ITMI20000607A1

ITMI20000607A1 - Reattore a gas e ossigeno e metodo per la produzione di elementi riducenti

Info

Publication number: ITMI20000607A1
Application number: IT2000MI000607A
Authority: IT
Inventors: Alfredo Poloni; Milorad Pavlicevic; Alessandra Primavera; Ljuban Milic
Original assignee: Danieli Off Mecc
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2001-09-23
Also published as: IT1317143B1; ITMI20000607A0; EP1136443A1

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

“Reattore a gas e ossigeno e metodo per la produzione di elementi riducenti“

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce a un reattore per la produzione di gas riducente, in particolare per la riduzione diretta di minerali di ferro e ad un metodo per la produzione di elementi riducenti, in particolare per la riduzione di minerali di ferro.

Stato della tecnica

Reattori del tipo a combustione di gas sono generalmente usati nella industria metallurgica per l’estrazione di ferro da minerali di ferro o nell'industria chimica per la produzione di idrogeno molecolare, recuperandolo dai prodotti dell’operazione di riduzione.

Dal brevetto US-A-4425159 sono noti reattori a combustione di gas comprendenti una camera di combustione nella quale viene bruciata una miscela di idrocarburi, in presenza di ossigeno e di un gas di raffreddamento, contenente anidride carbonica e/o vapore acqueo. Dalla combustione di questa miscela che avviene nella camera di combustione a temperature comprese tra i 1200 e i 1400°C, si produce una miscela gassosa chimicamente riducente.

Tali noti reattori presentano tuttavia alcuni svantaggi che non sempre ne rendono economico l'impiego. Un primo svantaggio è relativo alla temperatura alla quale avviene la combustione che deve essere compresa tra i 1200°C e i 1400°C; ciò contribuisce a ridurre la vita operativa del reattore stesso. Inoltre in molte applicazioni metallurgiche, come la riduzione di minerali di ferro è desiderabile lavorare con gas a temperature che non superano i 1000-1 100°C, ciò per evitare i problemi di “sticking”, ovvero parziale attaccamento dei pellets.

Un secondo svantaggio è causato dalla totale assenza o insufficiente implementazione di un sistema di premiscelamento della miscela di gas. Ciò provoca un aumento di formazione di fuliggine che implica un aumento del consumo di carburante e un aumento dei costi per la depurazione dei gas combusti.

Un terzo svantaggio di tali noti reattori è causato dalla necessità di usare un catalizzatore a base di Ni per migliorare la produzione di gas riducente.

Riassunto dell’invenzione

Uno scopo primario della presente invenzione è pertanto quello di superare gli inconvenienti sopra lamentati che presentano detti noti reattori realizzando un reattore a combustione di gas per la produzione di gas riducente di tipo nuovo e che presenti un maggiore rendimento.

E’ oggetto particolare della presente invenzione di prevedere un reattore che preveda un trasporto affidabile di tutti i componenti la miscela di gas di combustione.

E' un ulteriore scopo della presente invenzione ridurre in modo sostanziale la produzione di prodotti indesiderabili della combustione ed evitare cosi costose operazioni di filtrazione.

Un altro oggetto della presente invenzione è quello di eliminare la necessità di aumentare il potenziale energetico del reattore mediante innalzamento della pressione, permettendo così di operare ad una pressione più bassa.

Questi scopi sono raggiunti da un reattore a gas e ossigeno comprendente una prima camera di combustione, primi e secondi passaggi di alimentazione di detta prima camera atti a far affluire rispettivamente una prima miscela gassosa formata da comburente e ossigeno e una seconda miscela gassosa composta da un comburente e una miscela di gas ossidante, caratterizzato dal fatto di prevedere una seconda camera di combustione disposta tra detti primi passaggi di alimentazione e detta prima camera di combustione, detta seconda camera essendo provvista di mezzi di accensione di detta prima miscela gassosa durante il funzionamento del reattore.

La disposizione che prevede la seconda camera di pre-miscelazione e pre-combustione del gas naturale con l'ossigeno garantisce condizioni ottimali di miscelazione ed una temperatura del gas che arriva nella prima camera di combustione tale da eliminare la necessità di usare un catalizzatore a valle del reattore. Vengono ridotte inoltre le emissioni di gas indesiderato e inquinanti e di fuliggine.

Secondo un aspetto particolare dell'invenzione, è previsto anche un metodo per la produzione di composti riducenti con il reattore di cui sopra comprendente le seguenti fasi:

a) alimentazione de! reattore con una prima aliquota di gas comburente e con ossigeno

b) formazione di una prima miscela in una prima zona di miscelazione c) alimentazione concomitante del reattore con una seconda aliquota di gas comburente di tipo idrocarburico e con gas ossidante

d) miscelazione in una seconda zona di miscelazione, distinta dalla prima, di detta seconda aliquota di gas comburente con il gas ossidante per formare una seconda miscela,

e) combustione di detta prima miscela in detta prima zona di miscelazione, fungente da prima camera di combustione, con produzione di una terza miscela di gas.

f) immissione di detta terza miscela in una seconda camera di combustione

g) immissione di detta seconda miscela in detta seconda camera di combustione,

h) miscelazione di dette seconda e terza miscele,

i) combustione di dette seconda e terza miscele per formare un gas riducente.

Secondo un ulteriore aspetto particolare dell'invenzione, è previsto anche una composizione riducente prodotta con il metodo di cui sopra caratterizzata dalla seguente composizione: da 55 a 70% di H2, da 25 a 35% di CO, da 1 a 8% di H20, da 1 a 3,5% di C02, da 0,2 a 1% di CH4. Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un reattore illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio della unita tavola di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una vista in sezione su un piano passante per l'asse longitudinale del reattore conforme all’invenzione.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell'invenzione

Con riferimento alla Figura citata, un reattore secondo il trovato, indicato globalmente con il riferimento 1, prevede una struttura principale sostanzialmente a forma di cilindro allungato di asse X-X, che comprende alcune camere cilindriche 2, 3, 4, 5, 6 disposte coassialmente all’asse comune X-X e nelle quali affluiscono rispettivamente i diversi componenti gassosi della miscela di combustione.

La camera 2, che viene alimentata con gas naturale G attraverso l’apertura 7, è provvista di una serie di aperture o ugelli di scarico che la fanno comunicare con la camera di combustione 4 dove sono anche previsti mezzi di accensione non illustrati nella Figura, quali una fiamma pilota. Anche un sistema di preriscaldamento di uno o dei due gas può essere opportunamente utilizzato. In questa camera 4 avviene la miscelazione con l’ossigeno Ox che viene fatto affluire attraverso l’apertura 9, il condotto o camera 6 e le aperture 8’.

Nella camera di miscelazione 3 viene immesso altro gas G e il gas ossidante S, che passano rispettivamente attraverso le aperture 10 e 11. Sia la camera di combustione 4 che la camera di miscelazione 3 comunicano, attraverso l’apertura comune 12, con la camera di combustione principale 5 dove avviene la reazione finale con combustione provocata dall’accenditore 13 e produzione di miscela riducente M.

Benché la disposizione concentrica delle camere 2, 3, 4, 5, 6, di forma cilindrica, rappresentata nella Figura 1, sia tra quelle più funzionali e compatte, è inteso che sia la disposizione reciproca delle camere, sia la loro forma, possono essere variate a seconda dei bisogni e delle necessità di impiego dello spazio dove viene usato il reattore 1.

Le varie fasi della reazione che avviene nel reattore sono qui di seguito descritte in dettaglio.

L'ossigeno, che può essere immesso nel reattore con vari gradi di purezza, variabili dal 95% all’ossigeno metallurgico 02, attraverso il condotto 6, si mescola la miscela da bruciare, di natura idrocarburica sotto forma di gas. La miscela è ad esempio gas naturale, preferibilmente metano (CH4), ma anche altri gas idrocarburici possono anche essere utilizzati, e nella prima camera di combustione 4 avvengono le reazioni seguenti:

Queste reazioni vengono effettuate con un rapporto in volume di gas naturale/ossigeno che può variare da 0,5 a 2.

La composizione del gas combusto varia in funzione della percentuale di gas naturale G immesso nella camera 4. Nella Tavola 1, riportata qui di seguito, sono date le tendenze della composizione di gas prodotto nella camera 4 per diverse condizioni stechiometriche.

Nella camera di miscelazione 3 viene immesso allo stesso tempo gas naturale insieme ad un ossidante per effettuarne la miscelazione. Come ossidante si può vantaggiosamente usare vapore d’acqua, gas esausti o di riciclaggio ricchi di C02 e H20, ecc. Questa prima miscela, che raggiunge un alto grado di miscelazione, ha come funzione principale quella di controllare la temperatura della miscela finale M che si produce nella camera 5 oltre che il reforming termico del gas naturale mediante C02 e H20. Questo avviene con il passaggio nella camera 5 della miscela, prodotta nella camera di miscelazione 3, e dei gas combusti, prodotti nella camera di combustione 4. In detta camera 5 tali gas si mescolano e si effettua la loro combustione. Così si produce una reazione di reforming tipico dal quale si ricavano una serie di prodotti.

Le reazioni endotermiche prodotte nella camera 5 sono qui di seguito riportate:

Le condizioni sperimentali relative al rapporto tra ossidante e agente riducente, ossia al rapporto (C02 + H20)/CH4 sono scelte in modo tale da impedire il cracking del gas naturale, ovvero che avvenga la reazione (CH4 C 2H2).

Conformemente all'invenzione, si ottiene così un gas riducente M nel quale la presenza di fuliggine non è significativa. La trascurabile fuliggine che eventualmente si forma viene inoltre gassificata grazie alle reazioni seguenti:

che vengono molto favorite dalle alte temperature, superiori a 1000°C.

Il gas riducente finale M prodotto nella camera 5 presenta la composi¬

Come si vede la presenza di componenti riducenti nel gas M supera l'89%, il che lo rende particolarmente adatto alla riduzione di minerali ferrosi. Questo elevato rendimento nella produzione di componenti riducenti è dovuto alle particolari caratteristiche costruttive del reattore conforme all'invenzione. Il prevedere una camera 4 di pre-combustione per il gas naturale fa salire la temperatura più gradualmente e si ottiene una migliore miscelazione dell'ossigeno con il gas naturale. L’immissione successiva di questo prodotto, insieme alla miscela ottenuta nella camera 3, nella camera di combustione 5 principale nella quale si realizzano le reazioni endotermiche di reforming fa sì che tra l’altro in questa camera la temperatura del gas combusto rimane nell'intervallo tra 900 e 1100°C. Qui di seguito viene riportato a titolo di Esempio i dati relativi ad una situazione vantaggiosa di funzionamento del reattore:

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Reattore (1) a gas e ossigeno comprendente una prima camera di combustione (5), primi (2, 6) e secondi (3) passaggi di alimentazione di detta prima camera (5) atti a far affluire rispettivamente una prima miscela gassosa formata da comburente (G) e ossigeno (O) e una seconda miscela gassosa composta da un comburente (G) e una miscela di gas ossidante (S) caratterizzato dal fatto di prevedere una seconda camera (4) di combustione disposta tra detti primi passaggi di alimentazione (2, 6) e detta prima camera (5), detta seconda camera (4) essendo provvista di mezzi di accensione di detta prima miscela gassosa durante il funzionamento del reattore.
2. Reattore secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detti primi passaggi di alimentazione comprendono due condotti (2, 6) coassiali imboccanti in detta seconda camera (4).
3. Reattore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti secondi passaggi (3) di alimentazione formano una terza camera circondante coassialmente, detta seconda camera (4).
4. Reattore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette prima (5) e seconda (4) camere sono di forma sostanzialmente cilindrica e disposte coassialmente l'una successivamente all'altra.
5. Reattore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta prima (5) camera comprende secondi mezzi di accensione (13) del gas contenuto in detta camera.
6. Metodo per la produzione di composti riducenti con il reattore come da rivendicazioni da 1 a 5 comprendente le seguenti fasi: a) alimentazione del reattore con una prima aliquota di gas comburente di tipo idrocarburico e con ossigeno b) formazione di una prima miscela in una prima zona di miscelazione (4) c) alimentazione concomitante del reattore con una seconda aliquota di gas comburente e con gas ossidante d) miscelazione in una seconda zona di miscelazione (3), distinta dalla prima, di detta seconda aliquota di gas comburente con il gas ossidante per formare una seconda miscela, e) combustione di detta prima miscela in detta prima zona di miscelazione (4), fungente da prima camera di combustione, con produzione di una terza miscela di gas. f) immissione di detta terza miscela in una seconda camera di combustione (5) g) immissione di detta seconda miscela in detta seconda camera di combustione (5), h) miscelazione di dette seconda e terza miscele, i) combustione di dette seconda e terza miscele per formare un gas riducente.
7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto di immettere detto gas comburente nel reattore a temperatura inferiore alla temperatura in cui si innescano reazioni di cracking, funzionalmente al tipo di comburente utilizzato
8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di immettere detto gas comburente nel reattore a temperatura compresa tra la temperatura ambiente e 600°C.
9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di immettere detto gas comburente nel reattore a temperatura compresa nell'intervallo tra 200 e 400C .
10. Metodo secondo una più delle rivendicazioni da 6 a 9, caratterizzato dal fatto di immettere nel reattore detta prima aliquota di gas comburente e l’ossigeno con un rapporto stechiometrico variabile tra 2 e 0,5.
11. Metodo secondo una più delle rivendicazioni da 6 a 10, caratterizzato dal fatto che detto gas comburente è gas naturale.
12. Metodo secondo una più delle rivendicazioni da 6 a 11, caratterizzato dal fatto che detto gas comburente è metano.
13. Metodo secondo una più delle rivendicazioni da 6 a 12, caratterizzato dal fatto di usare detto gas riducente per la riduzione di minerali di ferro.
14. Composizione riducente prodotta con il metodo delle rivendicazioni da 6 a 13, caratterizzata dalla seguente composizione percentuale in volume da 55 a 70% di H2, da 25 a 35% di CO, da 1 a 8% di HzO, da 1 a 3,5% di C02, da 0,2 a 1% di CH4
15. Uso della composizione secondo la rivendicazione 14 per la riduzione di minerali di ferro.