ES2953872T3 - Procedimiento y una planta de reducción directa para producir hierro reducido directo - Google Patents
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Abstract
Para una producción eficiente y económica de DRI con bajas emisiones de CO2, el calor requerido para impulsar el proceso de reducción directa en una unidad de reducción directa lo proporciona un elemento calefactor eléctrico (11), los gases de escape del proceso de reducción directa se purifican de contaminantes. A partir del gas de escape purificado se obtienen otros componentes distintos del dióxido de carbono y del gas final de dióxido de carbono. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y una planta de reducción directa para producir hierro reducido directo
La presente invención se refiere a un procedimiento para producir hierro reducido directo que comprende la etapa de tratar materia prima que comprende material que contiene óxido de hierro y material que contiene material carbonoso en una unidad de reducción directa a una temperatura de reacción elevada entre 1000 °C y 1200 °C durante un periodo de tiempo dado para producir el hierro reducido directo y gas de escape caliente, mientras que la unidad de reducción directa se calienta a la temperatura de reacción usando calentamiento eléctrico. La invención también se refiere a una planta de reducción directa correspondiente.
La generación de energía eléctrica mediante centrales eléctricas de carbón y la producción de hierro y acero son procedimientos industriales con altos niveles de emisión de dióxido de carbono (CO2). Es bien conocido que la emisión de CO2 a la atmósfera en la actualidad da lugar a un contenido cada vez mayor de este gas en la atmósfera que puede dar lugar a un calentamiento global.
El hierro reducido directo (HRD), producido por reducción directa de mineral de hierro, se usa a menudo en la producción de hierro y acero y, por lo tanto, es una materia prima importante en estas industrias.
El documento US 4.701.214 A describe el procedimiento original de reducción directa en un horno de solera giratoria, también conocido con la marca comercial "Fastmet". El documento US 5.730.775 A describe otra mejora del procedimiento con "Fastmet".
El documento US 5.685.524 A describe el uso de gránulos autorreductores en una solera giratoria para producir HRD para su uso en la fabricación de hierro o acero. En un esfuerzo por ahorrar energía, los gránulos se precalientan con gas de escape caliente de otros procedimientos de fabricación de hierro o acero.
El documento US 5.066.325 A describe un procedimiento de tres fases en el que el carbón se trata en una primera fase para expulsar compuestos volátiles y formar un producto carbonizado muy poco volátil. Los compuestos volátiles se pueden recoger y utilizar como un valioso producto derivado del petróleo, tal como combustible diésel o similares. El material carbonizado se utiliza como agente reductor en una segunda fase de reducción directa de hierro. Los gases calientes del producto generados en el procedimiento de reducción se utilizan para generar electricidad en una tercera fase.
Además, el documento el documento US 6.519.942 B2 describe el uso de gases de escape calientes de un procedimiento de producción directa de hierro para generar electricidad.
El documento WO 1994/008055 A1 describe un procedimiento para usar coque de petróleo para crear en primer lugar un gas reductor que se puede usar para reducir mineral de hierro. Debido a su alto contenido de azufre, el coque de petróleo a menudo es un material no deseado, pero en el contexto de la reducción directa, donde se debe emplear un procedimiento de desulfuración de todos modos, puede ser económico usarlo como agente reductor y/o combustible.
El documento US 7.632.330 B2 describe un procedimiento mediante el cual el mineral de hierro se puede reducir usando partículas de biomasa y material resinoso. El documento US 2013/0081516 A1 describe una reducción directa de mineral de hierro con biomasa y carbón. Usando un exceso de biomasa se produce gas sintético que se puede usar para producir electricidad.
En general, el gas de escape del procedimiento de reducción directa para producir HRD contiene contaminantes tales como polvo, óxidos de azufre (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx), etc. Es un estado de la técnica y también un requisito legal retirar estos contaminantes del gas de escape antes de descargarlo a la atmósfera. El procedimiento de retirar los contaminantes se puede llevar a cabo de tal manera que los productos de reacción estarán en forma de solución ("depuración en húmedo") o sólidos secos ("depuración en seco").
El documento US 7.625.527 B2, por ejemplo, describe un procedimiento para tratar un gas de escape caliente con una suspensión de cal de tal manera que se obtenga un producto de reacción seco. La depuración en seco también se describe en el documento US 4.019.444 A. Los productos de depuración en seco son favorables porque no se tiene que tratar además ningún líquido de residuo y, a menudo, el subproducto se puede usar para otras aplicaciones.
Aunque los contaminantes en el gas de escape se pueden retirar, por ejemplo, con depuración en seco o en húmedo, todavía contiene, no obstante, cantidades significativas de CO2 que llegan a la atmósfera cuando el gas de escape se descarga a la atmósfera.
La tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC) se ha descrito ampliamente en los últimos años para la recuperación de gases de CO2. Esta tecnología se considera una solución potencial para disminuir o incluso
reducir el contenido cada vez mayor de CO2 en la atmósfera que puede dar lugar a un calentamiento global de la atmósfera.
La CAC se puede usar de forma ventajosa en procedimientos industriales donde se generan gases de escape con concentraciones relativamente altas de dióxido de carbono. Para gases de escape con bajo contenido de CO2, la tecnología no se puede usar de forma económica debido a los altos costes de tratar grandes volúmenes de gases de escape. Cuanto mayor sea la concentración de CO2 en el gas de escape, mejor será la eficacia de un procedimiento de CAC.
El documento US 2005/092130 A1 divulga un procedimiento para producir hierro reducido directo por medio de un reactor de lecho fluidizado. El gas de escape se usa en un sistema de dos etapas para secar los gránulos verdes para el reactor. Se divulga un reactor de lecho fluidizado que usa gases portadores como N2 o CO. Es necesario un flujo de gas en estos reactores para mantener las partículas flotando en el interior del reactor, lo que reduce la concentración de CO2 en el gas de escape y, por lo tanto, no se puede usar eficazmente la captura y almacenamiento de carbono.
El documento US 2015/275323 divulga un sistema de dos etapas que incluye un precalentador y un horno principal para la reducción, en el que finalmente se reduce y se funde el arrabio. El calor residual de la solera se usa para hacer funcionar una turbina para reducir la necesidad de energía del sistema. El gas de escape del reactor final todavía contiene concentraciones altas de CO y H2 , de modo que no se puede usar directamente para un sistema de CAC. En un sistema de conversión, que se describe, el vapor de agua y el CO2 se dejan en el gas de escape.
Es normalmente un requisito que el gas de escape que entra en el procedimiento de CAC se purifique de todos los demás contaminantes, tales como polvo, SOx, NOx, etc. Esto normalmente se logra mediante un sistema de limpieza de gases que usa depuración en húmedo o depuración en seco con absorbentes básicos tales como magnesia, ceniza de sosa y compuestos similares.
Una de las tecnologías establecidas de CAC es la absorción de aminas. En este caso, el CO2 del gas de escape se absorbe en una solución líquida de alcanolaminas y, de este modo, se retira del gas de escape. Los absorbentes requieren un etapa de regeneración (desorción) donde se retira el CO2 para que se pueda reutilizar el sorbente o la solución. El CO2 retirado se puede usar más o almacenar. El documento US 4.112.052 A describe dicho procedimiento con más detalle.
La primera etapa de la absorción de CO2 tiene lugar a temperaturas de típicamente alrededor de 40 °C a 60 °C, la segundo etapa de desorción tiene lugar a temperaturas mayores, típicamente aproximadamente 80 °C a 150 °C. Esta segunda etapa del procedimiento es la principal consumidora de energía, ya que se debe calentar un volumen relativamente grande de absorbente rico en CO2 desde la temperatura menor a la mayor.
El CO2 recuperado se puede almacenar o usar en otros procedimientos industriales, por ejemplo, para la recuperación potenciada de petróleo. El documento EP 1.258.595 A2 describe un procedimiento para inyectar una mezcla de gases de preferentemente más de un 70 % de CO2 en un pozo para mejorar la recuperación de petróleo del pozo o la formación subterránea.
Un objetivo de la presente invención es la producción eficaz y económica de HRD con emisiones bajas de CO2. Esto se logra de acuerdo con los rasgos característicos de las reivindicaciones independientes.
Proporcionando el calor para el procedimiento de reducción directa principalmente eléctricamente, y no mediante un procedimiento de combustión, esencialmente no se introduce nitrógeno en el gas de escape del procedimiento de reducción directa y, por tanto, se puede incrementar la concentración de CO2 en el gas de escape (en comparación con los procedimientos HRD convencionales con combustión) a un 80 % a un 95 % de dióxido de carbono. Esto permite una retirada eficaz y económica de CO2 del gas de escape en una CAC, después de purificar el gas de escape de constituyentes contaminantes distintos de dióxido de carbono.
Cuando el calor del gas de escape caliente se usa para producir vapor y usar al menos parte del vapor producido para impulsar una turbina de vapor y un generador eléctrico para producir energía eléctrica, entonces al menos parte de esta energía eléctrica se puede usar de forma ventajosa para calentar eléctricamente la unidad de reducción directa o se puede usar en otros procedimientos o plantas industriales. Esto hace que el procedimiento de HRD sea incluso más económico.
Las concentraciones muy altas de CO2 en el gas de escape permiten la recuperación eficaz de CO2 usando un procedimiento de captura y almacenamiento de carbono. Incluso se puede incrementar la eficacia cuando el calor residual del vapor corriente abajo de la turbina de vapor se usa como fuente de calor para el procedimiento de captura y almacenamiento de carbono. De esa manera, la etapa que más energía consume en el procedimiento de CAC, a saber, la etapa de desorción, puede estar respaldada por este calor residual y se debe proporcionar menos calor adicional.
Cuando el gas de escape contiene agua o vapor de agua, especialmente cuando se usa vapor o un quemador de oxígeno-combustible para purgar el gas de escape de la unidad de reducción directa, el gas final de dióxido de carbono se puede proporcionar simplemente enfriando el gas de escape purificado para condensar el agua comprendida en el gas de escape y retirando el agua condensada.
La presente invención se explica en lo siguiente con más detalle en referencia a las figuras 1 a 4, que muestran modos de realización ventajosos ejemplares, esquemáticos y no limitantes de la invención. En los dibujos la fig. 1 muestra una unidad de reducción directa con calentamiento eléctrico,
la fig. 2 muestra un procedimiento de reducción directa en combinación con la generación de energía eléctrica y recuperación de CO2 del gas de escape,
la fig. 3 muestra el uso de vapor para purgar gas de escape de una unidad de reducción directa y la fig. 4 muestra el uso de quemadores de oxígeno-combustible para purgar gas de escape de una unidad de reducción directa.
Se ha mencionado anteriormente que la retirada de dióxido de carbono de una corriente de gas de escape industrial es más económica si el contenido de CO2 en el gas de escape es lo más alto posible.
La mayor parte del CO2 en todo el mundo se genera mediante procedimientos de combustión donde material carbonoso, como carbón o hidrocarburos como petróleo o gas, se quema con aire. Por tanto, es inevitable que la mayor porción del gas de escape sea nitrógeno del aire, de acuerdo con la siguiente fórmula,
C O2 + 4 N2 = CO2 + 4 N2
Por lo tanto, el contenido teórico más alto de CO2 en dichos procedimientos de combustión es 1/5 (20 %). Sin embargo, en la práctica, debido a la combustión con exceso de aire, es considerablemente menor.
El contenido de CO2 se podría incrementar con la combustión en bucle químico (CLC), que incrementa la eficacia de los procedimientos de combustión.
En un procedimiento de reducción directa para producir HRD, un mineral de hierro se calienta en una solera u horno a una temperatura lo suficientemente alta como para quemar su contenido de carbono y oxígeno (un procedimiento llamado reducción), pero por debajo del punto de fusión del hierro, es decir, no mayor de 1200 °C. El objetivo del procedimiento es expulsar el oxígeno contenido en las diversas formas de mineral de hierro, para convertir el mineral en hierro metálico, sin fundirlo. El calor requerido para este procedimiento se proporciona quemando material carbonoso, como carbón o hidrocarburos como petróleo o gas, en un horno con aire. En el procedimiento de reducción directa se consume aproximadamente un 30 % del material carbonoso para suministrar el calor de reacción necesario y se consume en una reacción de combustión usando aire como oxidante. El resto se usa para la reducción del mineral de hierro. Combinadas, las reacciones (reducción y combustión) en el procedimiento de reducción directa con carbón como material carbonoso se podrían escribir como
1,4 Fe2O3 + 2,4 C 0,3 O2 + 1,2 N2 = 2,8 Fe 2,4 CO2 + 1,2 N2 lo que da como resultado una concentración de CO2 en el gas de escape de 2,4/3,6 (67 %).
Esta concentración de CO2 en el gas de escape es más de 3 veces mayor que en un procedimiento de combustión normal y, por lo tanto, es adecuada para su combinación con un procedimiento de retirada de CO2, como un procedimiento de CAC, por ejemplo, retirada de CO2 mediante un procedimiento de lavado con aminas.
Usando al menos parcialmente biomasa en el procedimiento de reducción directa como agente reductor para el mineral de hierro y/o como fuente para proporcionar la energía de reacción necesaria, el procedimiento completo se puede incluso convertir en "carbono negativo", es decir, el contenido de dióxido de carbono en la atmósfera se puede reducir realmente respecto a los niveles actuales.
Es un objetivo de la invención incrementar la concentración de CO2 en el gas de escape del procedimiento de reducción directa, para hacer que el procedimiento posterior de retirada de CO2 sea incluso más económico. En la reducción directa de óxido de hierro, el oxígeno que reacciona con el carbono se origina en el óxido de hierro y, por tanto, no hay nitrógeno implicado, de acuerdo con la fórmula
2Fe2O3 +3 C = 4Fe 3 CO2.
En realidad, se trata de un procedimiento de múltiples fases con una formación intermedia de gas CO, pero se puede usar la fórmula general para este cálculo teórico. Teóricamente, el contenido de CO2 en el gas de escape podría ser de un 100 %; de nuevo, en instalaciones prácticas, el contenido de CO2 es menor.
La energía requerida (calor) para impulsar este procedimiento se proporciona ahora mediante calentamiento eléctrico y no mediante combustión de material carbonoso. De esa manera, no se tiene que quemar ningún material carbonoso con aire para impulsar la reacción y, por tanto, no hay nitrógeno contenido en el gas de escape. Mediante este procedimiento, se genera un gas de escape con un contenido de dióxido de carbono de más de un 80 % y hasta un 95 %, típicamente hasta un 90 %, mientras que el resto son principalmente contaminantes como CO, SOx, NOx y posiblemente agua (H2O).
El calentamiento eléctrico se puede realizar disponiendo elementos calefactores calentados eléctricamente 11 en la unidad de reducción directa 1, como una solera giratoria, en las cercanías del lecho de reducción 12 sobre el que se colocan los materiales 13 del procedimiento de reducción directa (mineral de hierro, material carbonoso como carbón o coque de petróleo, gránulos autorreductores (como se explica a continuación)), como se muestra en la fig. 1. Los elementos calefactores 11 se pueden disponer por encima y/o alrededor del lecho de reducción 12, por ejemplo. La unidad de reducción directa 1 se calienta a una temperatura de típicamente 1000 °C a 1200 °C mediante los elementos calefactores 11 para impulsar el procedimiento de reducción directa. El procedimiento de reducción directa tiene lugar preferentemente a temperaturas entre 1000 °C y 1200 °C y típicamente durante 15 a 60 minutos.
El gas de escape que contiene CO2 (y constituyentes contaminantes) producido en el procedimiento de reducción directa se retira continuamente de la unidad de reducción directa 1, por ejemplo con retirada por succión o purgando continuamente la unidad de reducción directa 1 (como se explica con más detalle a continuación).
El gas de escape caliente de la unidad de reducción directa 1 también se puede usar como fuente de energía para un procedimiento de producción de electricidad, como se explica con referencia a la fig. 2. En el modo de realización de la fig. 2, el gas de escape caliente se usa para la producción de vapor que se usa en una turbina de vapor 4, que impulsa un generador eléctrico 5. La energía eléctrica generada se puede usar en la unidad de reducción directa 1 para calentar eléctricamente, como se indica en la fig. 2 con línea discontinua. De esa manera, se puede proporcionar al menos parte de la energía eléctrica para calentar eléctricamente la unidad de reducción directa 1.
Esto permite la combinación de un procedimiento de reducción directa para producir HRD y un procedimiento de producción de electricidad que usa gas de escape caliente del procedimiento de reducción directa, lo que mejora la eficacia del procedimiento de reducción directa.
El procedimiento de reducción directa también se puede combinar, e independientemente de la combinación con la producción de electricidad, con un procedimiento de obtención de CO2 para obtener CO2 a partir del gas de escape.
En un modo de realización ventajoso, el procedimiento de reducción directa se combina con un procedimiento de generación de electricidad y con un procedimiento de obtención de CO2, como se describe en lo siguiente con referencia a la fig. 1 con más detalle.
En una unidad de reducción directa bien conocida 1, por ejemplo, un horno de solera giratoria, horno de tubo o dispositivo similar, tiene lugar un procedimiento de reducción directa para producir HRD. La unidad de reducción directa 1 se alimenta con materia prima 13 que comprende material que contiene óxido de hierro, como mineral de hierro, y material carbonoso, como carbón, coque de petróleo, madera, biomasa, petróleo, etc. El material carbonoso sirve como agente reductor en el procedimiento de reducción directa. La unidad de reducción directa 1 se calienta eléctricamente por el elemento calefactor 11 para impulsar la reacción química para producir HRD. La energía eléctrica para el elemento calefactor eléctrico 11 se puede proporcionar mediante un procedimiento de generación de electricidad usando el gas de escape caliente como fuente de energía.
En un posible modo de realización, se producen gránulos autorreductores como materia prima 13 para el procedimiento de reducción directa. Con este fin, el óxido de hierro, como mineral de hierro, y el material carbonoso, como coque de petróleo, carbón, gránulos de madera, biomasa o mezclas de los mismos, se muelen hasta un tamaño de partícula submicrométrica, mientras que al menos un 90 % de las partículas molidas son submicrométricas. El óxido de hierro molido y las partículas carbonosas se mezclan completamente en un mezclador en seco. Una suspensión de un aglutinante y un disolvente, como agua, se mezcla con la mezcla de óxido de hierro molido y material carbonoso molido para formar una suspensión. A continuación, la suspensión se granula, por ejemplo, en un granulador de tambor, formando gránulos y secando los gránulos. El tamaño de los gránulos formados puede ser de entre 10 y 20 mm (diámetro). Los gránulos así formados se secan en un horno para evaporar el disolvente de la suspensión de aglutinante. Las temperaturas y el tiempo de secado de los gránulos pueden depender del aglutinante. Los gránulos también se pueden formar extruyendo la suspensión y cortando discos del extrudido y, a continuación, secando los discos. El calor para secar los gránulos se puede proporcionar mediante el gas de escape caliente de la unidad de reducción directa 1.
Dichos gránulos son autorreductores porque ya comprenden el agente reductor requerido (material carbonoso) para el procedimiento de reducción directa.
En un ejemplo, el mineral de hierro y el coque de petróleo (por ejemplo, de un procedimiento de refinado de petróleo) se muelen en al menos un 90 % a partículas submicrométricas. La composición del mineral de hierro usado fue un 64,1 % de Fe total como un 91,6 % de Fe2O3, un 5,2 % de SiO2, un 1,6 % de Al2O3, un 1,1 % de MnO, un 0,4 % de MgO. La composición del coque de petróleo fue un 88,0 % de carbono, un 3,6 % de hidrógeno, un 5,1 % de azufre, un 0,8 % de ceniza. Se preparó una suspensión de aglutinante de un 10 % de bentonita, un 20 % de dextrina y un 70 % de agua. El mineral de hierro molido, el coque de petróleo molido y la suspensión del aglutinante se mezclaron en una proporción de 60:30:10. Se formaron gránulos de diámetro entre 10 y 20 mm de dicha suspensión producida y se secaron en un horno a 110 °C durante 3 horas.
Los gránulos secos se introdujeron como materia prima 13 para el procedimiento de reducción directa en un horno de tubo calentado eléctricamente y la temperatura del horno se ajustó a 1100 °C calentando eléctricamente la unidad de reducción directa 1. Después de 20 minutos se obtuvo un producto sólido metalizado (HRD) que contenía un 87 % de hierro elemental (Fe).
El gas de escape caliente 14 del procedimiento de reducción directa en la unidad de reducción directa 1 está típicamente a temperaturas de 1150 a 1250 °C, dependiendo de la temperatura en la unidad de reducción directa 1, y se conduce a una unidad de producción de electricidad 2 y a una unidad de purificación 3.
La unidad de producción de electricidad 2 comprende una turbina de vapor 4 que impulsa un generador 5 para generar energía eléctrica. La energía eléctrica generada se puede proporcionar a una red eléctrica o también se podría usar para calentar eléctricamente la unidad de reducción directa 1 o suministrar energía eléctrica a otra planta industrial, como una planta de producción de acero. El vapor para la turbina de vapor 4 se produce en un intercambiador de calor 6. El intercambiador de calor puede ser de cualquier tipo adecuado, como un intercambiador de calor de flujo paralelo, de contraflujo o de flujo cruzado. En el intercambiador de calor 6, el calor en el gas de escape caliente de la unidad de reducción directa 1 se transfiere, directa o indirectamente, al medio de trabajo de la turbina de vapor, por ejemplo, agua, para vaporizar el medio de trabajo para producir el vapor.
El gas de escape caliente 14 se enfría en el intercambiador de calor 6 a temperaturas de aproximadamente 100 °C a 150 °C, típicamente alrededor de 120 °C. Dicho gas de escape enfriado se conduce a un dispositivo de limpieza de gases de escape 7 que aplica un procedimiento de limpieza, por ejemplo, un procedimiento de limpieza de depuración en húmedo o depuración en seco como se explica anteriormente, para retirar contaminantes en el gas de escape y para purificar el gas de escape. Los contaminantes gaseosos o sólidos en el gas de escape, distintos de CO2, tales como polvo, SOx, NOx, etc. y otras posibles impurezas traza, se retiran del gas de escape en el dispositivo de limpieza de gases de escape 7.
Corriente abajo del dispositivo de limpieza de gases de escape 7, el gas de escape comprende concentraciones altas de CO2, debido al procedimiento de reducción directa implementado con calentamiento eléctrico, como se explica anteriormente. Las altas concentraciones de CO2 en el gas de escape, típicamente de un 80 a un 90 %, permiten obtener eficazmente el CO2 en una unidad de obtención de CO28. La unidad de obtención de CO28 aplica un procedimiento de captura y almacenamiento de carbono (CAC) (como se explica anteriormente) o mediante separación por membrana, por ejemplo. En la unidad de obtención de CO28, el gas final de CO2 se obtiene a partir del gas de escape.
El calor residual en el vapor corriente abajo o en la sección de baja presión de la turbina de vapor 4 se puede usar de forma ventajosa en la unidad de obtención de CO28 como se indica en la fig. 1. Por ejemplo, el calor residual del vapor se puede usar en un procedimiento de CAC para calentar o respaldar el calentamiento del absorbente enriquecido con CO2 desde la temperatura menor después de la etapa de absorción hasta la temperatura mayor requerida para la regeneración del absorbente y la desorción de CO2 del absorbente.
Con este fin, el vapor de salida de la turbina de vapor 4 se podría conducir a la unidad de obtención de CO28 donde el calor del vapor se podría usar directamente para la etapa de desorción. Sin embargo, el calor en el vapor corriente abajo de la turbina de vapor 4 también se podría transferir a otro medio de trabajo, por ejemplo, en otro intercambiador de calor (no mostrado en la fig. 1). A continuación, el calor de este medio de trabajo se podría usar en la unidad de obtención de CO28.
El gas final de CO2 obtenido en la unidad de obtención de CO28 se puede almacenar en un almacenamiento de CO2 9, por ejemplo, un almacenamiento subterráneo, o se podría usaren otros procedimientos industriales y también se podría licuar antes de otro uso.
Debido a las concentraciones muy altas de CO2 logradas en el gas de escape, es incluso posible usar directamente el gas de escape purificado del dispositivo de limpieza de gases de escape 7 como gas final de CO2, por ejemplo,
en otros procedimientos industriales o para almacenamiento en una unidad de almacenamiento 9. En este caso, se podría omitir la unidad de obtención de CO28.
Cuando el gas de escape comprende agua, también es posible enfriar el gas de escape purificado del dispositivo de limpieza de gases de escape 7, por ejemplo mediante enfriamiento indirecto, con lo que el agua contenida en el gas de escape se condensa y se puede retirar. El gas final de CO2 resultante con un contenido de CO2 de >98 % se puede usar directamente a continuación, por ejemplo, se puede comprimir y/o licuar para otro transporte o uso o se puede almacenar en una unidad de almacenamiento 9. Además, en este caso, se podría omitir una unidad de obtención de CO28 o se podría reemplazar por una unidad de condensación para enfriar el gas de escape.
El gas final de CO2 tiene un contenido de CO2 de al menos un 95 %, hasta un 100 %.
Usando coque de petróleo como material carbonoso en el procedimiento de reducción directa, se podría establecer un ciclo entre la producción y refinado de petróleo y la producción de hierro o acero. El CO2 generado se podría utilizar para producción de petróleo. El coque de petróleo, un subproducto del procedimiento de refinado de petróleo, se podría usar para producir los gránulos autorreductores para el procedimiento de reducción directa. El HRD producido se usa para producción de acero o hierro. La energía eléctrica generada se podría usar en la unidad de reducción directa 1, pero también en plantas de producción o refinado de petróleo o en una planta de producción de acero.
En otro modo de realización ventajoso, el vapor caliente corriente arriba de la turbina de vapor 4 también se puede usar en la unidad de reducción directa 1, como se explica con referencia a la fig. 3.
Parte del vapor caliente (sobrecalentado) producido en el intercambiador de calor 6 se bifurca y conduce a la unidad de reducción directa 1. La parte principal del vapor caliente se puede usar en una turbina de vapor 4 como se explica anteriormente. El vapor bifurcado se usa para generar un flujo direccional en la unidad de reducción directa 1 para purgar el gas de escape. Con este fin, el vapor se alimenta de forma ventajosa a la unidad de reducción directa 1 desde debajo y fluye a través de aberturas en el lecho de reducción 12 (como se indica en la fig. 3), que se puede diseñar como una rejilla. Por lo tanto, el vapor también fluye a través del material 13 en el lecho de reducción 12.
El vapor sirve para tres propósitos. En primer lugar, respalda el procedimiento de reducción, ya que el vapor de agua reacciona con el carbono en el material 13 de acuerdo con la fórmula
H2O C = H2 + CO.
Tanto el H2 como el CO reaccionarán de nuevo con el óxido de hierro, por ejemplo, Fe2O3, en el material 13, lo que da lugar a hierro reducido y los productos de reacción H2O y CO2. En segundo lugar, el calor del vapor respalda el calentamiento de la unidad de reducción directa 1 a la temperatura de reducción. Por lo tanto, se requiere menos calentamiento eléctrico. Y por último, pero no menos importante, el flujo direccional del vapor en la unidad de reducción directa 1 se puede usar para purgar la unidad de reducción directa 1 para retirar el gas de escape caliente de la unidad de reducción directa 1.
Para producir un flujo direccional en la unidad de reducción directa 1 para purgar el CO2, también se pueden usar quemadores de oxígeno-combustible 15 en la unidad de reducción directa 1, como se muestra en la fig. 4. Un quemador de oxígeno-combustible 15 quema combustible, por ejemplo, gas como metano (CH4), usando oxígeno puro, por ejemplo, de acuerdo con la fórmula
CH4 2O2 = CO2 + 2H2O.
Los productos de combustión gaseosos se usan para producir el flujo direccional para purgar la unidad de reducción directa 1. El H2O como producto de reacción de la combustión de oxígeno-combustible también puede respaldar el procedimiento de reducción como se explica anteriormente. Además, el calor generado por la combustión de oxígeno-combustible también respalda el calentamiento de la unidad de reducción directa 1 a las temperaturas de reducción requeridas. Sin embargo, la principal fuente de calor para el procedimiento de reducción directa es todavía el calentamiento eléctrico con el elemento calefactor 11. Típicamente, el quemador de oxígenocombustible 15 proporciona solo un 10 % a un 30 % del calor requerido para calentar la unidad de reducción directa 1.
También se puede combinar el uso de vapor y quemadores de oxígeno-combustible 15 en la unidad de reducción directa 1.
Claims (14)
1. Procedimiento para producir hierro reducido directo, que comprende las etapas de
- tratar la materia prima (13) que comprende material que contiene óxido de hierro y material que contiene material carbonoso en una unidad de reducción directa (1) a una temperatura de reacción elevada entre 1000 °C y 1200 °C durante un periodo de tiempo dado para producir el hierro reducido directo y gas de escape caliente (14), mientras la unidad de reducción directa (1) se calienta a la temperatura de reacción usando calentamiento eléctrico, de modo que el gas de escape caliente (14) comprende un 80 % a un 95 % de dióxido de carbono,
- purificar el gas de escape de constituyentes contaminantes distintos de dióxido de carbono y
- obtener gas final de dióxido de carbono a partir del gas de escape purificado en un procedimiento de captura y almacenamiento de carbono.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además la etapa de uso del calor del gas de escape caliente (14) para producir vapor y usar al menos parte del vapor producido para impulsar una turbina de vapor (4) y un generador eléctrico (5). para producir energía eléctrica.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 y 2, que comprende además la etapa de uso del calor residual del vapor corriente abajo o en la sección de baja presión de la turbina de vapor (4) como fuente de calor para el procedimiento de captura y almacenamiento de carbono.
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que comprende además la etapa de obtención de gas final de dióxido de carbono a partir del gas de escape purificado enfriando el gas de escape purificado para condensar el agua comprendida en el gas de escape y retirando el agua condensada.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 4, que comprende además la etapa de purgado del gas de escape de la unidad de reducción directa (1) con parte del vapor producido.
6. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además la etapa de uso de un quemador de oxígeno-combustible (15) en la unidad de reducción directa (1) para purgar el gas de escape de la unidad de reducción directa (1) con los productos de combustión producidos.
7. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 6, que comprende además la etapa de uso de al menos parte de la energía eléctrica producida para calentar eléctricamente la unidad de reducción directa (1).
8. Planta de reducción directa para producir hierro reducido directo con una unidad de reducción directa (1) en la que la materia prima (13) que comprende material que contiene óxido de hierro y material carbonoso se trata a una temperatura de reacción elevada entre 1000 °C y 1200 °C usando un elemento calefactor eléctrico (11), que se proporciona en la unidad de reducción directa (1) para calentar la unidad de reducción directa (1) a la temperatura de reacción durante un periodo de tiempo dado para producir el hierro reducido directo y gas de escape caliente (14), caracterizada por que se proporciona una unidad de purificación (3), que comprende un dispositivo de limpieza de gases de escape (7) para purificar el gas de escape caliente (14) que comprende un 80 % a un 95 % de dióxido de carbono de constituyentes contaminantes distintos de dióxido de carbono, mientras se proporciona una unidad de obtención de dióxido de carbono (8) en la unidad de purificación (3) que aplica un procedimiento de captura y almacenamiento de carbono para obtener el gas final de dióxido de carbono a partir del gas de escape purificado.
9. Planta de reducción directa de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada por que se proporciona una unidad de producción de electricidad (2) que comprende un intercambiador de calor (6) para producir vapor con el calor del gas de escape caliente y una turbina de vapor (4) y generador eléctrico (5) impulsado por el vapor producido.
10. Planta de reducción directa de acuerdo con la reivindicación 8 y 9, caracterizada por que el calor residual del vapor corriente abajo o en la sección de baja presión de la turbina de vapor (4) se usa como fuente de calor para el procedimiento de captura y almacenamiento de carbono.
11. Planta de reducción directa de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, caracterizada por que en la unidad de purificación (3) se proporciona una unidad de condensación que enfría el gas de escape para condensar agua en el gas de escape y retira el agua condensada del gas de escape para obtener el gas final de dióxido de carbono.
12. Planta de reducción directa de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizada por que parte del vapor producido se alimenta a la unidad de reducción directa (1) para purgar el gas de escape de la unidad de reducción directa (1).
13. Planta de reducción directa de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizada por que en la unidad de reducción directa (1) se dispone un quemador de oxígeno-combustible (15) para quemar combustible con oxígeno puro para producir productos de combustión que se usan para purgar el gas de escape de la unidad de reducción directa (1).
14. Planta de reducción directa de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizada por que al menos parte de la energía eléctrica producida se usa por el elemento calefactor eléctrico (11) para calentar eléctricamente la unidad de reducción directa (1).
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