IT201900002089A1 - DIRECT REDUCTION PLANT AND RELATED PROCESS - Google Patents
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Description
IMPIANTO DI RIDUZIONE DIRETTA E RELATIVO PROCESSO DIRECT REDUCTION PLANT AND RELATED PROCESS
Campo dell’invenzione Field of the invention
La presente invenzione si riferisce ad un impianto di riduzione diretta e ad un relativo processo, adatto in particolare per la produzione di ferro metallico mediante riduzione diretta del minerale di ferro utilizzando gas riducente. The present invention relates to a direct reduction plant and to a related process, suitable in particular for the production of metallic iron by direct reduction of the iron ore using reducing gas.
Stato della tecnica State of the art
Gli impianti per la produzione di minerale di ferro ridotto (DRI – Direct Reduced Iron) di tipo noto sono costituiti da un reattore, in cui viene caricato ossido di ferro sotto forma di pellet e/o lump, e da una linea di trattamento e alimentazione di gas riducente atto a ridurre detto ossido di ferro nel reattore. Nella camera di reazione, o reattore, viene iniettato il gas riducente ad alta temperatura. Il gas riducente è introdotto nella parte centrale del reattore, viene fatto risalire in controcorrente attraverso l’ossido di ferro per poi essere estratto, ricondizionato e riciclato. Il gas esausto in uscita dal reattore infatti viene depolverato, privato dai prodotti di reazione (H2O e CO2) e compresso; viene poi mescolato con un make up di gas (gas naturale, COG, gas ottenuto in un riformatore, Corex Gas, Syn Gas etc). Il flusso di gas, definito dalla miscela del nuovo gas di make up e del gas esausto riciclato dopo opportuno trattamento, viene inviato in un’unità di riscaldamento che lo porta alla temperatura richiesta dal processo di riduzione, normalmente oltre 850°C. The plants for the production of reduced iron ore (DRI - Direct Reduced Iron) of known type consist of a reactor, in which iron oxide is loaded in the form of pellets and / or lumps, and a treatment and feeding line of reducing gas adapted to reduce said iron oxide in the reactor. In the reaction chamber, or reactor, the reducing gas is injected at a high temperature. The reducing gas is introduced into the central part of the reactor, it is made to rise in countercurrent through the iron oxide and then be extracted, reconditioned and recycled. The exhaust gas leaving the reactor is in fact dedusted, deprived of the reaction products (H2O and CO2) and compressed; it is then mixed with a gas make up (natural gas, COG, gas obtained in a reformer, Corex Gas, Syn Gas etc). The gas flow, defined by the mixture of the new make-up gas and the recycled exhaust gas after appropriate treatment, is sent to a heating unit which brings it to the temperature required by the reduction process, normally over 850 ° C.
Il flusso di gas riducente riscaldato, nel quale viene iniettato ossigeno con lo scopo di aumentare ancora la sua temperatura, viene infine inviato nel reattore, nel quale, dall’alto, viene introdotto il pellet ossidato da ridurre, mentre all’estremità opposta viene estratto il DRI (prodotto della riduzione) che viene inviato attraverso un sistema di trasporto pneumatico o per gravità o attraverso dei nastri ad un altoforno o a un forno ad arco elettrico o a un convertitore a ossigeno. The heated reducing gas flow, into which oxygen is injected with the aim of further increasing its temperature, is finally sent to the reactor, where, from above, the oxidized pellet to be reduced is introduced, while at the opposite end it is extracted. the DRI (product of reduction) which is sent through a pneumatic conveying system or by gravity or through belts to a blast furnace or an electric arc furnace or an oxygen converter.
Andando più in dettaglio nel processo di riduzione dell’ossido di ferro, l’ossigeno viene rimosso dal minerale di ferro mediante reazioni chimiche con idrogeno e monossido di carbonio, in modo da ottenere DRI con un alto grado di metallizzazione (rapporto tra ferro metallico e ferro totale contenuto nel DRI). Le reazioni di riduzione complessive coinvolte nel processo sono ben note e sono rappresentate di seguito: Going into more detail in the iron oxide reduction process, oxygen is removed from iron ore by chemical reactions with hydrogen and carbon monoxide, in order to obtain DRI with a high degree of metallization (ratio of metallic iron to total iron contained in the DRI). The overall reduction reactions involved in the process are well known and are represented below:
Fe2O3 3H2 -> 2Fe 3H2O (1) Fe2O3 3H2 -> 2Fe 3H2O (1)
Fe2O3 3CO -> 2Fe 3CO2 (2). Fe2O3 3CO -> 2Fe 3CO2 (2).
L’idrogeno e il monossido di carbonio, reagendo con l’ossigeno dell’ossido di ferro, sono trasformati in acqua e anidride carbonica secondo le reazioni (1) e (2). Nel gas esausto in uscita dal reattore sono presenti, oltre ad H2O e CO2, anche H2 e CO non reagiti. Con lo scopo di recuperare questi riducenti il gas esausto viene trattato come sopra descritto. Hydrogen and carbon monoxide, reacting with the oxygen of the iron oxide, are transformed into water and carbon dioxide according to reactions (1) and (2). In the exhaust gas leaving the reactor there are, in addition to H2O and CO2, also unreacted H2 and CO. In order to recover these reducing agents, the exhaust gas is treated as described above.
Nel circuito di riduzione diretta l’utilizzo di un gas di make up contenente una quantità non trascurabile di carbonio (Natural Gas, Coke Oven Gas, Corex Gas, SynGas ecc.) presenta principalmente due svantaggi: In the direct reduction circuit, the use of a make-up gas containing a non-negligible amount of carbon (Natural Gas, Coke Oven Gas, Corex Gas, SynGas etc.) has two main disadvantages:
- emissioni di gas serra (CO2); - greenhouse gas emissions (CO2);
- contenuto di monossido di carbonio (CO) relativamente elevato nel flusso di gas riducente in ingresso al reattore, che può portare a una produzione di fini relativamente alta durante la reazione di riduzione e, a causa dell’aumento di temperatura dovuto alla riduzione con monossido di carbonio, che è esotermica, può aumentare il rischio di generazione di agglomerati che ostacolano il movimento della massa solida. - Relatively high carbon monoxide (CO) content in the reducing gas stream entering the reactor, which can lead to relatively high fines production during the reduction reaction and, due to the temperature rise due to the monoxide reduction carbon, which is exothermic, can increase the risk of generating agglomerates that hinder the movement of the solid mass.
Nello schema di processo tradizionale, le emissioni di CO2 sono ridotte dalla rimozione selettiva di CO2 dal gas esausto riciclato dal reattore (che può essere immagazzinata e utilizzata nell’industria alimentare o per altre applicazioni industriali) e sono costituite principalmente dall’anidride carbonica emessa attraverso il camino del riformatore (dove presente) o dell’unità di riscaldamento del gas di processo. In the traditional process scheme, CO2 emissions are reduced by the selective removal of CO2 from the recycled exhaust gas from the reactor (which can be stored and used in the food industry or for other industrial applications) and consist mainly of carbon dioxide emitted through the chimney of the reformer (where present) or the process gas heating unit.
Rispetto ad altri processi noti di riduzione diretta, il processo sopra descritto, alimentato con gas naturale per promuovere le reazioni di reforming all’interno del reattore di riduzione o alimentato con gas riformato prodotto da un riformatore offline, garantisce comunque un buon rapporto H2/CO nella composizione del gas riducente che viene introdotto nel reattore. Compared to other known direct reduction processes, the process described above, fed with natural gas to promote reforming reactions inside the reduction reactor or fed with reformed gas produced by an offline reformer, still guarantees a good H2 / CO ratio. in the composition of the reducing gas that is introduced into the reactor.
Attualmente un’ulteriore diminuzione delle emissioni di CO2 risulta molto difficile. Inoltre, per garantire l’attuale livello di emissioni, l’impianto di riduzione diretta necessita di una serie di componenti indispensabili, quali il dispositivo di rimozione di anidride carbonica nella linea di recupero e trattamento del gas esausto in uscita dal reattore. Currently a further decrease in CO2 emissions is very difficult. In addition, to ensure the current level of emissions, the direct reduction plant requires a series of indispensable components, such as the carbon dioxide removal device in the exhaust gas recovery and treatment line leaving the reactor.
E’ pertanto sentita l’esigenza di realizzare un impianto di riduzione diretta ed un relativo processo in grado di superare i suddetti inconvenienti. The need is therefore felt to create a direct reduction plant and a related process capable of overcoming the aforementioned drawbacks.
Sommario dell’invenzione Summary of the invention
Uno scopo della presente invenzione è di realizzare un impianto di riduzione diretta, ed un relativo processo, che permettano di ridurre ulteriormente le emissioni di anidride carbonica, vantaggiosamente al di sotto di 40 Nm<3>/tDRI. An object of the present invention is to realize a direct reduction plant, and a related process, which allow to further reduce the carbon dioxide emissions, advantageously below 40 Nm <3> / tDRI.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è di realizzare un impianto di riduzione diretta più semplice dal punto di vista costruttivo e, pertanto, meno costoso. A further object of the present invention is to provide a direct reduction plant which is simpler from the construction point of view and, therefore, less expensive.
La presente invenzione raggiunge almeno uno di tali scopi, ed altri scopi che saranno evidenti alla luce della presente descrizione, mediante un impianto di riduzione diretta di minerale di ferro che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende un circuito provvisto di: The present invention achieves at least one of these objects, and other objects which will be evident in the light of the present description, by means of a direct iron ore reduction plant which, according to claim 1, comprises a circuit provided with:
- un reattore avente una zona di riduzione ed atto ad essere caricato dall’alto con detto minerale di ferro; - a reactor having a reduction zone and able to be loaded from above with said iron ore;
- una sorgente esterna di gas riducente di make up; - an external source of make-up reducing gas;
- una linea di recupero e trattamento, posta a valle del reattore, per recuperare e trattare il gas esausto in uscita dal reattore; - a recovery and treatment line, located downstream of the reactor, to recover and treat the exhaust gas leaving the reactor;
- una linea di trattamento e alimentazione, posta a monte del reattore, per trattare un gas di processo, ottenuto mescolando il gas riducente di make up proveniente dalla sorgente esterna con il gas esausto trattato nella linea di recupero e trattamento, e per alimentare la zona di riduzione del reattore con detto gas di processo; - a treatment and supply line, placed upstream of the reactor, to treat a process gas, obtained by mixing the make-up reducing gas coming from the external source with the exhaust gas treated in the recovery and treatment line, and to feed the area reducing the reactor with said process gas;
in cui la linea di recupero e trattamento comunica a valle con detta linea di trattamento e alimentazione; in which the recovery and treatment line communicates downstream with said treatment and supply line;
ed in cui detta sorgente esterna di gas riducente di make up è una sorgente di idrogeno puro oppure una sorgente di gas con un contenuto di idrogeno almeno pari al 80% in volume. and wherein said external source of make-up reducing gas is a source of pure hydrogen or a source of gas with a hydrogen content of at least 80% by volume.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione è previsto un processo di riduzione diretta, realizzabile mediante il suddetto impianto, che, conformemente alla rivendicazione 10, comprende i seguenti stadi: According to a further aspect of the invention, a direct reduction process is provided, which can be carried out by means of the aforementioned plant, which, according to claim 10, includes the following stages:
a) alimentare il gas di processo nella zona di riduzione del reattore mediante la linea di trattamento e alimentazione; a) feeding the process gas into the reduction zone of the reactor by means of the treatment and feeding line;
b) recuperare e trattare il gas esausto in uscita dal reattore mediante la linea di recupero e trattamento comunicante a valle con detta linea di trattamento e alimentazione; b) recovering and treating the exhaust gas leaving the reactor by means of the recovery and treatment line communicating downstream with said treatment and feeding line;
caratterizzato dal fatto che è prevista nel circuito una alimentazione di idrogeno puro oppure di un gas con un contenuto di idrogeno almeno pari all’80% in volume proveniente da una sorgente esterna. characterized by the fact that a supply of pure hydrogen or a gas with a hydrogen content of at least 80% by volume from an external source is provided in the circuit.
Preferibilmente è previsto un preriscaldamento del gas di processo a monte di una unità di riscaldamento della linea di trattamento e alimentazione mediante un passaggio del gas di processo attraverso almeno uno scambiatore di calore della linea di recupero e trattamento. Preferably, a preheating of the process gas is provided upstream of a heating unit of the treatment and supply line by means of a passage of the process gas through at least one heat exchanger of the recovery and treatment line.
Opzionalmente può essere prevista una iniezione di gas naturale nella linea di trattamento e alimentazione a monte di detto almeno uno scambiatore di calore mediante almeno un dispositivo di iniezione di gas naturale. In alternativa o in aggiunta può essere prevista una iniezione di gas naturale in una zona inferiore, preferibilmente conica, del reattore, posta al di sotto di detta zona di riduzione, mediante almeno un ulteriore dispositivo di iniezione di gas naturale. Optionally, natural gas injection can be provided in the treatment and supply line upstream of said at least one heat exchanger by means of at least one natural gas injection device. Alternatively or in addition, an injection of natural gas can be provided in a lower, preferably conical, zone of the reactor, located below said reduction zone, by means of at least one further natural gas injection device.
L’impianto ed il metodo della presente invenzione permettono di produrre DRI usando una corrente di gas ricco di idrogeno o una corrente di idrogeno puro da alimentare direttamente al circuito di riduzione. L’idrogeno può provenire da qualsiasi sorgente esterna, che utilizza ad esempio il reforming del gas naturale, l’elettrolisi o qualsiasi altro processo in grado di generare un tale tipo di gas. The plant and the method of the present invention allow to produce DRI using a stream of hydrogen-rich gas or a stream of pure hydrogen to be fed directly to the reduction circuit. Hydrogen can come from any external source, which uses for example the reforming of natural gas, electrolysis or any other process capable of generating this type of gas.
Di seguito sono riportati alcuni vantaggi della soluzione della presente invenzione rispetto allo stato della tecnica: Some advantages of the solution of the present invention with respect to the state of the art are reported below:
- non è più necessario prevedere il dispositivo di rimozione, o assorbitore, di anidride carbonica; - it is no longer necessary to provide for the removal device, or absorber, of carbon dioxide;
- non è più necessario prevedere l’umidificatore per aumentare il contenuto di acqua nel gas di processo, per evitare così la deposizione di carbonio all’interno dell’unità di riscaldamento del gas di processo; - it is no longer necessary to provide the humidifier to increase the water content in the process gas, thus avoiding the deposition of carbon inside the process gas heating unit;
- in generale, il deposito di carbonio all’interno dell’unità di riscaldamento è molto limitato se non nullo, non richiedendo quindi fermate dell’impianto per effettuare una pulizia chimica, aumentando di conseguenza l’affidabilità e la disponibilità dell’impianto; - in general, the carbon deposit inside the heating unit is very limited if not zero, thus not requiring plant stops to carry out a chemical cleaning, consequently increasing the reliability and availability of the plant;
- poiché il flusso di gas riducente è idrogeno puro o quasi idrogeno puro, non è richiesta alcuna energia aggiuntiva per promuovere le reazioni di reforming all’interno del reattore, quindi l’iniezione di ossigeno a valle dell’unità di riscaldamento non è necessaria; - since the reducing gas flow is pure hydrogen or almost pure hydrogen, no additional energy is required to promote the reforming reactions inside the reactor, so the injection of oxygen downstream of the heating unit is not necessary;
- poiché il gas di processo risultante ha un contenuto piuttosto basso in CO e CO2, non vi è alcun rischio di metal dusting all’interno dell’unità di riscaldamento del gas di processo, anche senza prevedere precauzioni particolari (come l’adozione di leghe ad alto contenuto di Ni-Cr o l’installazione di sistemi di iniezione di acido solfidrico); - since the resulting process gas has a rather low content of CO and CO2, there is no risk of metal dusting inside the process gas heating unit, even without special precautions (such as the use of alloys high Ni-Cr content or the installation of hydrogen sulphide injection systems);
- poiché il gas di processo risultante ha un contenuto piuttosto basso in CO e CO2, l’acidificazione dell’acqua di processo che viene a contatto con il gas di processo è molto limitata e non richiede materiali costosi sulle linee di ritorno dell’acqua o elevati consumi di agenti chimici per controllare la qualità dell’acqua; - as the resulting process gas has a rather low content of CO and CO2, the acidification of the process water that comes into contact with the process gas is very limited and does not require expensive materials on the water return lines or high consumption of chemical agents to control water quality;
- l’alto grado di riduzione dei minerali di ferro con l’idrogeno, che determina una riduzione della temperatura all’interno del reattore, consente operazioni molto più regolari, quasi prive di rischi di clustering (che è tipico della riduzione con CO e del suo comportamento esotermico, così come dello swelling); - the high degree of reduction of iron ores with hydrogen, which determines a reduction of the temperature inside the reactor, allows much more regular operations, almost without clustering risks (which is typical of reduction with CO and its exothermic behavior, as well as swelling);
- l’introduzione diretta nel circuito di idrogeno puro o gas con elevato contenuto di idrogeno aumenta l’efficienza degli attuali impianti di riduzione diretta a base di gas naturale (come il reattore ZR o il reformer in linea); - the direct introduction into the circuit of pure hydrogen or gas with a high hydrogen content increases the efficiency of the current natural gas-based direct reduction plants (such as the ZR reactor or the in-line reformer);
- viene eliminato il fenomeno di rigonfiamento del pellet all’avvio del reattore, che è peculiare dell’uso di CO come agente riducente, che può causare l’arresto del flusso solido e l’intasamento del reattore stesso. - the swelling phenomenon of the pellets when the reactor is started is eliminated, which is peculiar to the use of CO as a reducing agent, which can cause the solid flow to stop and clogging the reactor itself.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative, ma non esclusive. Further features and advantages of the invention will become more evident in the light of the detailed description of exemplary, but not exclusive, embodiments.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione particolari dell’invenzione. The dependent claims describe particular embodiments of the invention.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
Nella descrizione dell’invenzione si fa riferimento alle tavole di disegno allegate, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui: In the description of the invention, reference is made to the attached drawing tables, provided by way of non-limiting example, in which:
la Figura 1 illustra uno schema di una prima forma di realizzazione di un impianto di riduzione diretta secondo l’invenzione; Figure 1 illustrates a diagram of a first embodiment of a direct reduction plant according to the invention;
la Figura 2 illustra uno schema di una seconda forma di realizzazione di un impianto di riduzione diretta secondo l’invenzione; Figure 2 illustrates a diagram of a second embodiment of a direct reduction plant according to the invention;
la Figura 3 illustra uno schema di una terza forma di realizzazione di un impianto di riduzione diretta secondo l’invenzione. Figure 3 illustrates a diagram of a third embodiment of a direct reduction plant according to the invention.
Descrizione di forme di realizzazione esemplificative dell’invenzione Description of exemplary embodiments of the invention
Con riferimento alle Figure vengono illustrate alcune forme di realizzazione di un impianto di riduzione diretta, oggetto della presente invenzione, comprendenti un circuito provvisto di: With reference to the Figures, some embodiments of a direct reduction plant, object of the present invention, are illustrated, comprising a circuit provided with:
- un reattore 1 avente una zona di riduzione 12 ed atto ad essere caricato dall’alto con minerale di ferro; - a reactor 1 having a reduction area 12 and able to be loaded from above with iron ore;
- una sorgente esterna 20 di gas riducente di make up; - an external source 20 of reducing make-up gas;
- una linea di recupero e trattamento 10, posta a valle del reattore 1, per recuperare e trattare il gas esausto in uscita dal reattore 1; - a recovery and treatment line 10, located downstream of the reactor 1, to recover and treat the exhausted gas leaving the reactor 1;
- una linea di trattamento e alimentazione 11, posta a monte del reattore 1, per trattare una miscela di gas o gas di processo, ottenuto mescolando il gas riducente di make up proveniente dalla sorgente esterna 20 con il gas esausto trattato nella linea di recupero e trattamento 10, e poi alimentare la zona di riduzione 12 del reattore 1 con detto gas di processo. - a treatment and feeding line 11, placed upstream of the reactor 1, to treat a mixture of gas or process gas, obtained by mixing the make-up reducing gas coming from the external source 20 with the exhaust gas treated in the recovery line and treatment 10, and then feeding the reduction zone 12 of the reactor 1 with said process gas.
La linea di recupero e trattamento 10 comunica a valle con la linea di trattamento e alimentazione 11. The recovery and treatment line 10 communicates downstream with the treatment and supply line 11.
Vantaggiosamente in tutte le forme di realizzazione dell’invenzione la sorgente esterna 20 di gas riducente di make up è una sorgente di idrogeno puro (100% in volume) oppure una sorgente di gas con un contenuto di idrogeno almeno pari all’80% in volume, preferibilmente almeno pari ad un valore compreso tra l’85 e il 98% in volume. Advantageously, in all the embodiments of the invention, the external source 20 of make-up reducing gas is a source of pure hydrogen (100% by volume) or a source of gas with a hydrogen content of at least 80% by volume. , preferably at least equal to a value comprised between 85 and 98% by volume.
Nel caso di sorgente di gas con un contenuto di idrogeno almeno pari all’80% in volume, il resto della composizione può comprendere monossido di carbonio, acqua, anidride carbonica, metano, azoto. In the case of a gas source with a hydrogen content of at least 80% by volume, the rest of the composition may include carbon monoxide, water, carbon dioxide, methane, nitrogen.
Solo a titolo esemplificativo una composizione del gas riducente di make up secondo l’invenzione può essere la seguente: By way of example only, a composition of the make-up reducing gas according to the invention can be the following:
idrogeno compreso nel range 92-96%; hydrogen included in the range 92-96%;
monossido di carbonio compreso nel range 1,5-2,5%; carbon monoxide included in the range 1.5-2.5%;
acqua 0,2-0,6%; water 0.2-0.6%;
anidride carbonica 0,0-0,4%; carbon dioxide 0.0-0.4%;
metano 0,3-0,9%; methane 0.3-0.9%;
azoto 2,0-4,0%. nitrogen 2.0-4.0%.
L’utilizzo di questa sorgente esterna permette, oltre a ridurre le emissioni, anche di ridurre il numero dei dispositivi tradizionalmente previsti lungo il circuito, semplificando notevolmente l’impianto di riduzione diretta. The use of this external source allows, in addition to reducing emissions, also to reduce the number of devices traditionally provided along the circuit, greatly simplifying the direct reduction system.
Vantaggiosamente, in tutte le forme di realizzazione dell’invenzione, la linea di trattamento e alimentazione 11 può essere costituita da: Advantageously, in all the embodiments of the invention, the treatment and feeding line 11 can consist of:
- i condotti attraverso i quali il gas di processo, ottenuto mescolando il gas esausto trattato in uscita dal reattore e il gas riducente di make up della sorgente esterna 20, è atto a passare; - the ducts through which the process gas, obtained by mixing the treated exhaust gas leaving the reactor and the make-up reducing gas of the external source 20, is able to pass;
- e almeno una unità di riscaldamento, ad esempio una sola unità di riscaldamento 18. - and at least one heating unit, for example a single heating unit 18.
L’impianto dell’invenzione non prevede alcun dispositivo di iniezione disposto a valle di detta unità di riscaldamento 18 ed atto ad iniettare ossigeno nel flusso di gas riducente, detto dispositivo di iniezione essendo previsto negli impianti di stato della tecnica. The plant of the invention does not provide for any injection device arranged downstream of said heating unit 18 and able to inject oxygen into the reducing gas flow, said injection device being provided in state of the art systems.
Un ulteriore vantaggio dell’impianto dell’invenzione è rappresentato dal fatto che la linea di recupero e trattamento 10 può essere costituita da: A further advantage of the plant of the invention is represented by the fact that the recovery and treatment line 10 can consist of:
- i condotti attraverso i quali il gas esausto, in uscita dal reattore 1, è atto a passare; - the ducts through which the exhausted gas, leaving the reactor 1, is able to pass;
- almeno uno scambiatore di calore 22, ad esempio un solo scambiatore di calore, per raffreddare il gas esausto in uscita dal reattore 1; - at least one heat exchanger 22, for example a single heat exchanger, to cool the exhaust gas leaving the reactor 1;
- almeno una unità di condensazione 36, ad esempio una sola unità di condensazione, disposta a valle di detto almeno uno scambiatore di calore 22, per rimuovere acqua dal gas esausto ottenendo un gas disidratato; - at least one condensing unit 36, for example a single condensing unit, arranged downstream of said at least one heat exchanger 22, to remove water from the exhaust gas obtaining a dehydrated gas;
- e almeno un dispositivo di pompaggio 42, ad esempio un solo dispositivo di pompaggio, per pompare il gas disidratato verso la linea di trattamento e alimentazione 11. - and at least one pumping device 42, for example a single pumping device, for pumping the dehydrated gas towards the treatment and supply line 11.
Pertanto, l’impianto dell’invenzione non prevede alcun dispositivo di rimozione per la rimozione di anidride carbonica che invece risulta necessario negli impianti di stato della tecnica. Therefore, the system of the invention does not provide for any removal device for the removal of carbon dioxide which is instead necessary in state of the art systems.
Opzionalmente un condotto 15 della linea di trattamento e alimentazione 11, atto ad essere attraversato dal gas di processo, attraversa l’almeno uno scambiatore di calore 22 della linea di recupero e trattamento 10 per un preriscaldamento del gas di processo a monte della unità di riscaldamento 18, sfruttando il calore del gas esausto appena uscito dal reattore 1. Optionally, a duct 15 of the treatment and supply line 11, able to be crossed by the process gas, passes through the at least one heat exchanger 22 of the recovery and treatment line 10 for preheating the process gas upstream of the heating unit. 18, exploiting the heat of the exhaust gas just released from reactor 1.
Preferibilmente i condotti della linea di recupero e trattamento 10 comprendono a valle dell’unità di condensazione 36: Preferably the ducts of the recovery and treatment line 10 comprise downstream of the condensing unit 36:
- un condotto di diramazione 34, che collega la linea di recupero e trattamento 10 ai bruciatori dell’unità di riscaldamento 18, e nel quale può essere inviato un primo flusso di gas esausto disidratato come gas combustibile per detti bruciatori; - a branch duct 34, which connects the recovery and treatment line 10 to the burners of the heating unit 18, and in which a first flow of dehydrated exhaust gas can be sent as fuel gas for said burners;
- ed un condotto di diramazione 40, che collega la linea di recupero e trattamento 10 alla linea di trattamento e alimentazione 11 e lungo il quale è disposto il dispositivo di pompaggio 42, e nel quale viene fatto ricircolare un secondo flusso di gas esausto disidratato. - and a branch pipe 40, which connects the recovery and treatment line 10 to the treatment and supply line 11 and along which the pumping device 42 is arranged, and in which a second flow of dehydrated exhaust gas is recirculated.
Lungo il condotto di diramazione 34 è preferibilmente prevista una valvola di controllo di pressione 30. A pressure control valve 30 is preferably provided along the branch duct 34.
L’unità di riscaldamento 18 è alimentata dalla combustione di un appropriato combustibile proveniente da una sorgente 21. Il combustibile può essere gas esausto disidratato, proveniente dal condotto di diramazione 34, oppure idrogeno oppure gas naturale oppure una miscela di questi. The heating unit 18 is powered by the combustion of an appropriate fuel coming from a source 21. The fuel can be dehydrated exhaust gas, coming from the branch duct 34, or hydrogen or natural gas or a mixture of these.
In una prima forma di realizzazione dell’impianto dell’invenzione, illustrata in Figura 1, la sorgente esterna 20 di idrogeno puro oppure la sorgente esterna 20 di gas con un contenuto di idrogeno almeno pari al 80% in volume è collegata, ad esempio direttamente, alla linea di trattamento e alimentazione 11. In a first embodiment of the plant of the invention, illustrated in Figure 1, the external source 20 of pure hydrogen or the external source 20 of gas with a hydrogen content of at least 80% by volume is connected, for example directly , to the treatment and feeding line 11.
In particolare la sorgente esterna 20 è collegata ad un tratto del circuito compreso tra il dispositivo di pompaggio 42 della linea di recupero e trattamento 10 e l’unità di riscaldamento 18 della linea di trattamento e alimentazione 11. In particular, the external source 20 is connected to a section of the circuit between the pumping device 42 of the recovery and treatment line 10 and the heating unit 18 of the treatment and supply line 11.
Lungo il condotto 32, che collega la sorgente esterna 20 alla linea di trattamento e alimentazione 11, è prevista una valvola di controllo di pressione 31. A pressure control valve 31 is provided along the duct 32, which connects the external source 20 to the treatment and supply line 11.
In una seconda forma di realizzazione dell’impianto dell’invenzione, illustrata in Figura 2, la sorgente esterna 20 di idrogeno puro oppure la sorgente esterna 20 di gas con un contenuto di idrogeno almeno pari al 80% in volume è collegata, ad esempio direttamente, alla linea di recupero e trattamento 10. In a second embodiment of the plant of the invention, illustrated in Figure 2, the external source 20 of pure hydrogen or the external source 20 of gas with a hydrogen content of at least 80% by volume is connected, for example directly , to the recovery and treatment line 10.
In particolare la sorgente esterna 20 è collegata ad un tratto del circuito compreso tra l’unità di condensazione 36 ed il dispositivo di pompaggio 42, ad esempio lungo il condotto di diramazione 40. In questo modo il gas riducente di make up può anche essere erogato a bassa pressione dalla sorgente esterna 20, essendo poi compresso dal successivo dispositivo di pompaggio 42. In particular, the external source 20 is connected to a section of the circuit comprised between the condensation unit 36 and the pumping device 42, for example along the branch duct 40. In this way, the make-up reducing gas can also be delivered. at low pressure from the external source 20, being then compressed by the subsequent pumping device 42.
Lungo il condotto 32, che collega la sorgente esterna 20 alla linea di recupero e trattamento 10, sono preferibilmente previsti un ulteriore dispositivo di pompaggio 33 ed una valvola di controllo di pressione 31. Along the duct 32, which connects the external source 20 to the recovery and treatment line 10, a further pumping device 33 and a pressure control valve 31 are preferably provided.
In una terza forma di realizzazione dell’impianto dell’invenzione, illustrata in Figura 3 e simile a quella di Figura 1, lungo il condotto 15 della linea di trattamento e alimentazione 11, attraversato dal gas di processo, può essere previsto almeno un dispositivo di iniezione di gas naturale 19 atto ad iniettare gas naturale a monte dell’unità di riscaldamento 18 oppure, nel caso fosse previsto il preriscaldamento del gas di processo attraverso l’almeno uno scambiatore di calore 22, a monte di detto scambiatore di calore 22. In a third embodiment of the plant of the invention, illustrated in Figure 3 and similar to that of Figure 1, along the duct 15 of the treatment and supply line 11, crossed by the process gas, at least one device can be provided for natural gas injection 19 adapted to inject natural gas upstream of the heating unit 18 or, if the process gas is pre-heated through the at least one heat exchanger 22, upstream of said heat exchanger 22.
Una variante di detta terza forma di realizzazione prevede, in alternativa o in aggiunta al dispositivo di iniezione di gas naturale 19, almeno un dispositivo di iniezione di gas naturale 17, atto ad iniettare gas naturale direttamente nella zona inferiore 14, preferibilmente conica, del reattore 1, posta al di sotto della zona di riduzione 12. Tutte le varianti di questa terza forma di realizzazione permettono di regolare il contenuto di carbonio del DRI. A variant of said third embodiment provides, alternatively or in addition to the natural gas injection device 19, at least one natural gas injection device 17, suitable for injecting natural gas directly into the lower, preferably conical, zone 14 of the reactor 1, located below the reduction zone 12. All the variants of this third embodiment allow to regulate the carbon content of the DRI.
Anche in questa terza forma di realizzazione la sorgente esterna 20 può essere collegata, ad esempio direttamente, alla linea di trattamento e alimentazione 11 (Figura 3) oppure alla linea di recupero e trattamento 10, come in Figura 2. Also in this third embodiment the external source 20 can be connected, for example directly, to the treatment and supply line 11 (Figure 3) or to the recovery and treatment line 10, as in Figure 2.
Per quanto riguarda il processo di riduzione diretta eseguibile mediante l’impianto dell’invenzione, l’alimentazione di idrogeno puro oppure di un gas con un contenuto di idrogeno almeno pari al 80% in volume è prevista nella linea di trattamento e alimentazione 11 oppure nella linea di linea di recupero e trattamento 10. As regards the direct reduction process that can be carried out by the plant of the invention, the feeding of pure hydrogen or of a gas with a hydrogen content of at least 80% by volume is provided in the treatment and feeding line 11 or in the line of recovery and treatment line 10.
Nel caso di sorgente esterna 20 collegata alla linea di trattamento e alimentazione 11, detta alimentazione avviene in un tratto compreso tra un dispositivo di pompaggio 42 della linea di recupero e trattamento 10 e l’unità di riscaldamento 18 della linea di trattamento e alimentazione 11. In the case of an external source 20 connected to the treatment and supply line 11, said power supply occurs in a section between a pumping device 42 of the recovery and treatment line 10 and the heating unit 18 of the treatment and supply line 11.
Nel caso di sorgente esterna 20 collegata alla linea di recupero e trattamento 10, detta alimentazione avviene in un tratto compreso tra l’unità di condensazione 36 ed il dispositivo di pompaggio 42 della linea di recupero e trattamento 10. In the case of an external source 20 connected to the recovery and treatment line 10, said power supply occurs in a section between the condensation unit 36 and the pumping device 42 of the recovery and treatment line 10.
Di seguito viene descritto un esempio di processo, a regime, di riduzione diretta di minerale di ferro, eseguito mediante l’impianto dell’invenzione appena descritto. Il gas esausto in uscita dal reattore 1, preferibilmente ad una temperatura nell’intervallo da circa 250°C a circa 450°C, viene incanalato in un condotto 50 della linea di recupero e trattamento 10 che lo conduce allo scambiatore di calore 22 per un suo raffreddamento. Below is an example of a steady-state process of direct reduction of iron ore, performed by means of the plant of the invention just described. The exhaust gas leaving the reactor 1, preferably at a temperature in the range from about 250 ° C to about 450 ° C, is channeled into a duct 50 of the recovery and treatment line 10 which leads it to the heat exchanger 22 for a its cooling.
Una volta raffreddato il gas esausto fluisce attraverso un condotto 24 verso l’unità di condensazione 36 per rimuovere acqua ottenendo un gas disidratato. Once cooled, the exhaust gas flows through a duct 24 towards the condensation unit 36 to remove water obtaining a dehydrated gas.
Dopo il raffreddamento e la disidratazione, il gas esausto disidratato viene diviso nei due condotti di diramazione 34, 40. After cooling and dehydration, the dehydrated exhaust gas is divided into the two branch ducts 34, 40.
Una porzione minore di gas esausto disidratato fluisce attraverso il condotto 34, avente una valvola di controllo della pressione 30 attraverso la quale una parte di gas può essere spurgato dal circuito per l’eliminazione di accumuli indesiderati di gas inerti. La porzione maggiore del gas esausto disidratato fluisce invece attraverso il condotto 40. A minor portion of dehydrated exhaust gas flows through the duct 34, having a pressure control valve 30 through which a part of gas can be purged from the circuit for the elimination of unwanted accumulations of inert gases. The major portion of the dehydrated exhaust gas instead flows through the duct 40.
Con riferimento alle forme di realizzazione di Figura 1 e di Figura 3, il gas esausto disidratato che fluisce nel condotto 40 è spinto da un dispositivo di pompaggio 42, che può essere un compressore o una soffiante, al fine di riciclare tale porzione di gas esausto disidratato per condurlo nuovamente al reattore 1. A valle del dispositivo di pompaggio 42, il gas esausto disidratato scorre attraverso il condotto 44 e quindi viene miscelato con il gas riducente di make-up proveniente dalla sorgente esterna 20 nella linea di trattamento e alimentazione 11. With reference to the embodiments of Figure 1 and Figure 3, the dehydrated exhaust gas flowing in the duct 40 is pushed by a pumping device 42, which can be a compressor or a blower, in order to recycle this portion of exhausted gas dehydrated to lead it back to reactor 1. Downstream of the pumping device 42, the dehydrated exhaust gas flows through the conduit 44 and is then mixed with the make-up reducing gas coming from the external source 20 in the treatment and supply line 11.
Invece, con riferimento alla seconda forma di realizzazione di Figura 2, il gas esausto disidratato che fluisce nel condotto 40 è qui miscelato con il gas riducente di make-up proveniente dalla sorgente esterna 20. La miscela di gas così ottenuta, che definisce il gas di processo, è spinta dal dispositivo di pompaggio 42, che può essere un compressore o una soffiante, al fine di immetterla nel condotto 15 della linea di trattamento e alimentazione 11. Instead, with reference to the second embodiment of Figure 2, the dehydrated exhaust gas flowing in the duct 40 is here mixed with the make-up reducing gas coming from the external source 20. The gas mixture thus obtained, which defines the gas process, is pushed by the pumping device 42, which can be a compressor or a blower, in order to introduce it into the duct 15 of the treatment and supply line 11.
In tutte le forme di realizzazione la miscela di gas continua a scorrere lungo il condotto 15 dove viene preferibilmente sottoposta ad un preriscaldamento, potendo il condotto 15 attraversare con un suo tratto lo scambiatore di calore 22 della linea di recupero e trattamento 10. In all the embodiments, the gas mixture continues to flow along the duct 15 where it is preferably subjected to a preheating, since the duct 15 can pass through the heat exchanger 22 of the recovery and treatment line 10 with one of its sections.
In ogni caso detta miscela di gas, con o senza questo preriscaldamento, attraversa tutto il condotto 15 fino ad arrivare all’unità di riscaldamento 18 dove raggiunge una temperatura di circa 900-960°C. In any case, said gas mixture, with or without this preheating, passes through the entire duct 15 until it reaches the heating unit 18 where it reaches a temperature of about 900-960 ° C.
A valle dell’unità di riscaldamento 18, il gas riducente così ottenuto scorre attraverso il condotto 16 fino a giungere all’interno del reattore 1. Downstream of the heating unit 18, the reducing gas thus obtained flows through the duct 16 until it reaches the inside of the reactor 1.
Il minerale di ossido di ferro in forma di lump o pellet viene alimentato dall’alto nella zona di riduzione 12 del reattore 1, reagisce con il gas caldo riducente che scorre controcorrente rispetto ad esso, e viene infine scaricato come Hot DRI. Opzionalmente il minerale di ossido di ferro ha una pezzatura di circa 2,5-19 mm; preferibilmente circa 3,5-15 mm. The iron oxide ore in the form of a lump or pellet is fed from above into the reduction area 12 of reactor 1, reacts with the hot reducing gas that flows counter-current with respect to it, and is finally discharged as Hot DRI. Optionally, the iron oxide ore has a size of about 2.5-19 mm; preferably about 3.5-15 mm.
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