (9) reductora que contiene los óxidos (2) metálicos.
9. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque para la reducción directa de óxidos (2) metálicos se usa al menos un gas reductor adicional.
10. Dispositivo para la reducción (1) directa de óxidos (2) metálicos mediante un gas reductor, que comprende
un reformador (3) catalítico para la fabricación de un gas de reformador,
una tubería (5) de gas de reformador para el retiro del gas de reformador del reformador (3) catalítico,
una unidad (9) reductora,
una tubería (8) de gas reductor para la introducción de gas reductor en la unidad (9) reductora,
caracterizado porque
el dispositivo comprende al menos una tubería (6) de gas precursor,
y al menos una tubería (6) de gas precursor comprende un dispositivo (7,10,17) para el calentamiento eléctrico del gas,
y al menos una tubería (6) de gas precursor parte de la tubería (5) de gas de reformador,
en donde al menos una tubería de gas precursor que parte de la tubería de gas de reformador comprende un dispositivo para el calentamiento eléctrico del gas,
y en donde cada tubería (6) de gas precursor desemboca en la tubería (8) de gas reductor,
y en donde el dispositivo (10) para el calentamiento eléctrico del gas comprende al menos dos quemadores de plasma, de modo muy particular preferiblemente al menos tres quemadores de plasma.
11. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el dispositivo para la reducción (1) directa comprende al menos una tubería (35) para la reducción de gas adicional para la introducción de gas reductor adicional en la unidad (9) reductora.
12. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque el dispositivo (10) para el calentamiento eléctrico del gas comprende al menos una cámara (11) de calentamiento con un quemador (12) de plasma, con al menos una abertura de retiro para la remoción de gas caliente, y con al menos una abertura (14a,14b) de introducción para la introducción de gas (15) precursor, y con al menos una pared (13) longitudinal de cámara de calentamiento que se extiende longitudinalmente cuando se ve desde la abertura de introducción hacia la abertura de retiro, en donde el quemador (12) de plasma está dispuesto en el centro de la cámara (11) de calentamiento, y en donde la abertura (14a,14b) de introducción está dispuesta entre el quemador (12) de plasma y la pared (13) longitudinal de cámara de calentamiento.
13. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque el dispositivo (17) de calentamiento eléctrico del gas comprende al menos una cámara (18) de calentamiento con un quemador (19) de plasma, con al menos una abertura (23) de salida para la remoción de gas caliente, y con al menos una abertura de introducción para la introducción de gas (22) precursor, y con al menos una pared longitudinal de cámara de calentamiento en extensión longitudinal vista desde la abertura de introducción hacia la abertura (23) de salida, en donde la abertura de introducción está dispuesta y la cámara (18) de calentamiento está formada, de modo que una corriente introducida del gas (22) precursor fluye en forma de espiral desde la abertura de introducción hacia la abertura (23) de salida alrededor del quemador (19) de plasma, entre el quemador (19) de plasma y pared longitudinal de cámara de calentamiento.
14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque la abertura de introducción está dispuesta de manera asimétrica respecto al eje longitudinal de la cámara de calentamiento y es adecuada para conducir gas precursor hacia la cámara de calentamiento, en forma tangencial respecto a la pared longitudinal de cámara de calentamiento.
15. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 14 o 15, caracterizado porque el diámetro hidráulico de la abertura de introducción está en el intervalo de 25 % a 75 % del diámetro hidráulico de la cámara de calentamiento.
16. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 14 o 15, caracterizado porque la cámara de calentamiento comprende una parte de entrada cilíndrica con abertura de introducción y una parte cónica de salida con abertura de retiro, y el diámetro hidráulico de la abertura de introducción está en el intervalo de 25 % a 75 % del diámetro de la parte de introducción.
17. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 13, 14, 16, caracterizado porque la cámara de calentamiento comprende una parte cilíndrica de introducción con abertura de introducción y una parte cónica de salida con abertura de retiro, en donde la relación de altura de la parte de introducción al diámetro de la parte de introducción está en el intervalo de 1 a 10, preferiblemente 1 a 5, de modo particular preferiblemente 1 a 2,5.
18. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 13, 14, 16, 17, caracterizado porque la cámara de calentamiento comprende una parte cilíndrica de introducción con abertura de introducción y una parte cónica de salida con abertura de retiro, en donde el ángulo de la pared lateral de la cámara de calentamiento de la parte de salida al eje longitudinal está en el intervalo 5° - 45°.
19. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 18, caracterizado porque el dispositivo (7,10,17) de calentamiento en gas comprende al menos una cámara de calentamiento, en la cual están presentes varios quemadores de plasma.
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