ITUD980213A1

ITUD980213A1 - Forno per la riduzione diretta di ossidi di ferro

Info

Publication number: ITUD980213A1
Application number: IT000213A
Authority: IT
Inventors: Gianpietro Benedetti; Henry Bueno; David Rabascall
Original assignee: Danieli Off Mecc
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2000-06-11
Also published as: US6162050A; IT1302812B1; WO2000036155A1; AU1291200A; AR021612A1

Description

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un forno per la produzione di ferro, metallico mediante riduzione diretta a partire da minerale di ferro, .in -cui il ferro è presente in forma di ossidi. Il forno è di tipo gravitazionale ed è provvisto di un'apertura superiore dalla quale viene introdotto il minerale di ferro, grezzo o sotto forma di pellets, e di un'uscita inferiore dalla quale viene estratto il ferro ridotto direttamente (DRI). Almeno un'apertura laterale è prevista nel forno per introdurre gas riducente. L'uscita inferiore del forno è di tipo multiplo per favorire lo scarico selettivo e contemporaneo di più tipologie di prodotto, ovvero sia freddo che caldo, in modo che possa essere successivamente stoccato, inviato in un forno fusorio per produrre l'acciaio liquido, oppure convertito in ferro bricchettato a caldo (HBI).

STATO DELLA TECNICA

Sono noti forni per processi di riduzione diretta in cui si utilizza iniezione di idrocarburi nella corrente di gas riducente per consentire la reazione di riformazione o "reforming" del metano nel forno con la H2O e CO2 presente nel gas; sono anche noti forni per processi di riduzione diretta in cui si utilizza l'iniezione di idrocarburi aventi C>5 direttamente nel forno nella zona compresa tra <">l'iniezione del gas riducente e 1'uscita dall'alto del gas esausto. ·

Dai seguenti documenti brevettuali sono noti altri diversi tipi di forno per processi per la riduzione diretta del minerale di ferro:

Sono altresì noti forni di tipo gravitazionale o "shaft", avente un flusso verticale e gravitazionale del materiale, inviato successivamente, con un sistema chiuso di trasporto pneumatico in atmosfera inerte, al. forno di fusione.

Alla Richiedente non sono noti forni per la produzione di ferro metallico mediante riduzione diretta, provvisti di un 'uscita multipla o a stella ( " star outlet" ) che possa favorire lo scarico contemporaneo ma differenziato di più tipologie di prodotto.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il forno per produrre ferro metallico dalla riduzione diretta di ossidi di ferro, di cui al presente trovato, è espresso e caratterizzato nella rivendicazione principale.

Altri aspetti innovativi del presente trovato sono <•>espressi nelle rivendicazioni secondarie.

Il forno secondo il presente trovato è di tipo gravitazionale <’>o " shaft" in cui l ' alimentazione e del materiale e del gas avviene in continuo , af f inché si crei un f lusso vert ical e e gravitazionale del materiale ed avvenga la riduzione diretta del minerale , il materiale può essere scaricato dal reattore freddo o preferibilmente caldo per essere inviato successivamente in un forno fusorio oppure affinché possa essere convertito in ferro bricchettato a caldo (HBI) o raffreddato e convertito in ferro di riduzione diretta (DRI) .

Il forno di riduzione è dotato di mezzi di alimentazione del minerale di ferro e di mezzi per l ' evacuazione del ferro metallico ridotto ed è dotato di almeno un collettore di ingresso, disposto lateralmente, per l'iniezione del gas riducente in corrispondenza di una o più zone di riduzione all'interno del forno stesso.

Il gas di riduzione inviato nel reattore contiene idrocarburi iniettati nella corrente.

La riduzione diretta degli ossidi di ferro si realizza in uno o più stadi continui all'interno del reattore di riduzione.

Inoltre, la temperatura di ingresso del gas riducente nelle diverse zone di iniezióne può essere indipendentemente regolata tramite iniezione di O2 prima dell'ingresso nel reattore di riduzione. Tale temperatura finale di ingresso è superiore a 760 °C ed è preferibilmente compresa tra 900 °C e 1150 °C. Sia nel caso di ingresso singolo che nel caso di ingressi multipli, per esempio due, il flusso di gas riducente può essere regolato in modo autonomo ed indipendente, sia nella portata che nella composizione in quanto viene prevista l'aggiunta di ossigeno per innalzare la temperatura generando un cambiamento nel grado di ossidazione del gas da valori tipici di 0,04-0,08 a 0,10-0,15.

Per grado di ossidazione del gas riducente si intende il seguente rapporto:

E <1 >anche prevista l ' iniezione di gas naturale nella corrente di gas entrante nel forno per compensare la maggiore ossidazione del gas ed in modo tale che avvenga la reazione di riduzione dell ' ossido di ferro con gli idrocarburi gassosi tipo CH4 ed idrocarburi superiori nella zona interna del forno di riduzione contenente ferro metallico insieme agli ossidi di ferro.

inoltre, la temperatura di ingresso della corrente di gas riducente può essere indipendentemente regolata tramite iniezione di O2 e CH4 prima dell ' ingresso nel reattore di riduzione con temperatura finale di ingresso superiore a 760 °C preferibilmente compresa tra 900 °C e 1150 °C .

Il gas riducente entra nella zona mediana del forno ed agisce in modo da far avvenire la reazione di riduzione degli ossidi di ferro a ferro metallico.

In accordo con una caratteristica della presente invenzione, l 'uscita. inferiore del forno è di tipo multiplo per favorire lo scarico contemporaneo di più tipologie di prodotto contemporaneamente.

La multiuscita favorisce la distribuzione del gas di riduzione all ' interno del forno ed una migliore distribuzione del materiale all'interno del forno stesso, evitando canalizzazioni preferenziali che avvengono nei forni con cono unico di uscita .

Nei forni a cono unico di uscita, infatti , il materiale più fino tende a disporsi nel mezzo e questo fa si che il gas riducente è favorito a defluire nella parte esterna, riducendo maggiormente gli ossidi di ferro più vicini alla parete ed avendo difficoltà a penetrare nel cuore' del letto solido di materiale , cosicché gli ossidi di ferro vengono ridotti con.· maggiore difficoltà e comunque con tempi più lunghi .

Tutto la zona di reazione del forno lavora a temperatura più uniforme e soprattutto costante lungo tutta la sezione del forno di riduzione, favorendo una più elevata velocità di reazione, con conseguenti effetti di riduzione dei consumi ed aumento della produttività.

La flessibilità d'uso degli estrattori, variando le portate di uscita, impedisce formazioni di ponti nel forno .

Il ferro metallico ridotto viene scaricato preferibilmente caldo tramite la mul t iuscita , preferibilmente a 3 o 4 coni, i quali sono abilitati a scaricare il materiale contemporaneamente o Il grande vantaggio di poter scaricare contemporaneamente da più punti è dato dal fatto che è possibile regolare la portata di materiale in uscita variando la velocità di estrazione dei singoli sistemi di scarico.

Un altro vantaggio sta nel fatto che tale movimento aiuta a far scendere il materiale dalla zona alta in modo uniforme, con perfetta miscelazione delle particelle più grosse con quelle fini, creando sempre una continua movimentazione del materiale e riducendo la possibilità di incollaggi del materiale stesso.

Un ulteriore e notevole vantaggio è anche quello di- poter scaricare contemporaneamente materiale caldo da destinare a diversi usi: una parte può essere introdotta direttamente in un forno fusorio, per la fusione finale; una parte può essere bricchettata; ed una parte può essere raffreddata esternamente in un silo ed inviata allo stoccaggio. Un altro vantaggio è quello di poter comunque scaricare tutto il materiale caldo in uscita nel forno fusorio per produrre acciaio riducendo al massimo i consumi di energia.

Tutto il materiale può anche essere bricchettato a caldo o raffreddato e stoccato.

A differenza dei forni convenzionali dotati di' singola uscita la possibilità di avere più uscite consente inoltre lo svuotamento del forno nel caso si blocchi una delle uscite. In questo caso è possibile agire sulle altre uscite per svuotare quasi completamente il forno tranne la parte del cono con l'uscita bloccata; una volta svuotato il resto de], forno è possibile fare manutenzione in modo più agevole e sbloccare il materiale. Tale operazione non è permessa nei forni convenzionali.

Nel caso in cui il gas di riduzione entri nel forno da almeno due ingressi laterali, la riduzione <‘ >diretta degli ossidi di ferro si realizza in due differenti stadi contigui all'interno del reattore di riduzione.

In un primo stadio, definito di preriscaldamento e preriduzione, avviene il contatto degli ossidi di ferro freschi , ovvero appena introdotti nel forno, con una miscela di gas di riduzione, costituita da gas parzialmente esausto , proveniente dalla sottostante parte del forno e da gas caldo fresco, cioè immesso dall ' esterno, proveniente da un collettore che porta gas riducente fresco ed eventualmente CH4 o altro gas naturale. Questo primo stadio avviene in una corrispondente prima disposta nella parte più alta del forno.

In un secondo stadio, di riduzione vera e propria, avviene la riduzione completa degli ossidi di ferro, per l'azione su questi ultimi, già parzialmente ridotti nel primo stadio, di una miscela di gas riducente a base di H2 e CO ed almeno un idrocarburo, preferibilmente gas naturale, iniettato nella zona mediana del reattore di riduzione insieme alla corrente di gas riducente o direttamente nel forno di riduzione. Quésto secondo stadio avviene in una corrispondente seconda zona disposta al disotto della prima zona.

II primo ingresso di gas riducente è posto ad una determinata distanza (x) rispetto al secondo ingresso, che è posto nella parte mediana del forno, in corrispondenza della seconda zona di riduzione. Tale distanza (x) è opportunamente compresa tra 1 e 6 metri preferibilmente tra 2 e 4 metri per favorire le reazioni nella zona più opportuna tra il gas riducente e gli ossidi di ferro.

II primo ingresso di gas ha anche la funzione di spingere i gas provenienti dalla seconda zona di riduzione verso il centro del forno così da creare una uniforme distribuzione del gas nella sezione del reattore.

In questo modo, inoltre, gli ossidi di ferro<' >arrivano nella zona di riduzione già parzialmente ridotti , favorendo il completamento della reazione di riduzione finale da FeO a Fe.

Il gas uscente dal reattore di riduzione viene in parte ricircolato ed in parte utilizzato come combustibile.

Il gas di alimentazione al reattore di riduzione è costituito da una miscela di gas naturale, gas di ricircolo' dal reattore stesso e gas riformato . <'>

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed_ altre caratteristiche del presente trovato saranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferita di realizzazione, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio degli annessi disegni, in cui:

- la fig.l è una vista schematizzata di un forno di riduzione diretta di ossidi di ferro secondo il presente trovato;

- la fig.2 rappresenta una prima variante di un forno secondo il presente trovato;

- la fig.3 rappresenta una seconda variante di un forno secondo il presente trovato;

- la fig.4 rappresenta un particolare ingrandito di un'altra variante di un forno secondo presente trovato; e

- la fig.5 è una sezione secondo la linea A-A fig.4.

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME PREFERITE DI

REALIZZAZIONE

Con riferimento alla fig.l, un forno 10 per la riduzione diretta di ossidi di ferro secondo il presente trovato comprende una bocca superiore 11 di alimentazione dall'alto, dalla quale è atto ad essere introdotto il minerale (ossidici<‘>ferro),.una prima zona superiore 12 di preriscaldamento e preriduzione, una seconda zona, o zona mediana.14 in cui avviene la reazione di riduzione finale degli ossidi di ferro, ed una zona inferiore o di scarico 15.

In accordo con una caratteristica del presente trovato, la zona di scarico 15 presenta tre estremità inferiori di forma preferibilmente conica o troncoconica 15a, 15b e 15c, con conicità rivolta verso il basso, provviste ognuna di un'apertura inferiore 16a, 16b e rispettivamente 16c, attraverso le quali, in modo selettivo, il ferro metallico ridotto direttamente (DRI) può essere scaricato in maniera controllata ed indipendente. In conseguenza, il prodotto può essere anche scaricato singolarmente, per esempio in caso di emergenza.

Gli ossidi metallici a base di ferro, vengono introdotti nel reattore 10 in forma di pellets o di minerale grezzo di pezzatura opportuna; il ferro in essi contenuto normalmente è compreso tra 63% e 68% in peso.

Alla fine del procedimento secondo il trovato, il ferro contenuto nel materiale ridotto in uscita dal forno 10 è normalmente compreso tra 80% e 90% in peso

In corrispondenza della zona mediana 14 del forno 10 è disposto un ingresso 18.attraverso il quale è atta ad essere introdotta una miscela di gas riducente, proveniente da un condotto 41. La portata della miscela di gas riducente viene controllata in mediante una valvola di regolazione 66.

Il forno 10, nella sua parte alta, è provvisto di un'apertura 19 attraverso la quale fuoriesce il gas esausto. Quest'ultimo ha normalmente le seguenti caratteristiche: composizione: H2=20-41%, CO=15-28%, C02=12-25%, CH4=2-10%, N2=0-8%, H20=2-15%; temperatura compresa tra 500 °C e 700 °C; grado di ossidazione compreso tra 0,3 e 0,50, preferibilmente tra 0,40 e 0,45; ed un rapporto di riduzione R compreso tra 1 e 1,8 dove per rapporto di riduzione si intende:

Il gas esausto uscente dal forno 10, viene inviato, attraverso un condotto 20, ad un impianto di riciclo, non rappresentato nei disegni, che provvede anche alla preparazione del gas riducente che arriva nel condotto 41.

In tale condotto 41 viene anche iniettata aria o aria arricchita con ossigeno o ossigeno puro e gas naturale, per· esempio metano (CH4)· in percentuali, variabili.

Le miscela di gas risultante è regolata in ogni componente ed entra nel·forno di riduzione 10 con una temperatura tra 950 °C e 1150 °C.

Le reazioni coinvolte nella zona di riduzione 14 sono le seguenti:

Simultaneamente nella stessa zona 14 avvengono le seguenti reazioni di riduzione con l’idrogeno ed il monossido di carbonio:

La conseguenza di queste reazioni che la temperatura del gas nella zona di riduzi descresce da 950 °C - 1150 °C a 700 °C - 900 °C mantenendo comunque la temperatura di reazione più alta rispetto ai forni noti, ed il gas che lascia la zona di riduzione 14 ha un grado di ossidazione compreso tra 0,15 e 0,35 ed un potere riducente compreso tra 1,1 e 2,8.

Le reazioni coinvolte nella zona di preriduzione 12 sono le seguenti :

Nella zona inferiore 15 può anche essere introdotto del gas contenente gas naturale per controllare il carbonio finale nel ferro caldo ridotto a valori compresi tra 1 % e 4 %.

II materiale esce caldo dal forno 10, ad una temperatura compresa fra 600 °C e 800 °C e può prendere ciascuna delle tre vie 15a, 15b o 15c.

In questo modo, per esempio, una parte può essere introdotta direttamente in un forno fusorio 51, quale un forno elettrico ad arco, per la fusione finale; una parte può essere bricchettata mediante una bricchettatrice 52; ed una parte può essere raffreddata esternamente in un silo 53 ed inviata allo stoccaggio.

In accordo con una caratteristica del forno 10, ciascuna estremità inferiore 15a, 15b e 15c è provvista di una valvola rotante 47, 48 e rispettivamente 49 (figg.3 e 4), atta a regolare il flusso di materiale in uscita dal forno 10.

Inoltre, in accordo con una variante, illustrata in fig.4, ciascuna estremità inferiore 15a, 15b e 15c è provvista di un ingresso 55 attraverso il quale può essere introdotto un elemento raffreddante, per·cui.dalle uscite 16a, 16b & 16c possono uscire prodotti più o meno caldi o addirittura già raffreddati, per essere,stoccati direttamente.

In un'altra variante rappresentata in fig.2, il forno 10, anziché avere un solo ingresso 18, in corrispondenza della zona 14, nel quale viene iniettata la miscela di gas riducente, è provvisto anche di un secondo ingresso 17, disposto in corrispondenza della zona di preriduzione 12, attraverso il quale può essere introdotta una miscela di gas riducente che arriva da un condotto 40, la cui portata è controllata mediante una valvola di regolazione 65.

Secondo un'altra variante, rappresentata tratteggiata in figg. l e 2 , il metano è addizionato nel condotti 40 e 41 prima dell ' aria, dell ' aria arricchita con ossigeno o ossigeno puro , in funzione delle esigenze operative e della temperatura del gas riducente.

In accordo con un ' altra variante, nella zona di intersezione delle estremità troncoconiche 15a, 5b e 15c è possibile introdurre, tramite un condotto 81, idrocarburi gassosi come il gas naturale e vantaggiosamente il metano (CH4 ) , per raffreddare parzialiriente . il materiale caldo . Il metano riscaldato sale verso la zona di riduzione 14 e coopera nella riduzione diretta dell ' ossido di ferro in ferro metallico , migliorando l ' efficacia di riduzione, la metallizzazione finale del prodotto e la produttività.

Le reazioni coinvolte in questa fase sono le seguenti :

per cui il metano aiuta a ridurre gli ossidi di ferro ed in più genera ulteriore gas riducente, migliorando il potere riducente totale della miscela di gas iniettata nel forno.

E ' ovvio che al processo per la riduzione diretta di minerale di ferro ed al relativo apparato fin qui descritti possono essere apportate modifiche o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.

Per esempio, è ovvio che le estremità della zona inferiore 15 possono essere anche soltanto due o più di tre.

Claims

1 - Forno di tipo gravitazionale per la riduzione diretta di minerale di ferro comprendente una zona di reazione (14) nella quale avvengono le reazioni di riduzione del minerale di ferro, mezzi di alimentazione (11) del minerale di ferro verso detta zona di reazione (14), mezzi (18) per l'introduzione di una miscela di gas riducente in detta zona di reazione (14) e mezzi di scarico (15) del ferro metallico ridotto, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di scarico comprendono almeno, due estremità (15a-15c) di forma conica o troncoconica con conicità rivolta verso il. bas.so, provviste ognuna di una corrispondente apertura inferiore (16a-16c), attraverso le quali detto ferro metallico ridotto può essere selettivamente scaricato in maniera controllata ed indipendente. 2 - Forno come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno due sistemi di convogliamento di detto ferro metallico ridotto sono previsti in corrispondenza di dette aperture inferiori (16a-16c) per convogliare selettivamente detto ferro metallico ridotto verso almeno due zone distinte (51-53) a valle di dette estremità (15a-15c), in cui una di dette zone (53) è adibita al raffreddamento e l ' immagazzinamento temporaneo di\ detto ferro metallico ridotto e le altre zone {51 , 52 ) sono atte ad utilizzare la carica calda di detto ferro metallico ridotto. 3 - Forno come nella rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti sistemi di convogliamento è atto a trasportare detto ferro metallico ridotto verso una stazione di bricchettaggio (52 ) . 4 - Forno come nel la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti ' sistemi di convogliamento è atto a trasportare detto ferro metallico ridotto verso un sistema di caricamento per un forno elettrico ad arco (51) . 5 - Forno come nel la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti sistemi di convogliamento è atto a trasportare detto ferro metallico ridotto verso mezzi (53 ) adibiti al raffreddamento e l ' immagazzinamento temporaneo di detto ferro metallico ridotto. 6 - Forno come in una delle rivendicazioni precedenti , caratterizzato dal fatto che mezzi di raffreddamento di detto ferro metallico ridotto sono previsti in corrispondenza di dette estremità (15a-15c) di forma conica o troncoconica. Forno come in una delle rivendicazion precedenti, caratterizzato dal fatto che mezzi di introduzione (17, 18) di detta miscela di gas riducente sono disposti in almeno due o più zone di reazione (12, 14) disposte distanziate nel senso verticale. 8 - Forno come in una delle rivendice.zioni precedenti, caratterizzato dal fatto che a monte di detti mezzi di introduzione (17, 18) sono previsti mezzi di miscelazione (40) atti ad ottenere una miscela, di -gas riducente ed .almeno un idrocarburo (CH4) . 9 Forno come nella rivendicazione 7,-caratterizzato dal fatto che mezzi miscelatori (40, 41) di gas riducente ed idrocarburi sono disposti a monte di detti mezzi di introduzione (17, 18), al fine di fornire una miscela in cui gli idrocarburi sono dosati e controllati in maniera indipendente e controllata nelle diverse zone di reazione (12, 14). 10 - Forno come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che a monte di detti mezzi di introduzione (17, 18) sono previsti mezzi di miscelazione (40) atti ad ottenere una miscela di gas riducente con O2 o aria arricchita di O2, al fine di elevare la temperatura interna ad un valore compreso fra 850 °C e 1150°C. 11 - Forno come nella rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che mezzi di controllo della portata (65, 66) della miscela di gas riducente sono previsti a monte di detti mezzi di introduzione (17, 18), detti mezzi di controllo della portata (65, 66) essendo indipendenti nelle diverse zone di reazione (12, 14). 12 - Forno come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette aperture inferiori (16a-16c) è provvista di mezzi, a valvola rotante (47, 48, 49). 13 - Forno come in una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che mezzi di iniezione (81) sono previsti per iniettare almeno parzialmente CH4 in detto forno (10) in una zona compresa fra detta zona di reazione (14) e detti mezzi di scarico (15). 14 - Forno come nella rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di iniezione (81) sono disposti in una zona di intersezione di dette estremità (15a-15c) di forma conica o troncoconica. 15 - Forno di tipo gravitazionale per la riduzione diretta di minerale di ferro, sostanzialmente come descritto, con riferimento agli annessi disegni.