IT202100026993A1 - "procedimento per il funzionamento di un impianto siderurgico, impianto siderurgico, e procedimento di conversione di un impianto siderurgico" - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell?invenzione industriale dal titolo:
?Procedimento per il funzionamento di un impianto siderurgico, impianto siderurgico, e procedimento di conversione di un impianto siderurgico?
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo dell?invenzione
La presente invenzione riguarda gli impianti siderurgici e l?industria siderurgica in generale.
Tecnica nota e problema tecnico generale
Molti processi industriali contribuiscono significativamente alle emissioni globali di anidride carbonica (CO2), e ? in tal senso ? l?industria siderurgica attualmente si basa su processi di trattamento del minerale di ferro e di produzione di acciaio ad alta intensit? di energia e di carbonio, dunque con impronta carbonica non trascurabile.
Con l'Accordo di Parigi e il consenso quasi globale sulla necessit? di agire sulle emissioni, ? imperativo che ogni settore industriale guardi allo sviluppo di soluzioni per migliorare l'efficienza energetica e diminuire le emissioni di CO2.
L'altoforno ? storicamente (e intrinsecamente) caratterizzato da elevate emissioni di CO2, ma rimane ancora oggi il la tipologia di impianto pi? utilizzata per la produzione dell?acciaio. Questo nonostante i procedimenti alternativi come la fusione dei rottami o la riduzione diretta all'interno di un forno ad arco elettrico.
Il gas che fuoriesce da un altoforno, noto come "top gas", comprende tipicamente una concentrazione di CO2 che va dal 20% al 30% in volume. Inoltre, il gas di altoforno comprende generalmente quantit? considerevoli di N2, CO, H2O e H2. Il contenuto di N2, tuttavia, dipende in gran parte dal fatto che per l'altoforno si usi aria calda o ossigeno puro (nel primo caso ? aria calda ? il tenore i azoto nel top gas sar? molto pi? alto, veduta l?elevata percentuale di azoto nell?aria).
Tradizionalmente, il top gas dell'altoforno era semplicemente rilasciato in atmosfera, ma questo ha comportato per lungo tempo uno spreco energetico e un impatto ambientale non trascurabile.
Soprattutto allo scopo di ridurre la quantit? di coke usato per l?alimentazione dell?altoforno, ? stato suggerito di recuperare il gas di altoforno (top gas), trattarlo per migliorarne il potenziale di riduzione, e iniettarlo nuovamente nell'altoforno per aiutare il processo di riduzione.
Un esempio di impianto siderurgico di tipo noto basato su altoforno ? illustrato in figura 1 e indicato con il numero di riferimento 1.
L?impianto 1 comprende una sezione di alimentazione 2, una sezione di trattamento 4, e una sezione di rilascio prodotti 6. La sezione di rilascio prodotti ? ad ogni modo opzionale, in quanto la predisposizione di essa all?interno dell?impianto 1 dipende dal fatto che la ghisa prodotta sia convertita in acciaio all?interno dell?impianto 1 o meno, dato che la conversione della ghisa pu? essere realizzata fisicamente in un altro luogo, al quale la ghisa prodotta nella sezione di trattamento 4 pu? essere approvvigionata mediante vettori quali i ben noti carri siluro.
La sezione di alimentazione 2 comprende in generale un impianto di agglomerazione e/o pellettizzazione 8, un impianto di produzione di coke (o cokeria) 10, e un impianto di trattamento e alimentazione di pellet/minerale di ferro/fondenti 12.
Ciascuno degli impianti 8, 10, 12 riceve e processa ? per quanto di rispettiva competenza ? materie prime RM in ingresso all?impianto siderurgico 1.
I flussi di materiale provenienti da ciascun impianto 8, 10, 12 sono associati alle lettere A (agglomerato), B (coke), C (pellet minerale e fondente) e confluiscono alla sezione 4 costituendo il materiale di carica per la produzione di ghisa nella sezione 4 stessa. In particolare, la miscela dei flussi di materiale A, B, C alimentata dalla sezione 2 realizza una carica per l?alimentazione di un altoforno 14 (o batteria di altoforni, in funzione delle dimensioni dell?impianto 1). L?altoforno o gli altoforni 14 vengono dunque alimentati con il materiale di carica comprendente l?agglomerato A, il coke B, pi? la miscela di pellet minerale e fondenti C per la produzione di ghisa. L?altoforno o gli altoforni 14 possono anche essere alimentati con iniezione di gas o polverino di carbone alle tubiere (tuyere) o al tino (qui non rappresentato per semplicit?).
Si osservi che eventuali impianti ausiliari normalmente presenti negli impianti siderurgici (parchi materie prime, soffianti, impianti calce, impianti di produzione ossigeno, etc.) non sono rappresentati in figura per semplicit?, in quanto noti.
Il riferimento D designa nel complesso una portata di ghisa di altoforno in uscita dall?altoforno (o dagli altoforni 14). La ghisa D viene inviata ? direttamente all?interno dell?impianto 1 o mediante vettori quali carri siluro - a un impianto di conversione della ghisa 16 configurato per la conversione della ghisa in acciaio mediante riduzione del contenuto di carbonio nella ghisa. Un esempio di tale impianto ? costituito dai comuni convertitori a ossigeno (o acciaierie a ossigeno). Gli altoforni 14 producono contestualmente loppa G, che pu? essere granulata in un eventuale impianto di granulazione 18, trasformandola in loppa vetrificata. Quest?ultimo ? un prodotto di alto valore, in quanto rappresenta un sostitutivo delle materie prime dei cementifici, che possono dunque abbassare le loro emissioni di CO2.
L?acciaio liquido E che risulta come prodotto di uscita dell?acciaieria a ossigeno 16 viene alimentato alla sezione 6 entrando in una colata 20. Il prodotto della colata 20 ? designato dal riferimento F, e comprende bramme costituenti tanto un prodotto finale dell?impianto 1, quanto un prodotto intermedio da sottoporre a lavorazione ulteriore in uno o pi? laminatoi a caldo 22 interni all?impianto 1.
Una centrale elettrica 24 pu? essere accoppiata sia dal punto di vista funzionale, sia dal punto di vista dello scambio di massa con l?impianto 1, secondo modalit? di per s? note. In particolare, i due flussi H (da impianto 1 verso la centrale 24) e I (da centrale 24 a impianto 1) rappresentano, rispettivamente, un flusso di gas siderurgici esportati dall?impianto 1 verso la centrale 24 e una fornitura di energia elettrica esportata dalla centrale elettrica 24 verso l?impianto 1.
In una configurazione di impianto quale quella dell?impianto 1, le emissioni di CO2 sono generalmente quantificabili fra 1800 e 2200 kg di CO2 per tonnellata di prodotto finito (inteso come emissioni SCOPE I, fortemente dipendente dal caso in considerazione). Un altro aspetto di rilevanza ambientale sono le emissioni dirette ed indirette di alcuni composti, come diossine, idrocarburi, SOx: all?interno dell?impianto 1 le fonti principali di emissione di tali composti comprendono gli impianti di agglomerazione 8 e le cokerie 10, entrambi asserviti all?altoforno (o agli altoforni) 14.
Un procedimento noto per la riduzione del contenuto di CO2 nel gas d'altoforno ? quello denominato Pressure Swing Adsorption (PSA) o Vacuum Pressure Swing Adsorption (VPSA). Gli impianti PSA/VPSA producono una prima portata di gas ricco di CO e H2 e una seconda portata di gas ricco di CO2 e H2O. Il primo flusso di gas pu? essere utilizzato come gas di riduzione e reimmesso nell'altoforno: un esempio di implementazione pratica corrisponde al processo ULCOS (Ultra Low CO2 Steelmaking), dove oltre alla prima portata di gas riciclato, carbone polverizzato e ossigeno freddo vengono alimentati nell'altoforno. Questo tipo di forno viene anche chiamato "top gas recycling oxygen blast furnace? (o top gas recycling OBF) ? altoforno a ossigeno. La seconda portata di gas pu? essere rimossa dall'impianto e smaltito dopo l'estrazione del restante potere calorifico: lo smaltimento consiste nel pompare il gas ricco di CO2 in sacche sotterranee per lo stoccaggio. Anche se gli impianti PSA/VPSA permettono una considerevole riduzione del contenuto di CO2 nel gas d'altoforno da circa il 35% in volume a circa il 5% in volume, essi sono molto costosi da acquistare e manutenere, e hanno bisogno di molto spazio.
Un'altra tecnologia sviluppata per ridurre l'impronta carbonica durante la produzione di ferro/acciaio comprende il procedimento di riduzione diretta del minerale di ferro (DRI). Anche se la produzione annuale di ferro a riduzione diretta rimane piccola rispetto alla produzione di ghisa d'altoforno, essa ? davvero molto attraente per le sue emissioni di CO2 che sono dal 40 al 60% pi? basse (processo di riduzione diretta con forno elettrico ad arco - EAF), rispetto all'altoforno basato su ossigeno.
In un forno a tino (shaft furnace) a riduzione diretta, una carica di minerale di ferro pellettizzato o in pezzi viene caricata nella parte superiore del forno e viene fatta scendere, per gravit?, attraverso un gas riducente. Il gas riducente, composto principalmente da idrogeno e monossido di carbonio (syngas), scorre verso l'alto, attraverso il letto di minerale. La riduzione degli ossidi di ferro avviene nella sezione superiore del forno, convenzionalmente a temperature fino a 950?C o pi?. Il prodotto solido, chiamato ferro a riduzione diretta (DRI, Direct Reduced Iron) o ?ferro pre-ridotto? viene tipicamente caricato a caldo nei forni elettrici ad arco, o viene bricchettato a caldo (per formare HBI- Hot Briquetted Iron).
Come noto nella tecnica, il minerale DRI e prodotti simili sono caricati in un altoforno o in un impianto di produzione di acciaio, o in un forno di fusione come un forno ad arco elettrico per produrre ghisa o acciaio.
In un altro approccio volto a ridurre le emissioni di CO2 dell'altoforno, ? stato proposto di introdurre gas riducente caldo, tipicamente syngas (CO e H2) prodotto in un reformer da gas idrocarburi, direttamente nel tino dell'altoforno. Sono state proposte due possibilit?: iniettare il gas riducente caldo attraverso le tubiere o pi? in alto direttamente nel tino dell'altoforno. Quest?ultima ? l?opzione conosciuta come "alimentazione del tino" e implica l'introduzione del gas riducente caldo (syngas) attraverso la parete esterna del forno, sopra la fascia delle tubiere, cio? sopra la sacca (bosh), e preferibilmente all'interno della zona di riduzione solida del gas di ossido ferroso sopra la zona coesiva, generalmente nella zona del camino.
Nonostante l?ampia e documentata disponibilit? di soluzioni tecniche per la riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera e l?efficientamento energetico generale degli impianti siderurgici, nessuna di esse ? ancora risultata offrire una risposta soddisfacente alle esigenze dei produttori di acciaio e ai vincoli sempre pi? stringenti che le normative e/o gli accordi internazionali impongono o imporranno.
Scopo dell?invenzione
Lo scopo dell?invenzione ? di risolverei problemi tecnici precedentemente menzionati. Pi? in dettaglio, lo scopo dell?invenzione ? quello di abbattere ulteriormente le emissioni di anidride carbonica (e di specie inquinanti in generale) in atmosfera associate all?attivit? siderurgica, in particolare l?attivit? siderurgica basata su altoforno, senza richiedere una riprogettazione integrale degli impianti siderurgici esistenti.
Sintesi dell?invenzione
Lo scopo dell?invenzione ? raggiunto dai procedimenti e dall?impianto formanti oggetto delle rivendicazioni che seguono, le quali formano parte integrante dell?insegnamento tecnico qui somministrato in relazione all?invenzione.
Breve descrizione delle figure
L?invenzione sar? ora descritta con riferimento alle figure annesse, provviste a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
- la figura 1, gi? descritta, ? una rappresentazione schematica generale di un impianto siderurgico di tipo noto basato su altoforno
- la figura 2 ? una rappresentazione schematica generale di un impianto siderurgico in base all?invenzione - la figura 3 ? una rappresentazione schematica generale di un procedimento di conversione di impianti siderurgici in base all?invenzione.
- la figura 4 ? una rappresentazione schematica generale di un vantaggioso aspetto dell?impianto siderurgico in base all?invenzione, e
- la figura 5 ? una rappresentazione schematica generale di un ulteriore vantaggioso aspetto dell?impianto siderurgico in base all?invenzione.
Descrizione particolareggiata
Il numero di riferimento 100 in figura 2 indica nel complesso un impianto siderurgico in base a prime forme di esecuzione dell?invenzione. L?impianto 100 condivide la struttura di base con l?impianto 1, motivo per cui la numerazione dei componenti dell?impianto 100 ? identica a quella degli omologhi componenti dell?impianto 1, maggiorata di 100 unit?. Ad ogni modo, l?impianto 100 verr? descritto in modo completo a beneficio di una piena comprensione delle forme di esecuzione dell?invenzione.
L?impianto 100 comprende una sezione di alimentazione 102, una sezione di trattamento 104, e una sezione di rilascio prodotti 106. Tali sezioni possono essere in tutto e per tutto identiche a quelle dell?impianto 1.
La sezione di rilascio prodotti ? ad ogni modo opzionale, in quanto la predisposizione di essa all?interno dell?impianto 1 dipende dal fatto che la ghisa prodotta sia convertita in acciaio all?interno dell?impianto 1 o meno, dato che la conversione della ghisa pu? essere realizzata fisicamente in un altro luogo, al quale la ghisa prodotta nella sezione di trattamento 4 pu? essere approvvigionata mediante vettori quali i ben noti carri siluro.
Di nuovo, eventuali impianti ausiliari normalmente presenti negli impianti siderurgici (parchi materie prime, soffianti, impianti calce, impianti di produzione ossigeno, etc.) non sono rappresentati in figura per semplicit?, in quanto noti.
La sezione di alimentazione 102 comprende in generale un impianto di agglomerazione e/o pellettizzazione 108, un impianto di produzione di coke (o cokeria) 110, e un impianto di trattamento e alimentazione di pellet/minerale di ferro/fondenti 112.
Ciascuno degli impianti 108, 110, 112 riceve e processa ? per quanto di rispettiva competenza ? materie prime RM in ingresso all?impianto siderurgico 100.
I flussi di materiale provenienti da ciascun impianto 108, 110, 112 sono nuovamente associati alle lettere A (agglomerato di minerale di ferro), B (coke), C (pellet di minerale di ferro e fondente/fondenti) e confluiscono alla sezione 104, costituendo il materiale di carica per la produzione di ghisa nella sezione 104.
A differenza dell?impianto 1, in base all?invenzione la sezione 104 comprende - alimentati in parallelo mediante rispettive miscele del materiale di carica (o semplicemente ?carica?) dalla sezione 102 - un altoforno (o batteria di altoforni, in funzione delle dimensioni dell?impianto 100) 114 e un impianto combinato (o complesso di impianti combinati) 115 comprendente un impianto di riduzione diretta (DRI, per la produzione di ferro/acciaio preridotto) 115A e un forno ad arco sommerso 115B (forno SAF / OBF).
Ciascun altoforno 114 ? alimentato con una prima miscela F114 di materiale di carica comprendente agglomerato di minerale di ferro A, coke B e in funzione della disponibilit? e delle condizioni, una quota minoritaria di pellet di minerale di ferro). Come gi? descritto, l?altoforno o gli altoforni 114 possono anche essere alimentati con iniezione di gas o polverino di carbone alle tubiere (tuyere) o al tino (qui non rappresentato per semplicit?).
Ciascun impianto combinato 115 ? alimentato con una seconda miscela di materiale di carica J comprendente pellet di minerale di ferro C, coke B in misura molto inferiore a quello introitato da un altoforno 114, ed ? generalmente priva di minerale di ferro agglomerato A. Una prima frazione J1 della seconda miscela di materiale di carica J ? processata mediante riduzione nell?impianto di riduzione diretta 115A per l?ottenimento di un materiale di carica pre-ridotto J3, e il materiale di carica pre-ridotto J3 ? processato, assieme a una seconda frazione J2 della seconda miscela di materiale di carica J, mediante il forno ad arco sommerso 115B per la produzione di ghisa. La prima frazione J1 e la seconda frazione J2 definiscono la totalit? della seconda miscela di materiale di carica J, e possono avere in generale composizione diversa. La prima frazione J1 di materiale di carica comprende essenzialmente pellet di minerale di ferro (e/o minerale in pezzatura), mentre la seconda frazione J2 comprende coke B e fondenti Il riferimento D designa nuovamente una portata di ghisa di altoforno in uscita dall?altoforno (o dagli altoforni) 114, qui corrispondente a una prima quantit? di ghisa prodotta dall?impianto 100 nella sezione 104.
La ghisa D viene inviata ? direttamente all?interno dell?impianto 100 o mediante vettori quali carri siluro - a un impianto di conversione della ghisa 116 configurato per la conversione della ghisa in acciaio mediante riduzione del contenuto di carbonio nella ghisa. Un esempio di tale impianto ? costituito dai comuni convertitori a ossigeno (o acciaierie a ossigeno). Gli altoforni 114 producono contestualmente loppa G, che pu? essere granulata in un eventuale impianto di granulazione 118, trasformandola in loppa vetrificata.
L?impianto combinato 115 ? invece configurato per produrre ghisa K (una seconda quantit? di ghisa prodotta dall?impianto 100) e loppa L di caratteristiche completamente analoghe a quelle dell?altoforno 114, dunque processabili alla stregua della portata di ghisa D. In base a un vantaggioso aspetto dell?invenzione, questa caratteristica dell?impianto combinato 115 consente di operare una una sostituzione parziale o totale degli altoforni 114 all?interno dell?impianto 1.
Come visibile in figura 2, la ghisa K prodotta dall?impianto combinato 115 viene inviata viene inviata ? direttamente all?interno dell?impianto 100 o mediante vettori quali carri siluro ? all?impianto di conversione della ghisa 116 in maniera del tutto analoga alla ghisa D prodotta dagli altoforni 114.
In maniera similare, la loppa L prodotta dall?impianto combinato 115, ha le stesse caratteristiche della loppa G di altoforno, e pu? essere valorizzata in maniera similare tramite vetrificazione in impianti di granulazione 118.
In maggior dettaglio, l?impianto di riduzione diretta 115A ? configurato per processare la prima frazione J1 della seconda miscela di materiale di carica J mediante riduzione per l?ottenimento di un materiale di carica preridotto J3, mentre il materiale di carica pre-ridotto J3 ? configurato per essere processato mediante il forno ad arco sommerso 115B, assieme alla seconda frazione J2 della seconda miscela di materiale di carica J, per la produzione della ghisa K.
Il funzionamento dell?impianto 115A prevede la riduzione del materiale ferroso esclusivamente tramite reazioni chimiche gas-solido. In altre parole, non ? presente alcuna fase liquida di metallo, n? scoria come in altoforno.
Il gas riducente ? introdotto nel tino dell?impianto 115A a temperature elevate: la composizione di tale gas riducente pu? variare notevolmente in funzione del processo utilizzato (idrogeno, miscela di idrogeno, monossido di carbonio, e metano, altri gas riducenti, etc.).
Dal tino dell?impianto 115A viene prodotto materiale di carica pre-ridotto (o ferro pre-ridotto - DRI) ad alta temperatura, tipicamente 600-700?C, denominato HDRI (hot DRI).
Tale materiale ? sostanzialmente ferro metallico, con una piccola percentuale di ferro wustite, e di ganga (quest?ultima presente nel materiale di carica).
Il ferro pre-ridotto HDRI (J3) viene caricato preferibilmente per gravit? nel forno ad arco sommerso 115B, insieme ad una limitata quantit? di riducente (coke) e di fondenti. Lo scopo di questi ultimi materiali ? quello di:
i) carburizzare la ghisa K in uscita dall?impianto 115 2) ridurre la quantit? di ferro non completamente metallizzato nel ferro pre-ridotto HDRI (J3)
3) ridurre gli elementi della ganga e regolarne la composizione chimica (principalmente la basicit?) per un?ottimale ripartizione tra scoria e bagno metallico.
In alternativa, il ferro pre-ridotto J3 in uscita dall?impianto di riduzione diretta 115A pu? essere caricato nel forno ad arco sommerso 115B mediante sistemi di caricamento meccanici o pneumatici.
L?accoppiamento di un impianto di riduzione diretta 115A e di un forno ad arco sommerso 115B ? dunque in grado di replicare quasi perfettamente il comportamento di di un altoforno, sia dal punto di vista del funzionamento, sia dal punto di vista delle specifiche dei prodotti. Volendo sviluppare un?analogia funzionale, si pu? affermare che il tino dell?impianto di riduzione diretta 115A corrisponda al tino dell?altoforno 114, e che il forno arco sommerso 115B corrisponda al crogiolo dell?altoforno 114.
Si osservi tuttavia che, in base a un vantaggioso aspetto dell?invenzione, l?analogia funzionale fra altoforno 114 e impianto combinato 115 non comporta un?analogia nell?introito di materia prima, e in particolare comporta una netta riduzione dell?introito di materia prima potenzialmente sorgente di inquinamento ambientale. Nello specifico, l?impianto combinato 115 richiede quantit? molto pi? modeste di coke B rispetto all?altoforno 114, con conseguente riduzione dell?impatto ambientale derivante dalle reazioni che interessano il coke.
In base a un altro vantaggioso aspetto dell?invenzione, i moderni forni ad arco sommerso 115B permettono il trattamento e la conversione in prodotti siderurgici di una vasta gamma di sottoprodotti/residui generati dalle altre unit? dell?impianto 1.
Analogamente all?impianto 1, l?acciaio liquido E che risulta come prodotto di uscita dell?impianto di conversione 116 (qui risultante, tuttavia, dalla combinazione delle quantit? di ghisa K e D) viene alimentato alla sezione 106 entrando in una colata 120. Il prodotto della colata 120 ? designato dal riferimento F, e comprende bramme costituenti tanto un prodotto finale dell?impianto 100, quanto un prodotto intermedio da sottoporre a lavorazione ulteriore in uno o pi? laminatoi a caldo 122 interni all?impianto 100. Una centrale elettrica 124 pu? essere accoppiata sia dal punto di vista funzionale, sia dal punto di vista dello scambio di massa con l?impianto 100, secondo modalit? di per s? note. Di nuovo, i due flussi H (da impianto 100 verso la centrale 124) e I (da centrale 124 a impianto 100) rappresentano, rispettivamente, un flusso di gas siderurgici esportati dall?impianto 100 verso la centrale 124 (ad esempio per l?azionamento di turbine collegate a generatori elettrici) e una fornitura di energia elettrica esportata dalla centrale elettrica 124 verso l?impianto 100.
L?impianto 100 in base all?invenzione e il relativo procedimento di funzionamento test? descritto comportano vantaggi ad ampio raggio, sia tecnico, sia ambientale.
Come osservato, la completa analogia di prodotto fra gli altoforni 114 e gli impianti combinati 115 consente una progressiva sostituzione degli altoforni all?interno di un impianto 100 con impianti combinati 115, permettendo dunque la riduzione delle operazioni degli equipaggiamenti maggiormente inquinanti (gli altoforni, per l?appunto) surrogandoli con impianti combinati a pi? basse emissioni. A livello generale, la sostituzione degli altoforni 114 con gli impianti combinati 115 consente una riduzione sostanziale delle emissioni di CO2 in atmosfera.
Ulteriori vantaggi sono ottenuti sul piano operativo, soprattutto rispetto ad altre soluzioni basate sull?utilizzo di forni ad arco elettrico di tipo EAF come descritto nella domanda di brevetto n. 102016000046893. In particolare, possono ravvisarsi per lo meno i seguenti vantaggi tecnici ulteriori:
i) poich? l?acciaio/ferro pre-ridotto ad alta temperatura HDRI viene trattato in un forno ad arco elettrico sommerso (ERF, componente 115B), ? possibile utilizzare pellet convenzionali come carica nell?impianto di produzione DRI. Questo ? un grosso vantaggio rispetto all?utilizzo di forni ad arco elettrico di tipo EAF (o forni ad arco scoperto), che richiedono l?utilizzo di pellet di tipo c.d. ?DR grade?, essenzialmente per limiti tecnologici legati ai materiali refrattari del forno e ai consumi elettrici. I pellet convenzionali sono pi? facilmente reperibili, e sono altres? meno costosi rispetto ai pellet DR grade;
ii) La loppa prodotta dal forno ad arco sommerso 115B nell?impianto combinato 115 ? valorizzabile alla stregua della loppa di altoforno G. Al contrario, la loppa derivante da un forno ad arco elettrico di EAF ha valorizzazione limitata, o addirittura deve essere smaltita. In questo modo l?impianto 1 in base all?invenzione consente di evitare problemi di smaltimento della loppa, risultando ancor meno impattante dal punto di vista ambientale.
iii) Il forno ad arco sommerso 115B ? in grado di valorizzare una certa quantit? di residui interni (riferimento RD, flusso M in figura 2), a differenza di un forno EAF, che risulta invece un produttore netto di residui interni (polveri raccolte, etc), in quanto tendenzialmente non valorizzabili;
iv) la ghisa K prodotta dall?impianto 115 pu? avere caratteristiche totalmente identiche a quelle della ghisa D prodotta dagli altoforni 114. Questo, come osservato, apre alla possibilit? di graduale smantellamento degli altoforni presenti in un impianto siderurgico in concomitanza con il rimpiazzo degli stessi tramite impianti combinati 115. Il tutto senza influenzare il ciclo produttivo dell?impianto o il prodotto finale, facilitando dunque la transizione tecnologica dello stabilimento. In base all?invenzione, vi ? dunque la possibilit? di installare un impianto 115 in parallelo allo spegnimento di parte degli altoforni 114 (il rapporto fra impianti 115 e altoforni 114 rimpiazzati pu? essere in generale variabile, ma in forme di esecuzione preferite tale rapporto di capacit? ? pari a 1:1, ossia un impianto 115 a rimpiazzare un altoforno 114), senza che gli impianti a valle (acciaieria 116, colate 120, etc.) risentano del minimo impatto, n? richiedano arresti o modifiche di sorta. Grazie all?invenzione diventa possibile anche una sostituzione totale degli altoforni 114 senza richiedere impattanti modifiche agli impianti a valle, mantenendo le esatte stesse specifiche del prodotto finale;
v) la ghisa K prodotta dall?impianto 115 si caratterizza per quantit? di carbonio tali da permettere la purificazione dell?acciaio in fasi successive, utilizzando le stesse tecnologie presenti in convenzionali impianti siderurgici quali l?impianto 1;
vi) un impianto in base all?invenzione opera con una maggiore efficacia di conversione del minerale di ferro: la percentuale di ossido di ferro nella scoria dei forni EAF ? tendenzialmente molto maggiore rispetto a quanto avviene in un forno ad arco elettrico sommerso 115B. Questo anche in virt? del fatto che il forno 115B ? in grado di valorizzare una certa quantit? di residui interni come indicato al punto iii) sopra. Ci? significa che per ogni tonnellata di ferro equivalente in ingresso ai due tipi di forno, nel forno EAF viene ?sprecata? una maggiore quantit? di ferro nella scoria.
La figura 3 schematizza un procedimento di conversione di un impianto siderurgico 100 in base all?invenzione evidenziandone la progressiva riduzione dell?introito di materie prime a fronte della medesima produzione di acciaio. La figura 3 comprende, allo scopo, tre sezioni ? A, B, C ? delle quali la prima (3A) corrisponde all?impianto 1 operante solo sulla base di una batteria di altoforni 14, la seconda (3B) corrisponde a un impianto 100 in base all?invenzione, ossia a una condizione in cui esiste una compresenza di altoforni 114 e impianti combinati 115 (intendendo con ci? sia una situazione transitoria in cui l?impianto combinato 115 viene avviato mentre l?altoforno 114 da rimpiazzare ? ancora in funzione, sia una situazione in cui l?impianto combinato 115 ? completamente funzionante e l?altoforno 114 da rimpiazzare ? stato smantellato), la terza una condizione evolutiva finale del procedimento di conversione in base all?invenzione, in cui l?intera batteria di altoforni 114 ? stata soppiantata da una batteria di impianti combinati 115.
Ciascuna figura 3A, 3B, 3C reca un indicatore schematico dell?introito di materia prima all?impianto corrispondente, in cui:
a) C8, C10, C12 sono, rispettivamente, gli introiti di agglomerato di minerale di ferro (tipicamente autoprodotto dall?impianto 1), coke (come per l?agglomerato, tipicamente autoprodotto dall?impianto 1) e pellet di minerale di ferro/fondente dell?impianto 1 (tipicamente non autoprodotto);
b) C108 (tipicamente autoprodotto dall?impianto 100), C110 (come per l?agglomerato, tipicamente autoprodotto dall?impianto 100), C112 (tipicamente non autoprodotto) sono, rispettivamente, gli introiti di agglomerato, coke e pellet/fondente dell?impianto 100. Si pu? facilmente constatare come l?introito di coke e agglomerato scendano sensibilmente con la sostituzione progressiva degli altoforni 14, 114 con gli impianti combinati 115, mentre aumenta l?introito di pellet in quanto essi sostituiscono l?agglomerato di minerale di ferro che alimentava l?altoforno (o gli altoforni) 114 in fase di spegnimento.
Il procedimento di conversione illustrato in figura 3 ? applicabile a qualsiasi impianto siderurgico basato su altoforno, incluso l?impianto 100 oggetto dell?invenzione, comprendente una sezione di alimentazione (come la sezione 102) e una sezione di trattamento (come la sezione 104), in cui la sezione di alimentazione alimenta materiale di carica (A, B, C; 8, 10, 12) alla sezione di trattamento per la produzione di ghisa, e in cui la sezione di trattamento comprendendo almeno un altoforno (14 o 114)
Con riferimento all?evoluzione descritta dalle figure Il procedimento comprende:
- predisporre almeno un impianto combinato 115 includente un impianto di riduzione diretta 115A e un forno ad arco sommerso 115B, l?impianto combinato 115 essendo alimentato mediante una seconda miscela di materiale di carica J, in cui una prima frazione J1 della seconda miscela di materiale di carica J ? processata mediante riduzione nell?impianto di riduzione diretta 115A per l?ottenimento di un materiale di carica pre-ridotto J3, e il materiale di carica pre-ridotto J3 ? processato, assieme a una seconda frazione J2 della seconda miscela di materiale di carica J, mediante il forno ad arco sommerso 115B per la produzione di ghisa K,
- aumentare la quantit? della seconda miscela di materiale di carica J alimentata all?almeno un impianto combinato 115 e, contestualmente, ridurre la quantit? di prima miscela di materiale di carica F114 alimentata all?almeno un altoforno 114,
in cui ridurre la quantit? di prima miscela di materiale di carica (F114) alimentata all?almeno un altoforno 114 comprende arrivare allo spegnimento di almeno un altoforno.
In forme di esecuzione preferite, ridurre la quantit? di prima miscela di materiale di carica alimentato all?almeno un altoforno comprende arrivare allo spegnimento di ciascun altoforno nell?impianto.
Con riferimento alla figura 4, essa illustra un ulteriore vantaggioso aspetto dell?invenzione direttamente applicabile all?impianto 100. La figura 4 illustra una porzione dell?impianto 100 di figura 2 da considerarsi aggiuntiva (sebbene opzionale) rispetto a quanto ivi visualizzato. Le frecce J (seconda miscela di materiale di carica) e D, K (portate/quantit? di ghisa prodotte dall?almeno un altoforno 14 e dall?almeno un impianto combinato 115) indicano la collocazione dei percorsi di flusso corrispondenti nel caso in cui l?impianto 100 incorpori le ulteriori caratteristiche di cui alla figura 4.
? noto che negli impianti di riduzione diretta (DRI) come l?impianto 115A viene utilizzato un gas combustibile per riscaldare e/o riformare il gas riducente che viene iniettato nel tino dell?impianto DRI stesso. Una volta reagito con il materiale di carica alimentato all?impianto di riduzione diretta 115A, il gas riducente esausto non pu? generalmente essere ricircolato interamente come gas di processo (riducente) nell?impianto 115A stesso, sebbene la sua composizione chimica sia decisamente meno povera del normale top gas di altoforno. La frazione di gas riducente esausto (non destinata ad uso come gas di processo nell?impianto 115A stesso, tipicamente chiamata top gas fuel) dell?impianto 115A pu? dunque essere sfruttato come fonte di calore all?interno dell?impianto 100 o ? pi? convenientemente ? in ragione del potere calorifico elevato e della composizione chimica comunque compatibile con l?utilizzo siderurgico, pu? essere sfruttato come precursore di gas riducente per l?altoforno 114.
D?altra parte, a fini puramente termici possono essere utilizzati gas di composizione chimica molto pi? povera, non essendo essa direttamente rilevante ai fini dello scopo in questione.
Per tale ragione, in un impianto 100 in base all?invenzione ? possibile sfruttare la totalit? o una parte del gas denominato top gas fuel prodotto dall?impianto DRI 115A, qui associato al riferimento N, per essere trattato in un impianto di reforming 126 all?interno della sezione 104 (o anche esternamente all?impianto 100), al fine di ottenere un flusso O di gas di sintesi (o syngas) riducente per altoforno, ossia di composizione e temperature compatibili con l?utilizzo nell?altoforno 114. Un gas riducente per altoforno formato a partire da un precursore corrispondente al gas riducente esausto dell?impianto 115A consente un?ulteriore riduzione della quantit? di coke (flusso B ? il coke ? notoriamente un riducente) utilizzato nell? altoforno 114.
Poich? il prelievo della portata N dall?impianto 115 crea un deficit energetico all?interno dell?impianto 115 stesso, tale deficit viene compensato grazie ad una miscela di gas siderurgici P, Q, R (stadio di miscelazione 128) allo scopo di reintegrare il prelievo mediante una portata S avviata all?ingresso dell?impianto 115 congiuntamente alla portata J, tenendo tuttavia presente che la portata J ? ripartita fra l?impianto di riduzione diretta 115A e il forno ad arco sommerso 115B nel modo gi? descritto e visibile in figura 4, mentre la portata S alimenta il solo l?impianto di riduzione diretta 115A. La portata N (modificata poi nella portata O dal trattamento entro l?impianto di reforming 126) ha una composizione chimica di base migliore rispetto alla portata S in vista di un impiego metallurgico in altoforno, e sarebbe dunque molto sottoutilizzata (se non sprecata del tutto) per un uso puramente termico nell?impianto 115, in cui si pu? sfruttare allo scopo la portata S.
Operando in tal modo, la quantit? di gas siderurgici H esportati verso la centrale elettrica 124 diminuisce. Questo significa che sar? necessario aumentare la fornitura elettrica I esportata verso l?impianto 100. Ci? contribuisce ulteriormente alla riduzione dell?impatto ambientale in quanto incentiva l?introito di elettricit? da fonti sostenibili/rinnovabili, diminuendo l?impronta carbonica globale dell?impianto 100.
Un ulteriore vantaggioso aspetto dell?invenzione ? illustrato in figura 5, e riguarda essenzialmente l?impianto combinato 115. In forme di esecuzione preferite ? possibile utilizzare una portata di gas T comprendente prodotti di reazione gassosi del forno ad arco sommerso 115B come gas da carburazione nell?ambito del processo di riduzione diretta che ha luogo nell?impianto 115A, ossia come gas riducente per l?impianto 115A. Preferibilmente la portata di gas T viene iniettato (dopo riscaldamento) nella parte inferiore del tino dell?impianto DRI 115A, oppure integrato negli altri apparecchi dell?impianto DRI 115A stesso.
Il tecnico del ramo apprezzer? che l?impianto 100, il relativo funzionamento e il procedimento di conversione di impianti siderurgici test? descritti consentono raggiungere obiettivi di riduzione delle emissioni inquinanti e dell?introito di materie prime non raggiungibili dalle soluzioni note. Di pi?: questo risultato si accompagna a un ridottissimo ? se non nullo ? impatto sul funzionamento e sull?organizzazione convenzionali degli impianti siderurgici.
Naturalmente, i particolari di realizzazione e le forme di esecuzione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall?ambito della presente invenzione cos? come definita dalle rivendicazioni annesse.
Claims (13)
1. Impianto siderurgico (100) comprendente:
- una sezione di alimentazione (102),
- una sezione di trattamento (104),
la sezione di alimentazione (102) essendo configurata per l?alimentazione di materiale di carica (108, 110, 112; A, B, C) a detta sezione di trattamento (104) per la produzione di ghisa,
in cui detta sezione di trattamento comprende almeno un altoforno (114) e almeno un impianto combinato (115) includente un impianto di riduzione diretta (115A) e un forno ad arco sommerso (115B), ciascun altoforno (114) e ciascun impianto combinato (115) essendo alimentabili mediante, rispettivamente, una prima miscela di materiale di carica (F114) e una seconda miscela di materiale di carica (J, S) per la produzione di ghisa (D, K), e
in cui in ciascun impianto combinato (115) la seconda miscela di materiale di carica (J, S) comprende una prima frazione (J1) configurata per essere processata mediante riduzione in detto impianto di riduzione diretta (115A) per l?ottenimento di un materiale di carica pre-ridotto (J3), e detto materiale di carica pre-ridotto (J3) ? configurato per essere processato, assieme a una seconda frazione (J2) di detta seconda miscela di materiale di carica, mediante detto forno ad arco sommerso (115B) per la produzione di ghisa (K).
2. Impianto siderurgico (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta sezione di trattamento (104) comprende inoltre almeno un impianto di conversione di ghisa (116) configurato per la conversione della ghisa in acciaio mediante riduzione del contenuto di carbonio nella ghisa,
in cui detto almeno un altoforno (114) ? configurato per la produzione di una prima quantit? di ghisa (D), e in cui detto almeno un impianto combinato (115) ? configurato per la produzione di una seconda quantit? di ghisa (K), e in cui detta sezione di trattamento (104) ? configurata per l?alimentazione di detta prima quantit? di ghisa (D) e detta seconda quantit? di ghisa (K) a detto almeno un impianto di conversione di ghisa (116).
3. Impianto siderurgico (100) secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui detto impianto di riduzione diretta (115A) ? configurato per essere alimentato mediante un gas riducente per l?ottenimento di detto materiale di carica pre-ridotto e di un gas riducente esausto (N), in cui detto impianto siderurgico (100) comprende un impianto di reforming (126) configurato per operare un reforming di detto gas riducente esausto (N) per l?ottenimento di un gas di sintesi (O) riducente, e in cui detto almeno un altoforno (114) ? configurato per essere alimentato mediante detto gas di sintesi riducente (O).
4. Impianto siderurgico (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto forno ad arco sommerso (115B) ? configurato per l?emissione di prodotti di reazione gassosi, detti prodotti di reazione gassosi essendo alimentabili a detto impianto di riduzione diretta (115A) definendo detto gas riducente.
5. Procedimento per il funzionamento di un impianto siderurgico (100) comprendente:
- alimentare una prima miscela di materiale di carica (F114) ad almeno un altoforno (114) di detto impianto siderurgico (100) per la produzione di ghisa (D),
- alimentare una seconda miscela di materiale di carica (J, S) ad almeno un impianto combinato (115) di detto impianto siderurgico (100), ciascun impianto combinato comprendendo un impianto di riduzione diretta (115A) e un forno ad arco sommerso (115B) per la produzione di ghisa (K),
in cui detto alimentare una seconda miscela di materiale di carica (J, S) a detto almeno un impianto combinato (115) comprende processare una prima frazione (J1) di detta seconda miscela di materiale di carica (J, S) mediante riduzione in detto impianto di riduzione diretta (115A) per l?ottenimento di un materiale di carica preridotto (J3), e processare detto materiale di carica preridotto (J3), assieme a una seconda frazione (J2) di detta seconda miscela di materiale di carica (J, S), mediante detto forno ad arco sommerso (115B) per la produzione di ghisa (K).
6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui detto almeno un altoforno (114) ? configurato per la produzione di una prima quantit? di ghisa (D), e in cui detto almeno un impianto combinato (115) ? configurato per la produzione di una seconda quantit? di ghisa (K), e
in cui il procedimento comprende inoltre alimentare detta prima quantit? di ghisa (D) e detta seconda quantit? di ghisa (K) ad almeno un impianto di conversione di ghisa (116) configurato per la conversione della ghisa in acciaio mediante riduzione del contenuto di carbonio nella ghisa.
7. Procedimento secondo la rivendicazione 5 o la rivendicazione 6, comprendente inoltre:
- alimentare detto impianto di riduzione diretta (115A) mediante un gas riducente per l?ottenimento di detto materiale di carica pre-ridotto e di un gas riducente esausto (N),
- operare un reforming (126) di detto gas riducente esausto (N) per l?ottenimento di un gas di sintesi riducente (O),
- alimentare detto almeno un altoforno (114) mediante detto gas di sintesi (O) riducente.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 7, comprendente inoltre alimentare una portata di prodotti di reazione gassosi di detto forno ad arco sommerso (115B) a detto impianto di riduzione diretta (115A), definendo detto gas riducente.
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 7, in cui detta prima miscela di materiale di carica comprende agglomerato di minerale di ferro (A), coke (B), e opzionalmente pellet di minerale di ferro (C), e in cui detta seconda miscela di materiale di carica (S, J) comprende coke (B) e pellet di minerale di ferro (C).
10. Procedimento secondo la rivendicazione 9, in cui detta prima frazione (J1, S1) della seconda miscela di materiale di carica (J, S) comprende pellet di minerale di ferro, e in cui detta seconda frazione (J2) della seconda miscela di materiale di carica (J, S) comprende coke e almeno un fondente.
11. Procedimento secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre alimentare una frazione di detto gas riducente esausto (N) a detto almeno un altoforno (114).
12. Procedimento di conversione di un impianto siderurgico (100) comprendente una sezione di alimentazione (102) e una sezione di trattamento (104), la sezione di alimentazione (102) alimentando materiale di carica (108, 110, 112; A, B, C) a detta sezione di trattamento (104) per la produzione di ghisa, detta sezione di trattamento comprendendo almeno un altoforno (114) alimentato mediante una prima miscela di materiale di carica (F114),
il procedimento comprendendo:
- predisporre almeno un impianto combinato (115) includente un impianto di riduzione diretta (115A) e un forno ad arco sommerso (115B), l?impianto combinato (115) essendo alimentato mediante una seconda miscela di materiale di carica (J, S), in cui una prima frazione (J1, S1) di detta seconda miscela di materiale di carica (J, S) ? processata mediante riduzione in detto impianto di riduzione diretta (115A) per l?ottenimento di un materiale di carica pre-ridotto (J3), e il materiale di carica preridotto (J3) ? processato, assieme a una seconda frazione (J2) di detta seconda miscela di materiale di carica (J, S), mediante detto forno ad arco sommerso (115B) per la produzione di ghisa (K),
- aumentare la quantit? di detta seconda miscela di materiale di carica (J) alimentata all?almeno un impianto combinato (115) e ridurre la quantit? di prima miscela di materiale di carica (F114) alimentata a detto almeno un altoforno (114),
in cui detto ridurre la quantit? di prima miscela di materiale di carica (F114) alimentato a detto almeno un altoforno (114) comprende arrivare allo spegnimento di almeno un altoforno.
13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui detto ridurre la quantit? di detta prima miscela di materiale di carica alimentato a detto almeno un altoforno (114) comprende arrivare allo spegnimento di ciascun altoforno (114).
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2021
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