MX2007001249A - Metodo y aparato para producir gases reductores limpios a partir de gas de coqueria. - Google Patents

Metodo y aparato para producir gases reductores limpios a partir de gas de coqueria.

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Abstract

La presente invencion proporciona un metodo para tratar el gas de coque crudo caliente, producido en los hornos de coque, que comprende; la mezcla de dicho gas de coque crudo caliente, con un gas que contiene oxigeno, con el fin de llevar a cabo la combustion parcial del mencionado gas de coque, produciendo un gas reductor que tenga un alto contenido de hidrogeno y monoxido de carbono, a una temperatura superior a cerca de 1000 degree C; pasando dicho gas reductor caliente a traves de un intercambiador de calor, con el fin de producir vapor de alta temperatura; utilizando una primera porcion de dicho vapor para producir electricidad; eliminando compuestos de azufre y otras impurezas de dicho gas reductor en una unidad eliminadora de azufre y utilizando una segunda porcion de dicho vapor en la mencionada unidad eliminadora de azufre. En una realizacion preferida de la invencion, el metodo incluye ademas un paso adicional de utilizar por lo menos una porcion de dicho gas reductor limpio en una planta de reduccion directa que comprende un reactor de reduccion directa, una unidad eliminadora de CO2 y un calentador de gas. En otra realizacion preferida de la invencion, el metodo incluye ademas el paso adicional de utilizar una tercera porcion de dicho vapor agotado en dicha unidad de eliminacion de CO2 de la mencionada planta de reduccion directa.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA PRODUCIR GASES REDUCTORES LIMPIOS A PARTIR DE GAS DE COQUERIA Campo de la invención La invención se refiere a un proceso y sistema para producir gases reductores compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono de las operaciones de fabricación de coque, en las que el carbón se transforma en coque metalúrgico y, más específicamente, en un proceso en el que los componentes volátiles que se derivan del carbón se transforman en gases reductores apropiados para la utilización química como gas de síntesis, como agente reductor para dirigir la reducción de minerales de hierro y/o como combustible limpio.
Antecedentes de la invención Se sabe que en el proceso de producir coque metalúrgico, el carbón se calienta con el fin de eliminar la mayoría de los componentes volátiles y preservando, en su mayoría, la estructura del carbono. Con ello, el coque se proporciona con las propiedades físicas y químicas que lo hacen apropiado para proporcionar energía y soporte de carga en los altos hornos. La materia volátil del carbón comprende un número de compuestos que se destilan en los homos de coque y constituyen lo que se conoce como gas de coque. El volumen y composición de gas de coque depende de las características del carbón que se utiliza, pero tradicionalmente el gas de coque no tratado está constituido por cerca de 44% de agua, cerca de 29% de hidrógeno, cerca de 3% de monóxido de carbono, cerca de 13% de metano, y muchas impurezas como amoniaco, azufre, compuestos tipo benceno, etc.
En virtud de que el gas de coque tiene un alto valor calorífico, se utiliza en su mayoría para fines de calentamiento en las plantas de acero. Tradicionalmente, el gas de coque se enfría, limpia y trata en varios procesos químicos para separar los compuestos valiosos, como el amoniaco y otros productos petroquímicos, y para eliminar azufre antes de que se queme finalmente el gas. La limpieza del gas de coque requiere de una planta química compleja y costosa.
Se encuentran va as propuestas en las patentes y otro tipo de literatura técnica para utilizar gas de coque después de limpiarlo, solo o combinado con otros gases, para fines de reducción del hierro o para la generación de vapor y electricidad.
La patente No. 4,178,266 de los Estados Unidos, describe un proceso para transferir gas de coque crudo caliente generado en los hornos de coque a una posición de utilización, al tiempo que se evita la condensación de hidrocarburos superiores. Esta patente enseña a aumentar la temperatura del gas de coque inyectando un gas que contiene oxígeno en la corriente de gas de coque, para que tenga una combustión parcial. Dicha inyección de oxígeno puede aumentar la temperatura de la mezcla aproximadamente de 950°C a 1500°C. El fin de la inyección del oxígeno es evitar la condensación de las impurezas y de los hidrocarburos superiores, con lo que se evitan muchos problemas en los sistemas de transporte de gas. Esta patente no enseña ni sugiere que se lleve a cabo una combustión parcial del gas de coque para producir gas reductor de alta calidad.
La especificación de la patente británica No. 1 ,566,970 describe un proceso para el tratamiento del gas de coque. Esta patente reconoce el valor de efectuar una combustión parcial del gas de coque, para producir un gas reductor, útil para la reducción directa de los minerales de hierro. La combustión parcial transforma el gas de coque en gas de craqueo, rico en monóxido de carbono e hidrógeno. No obstante, el proceso de combustión parcial de esta patente tiene muchas desventajas y no enseña ni sugiere un proceso y aparato que integre la energía en forma mejorada.
La patente de los Estados Unidos No. 4,235,624 describe un método para procesar gas de coque casi idéntico al método de la patente británica 1 ,566,970 antes mencionada. Esta patente no enseña ni sugiere la integración de energía térmica en el tratamiento y limpieza de gas de coque que comprenda un paso de combustión parcial como la invención presente.
La patente de los Estados Unidos No. 4,235,624 describe un método para procesar gas de coque casi idéntico al método de la patente británica 1 ,566,970 antes mencionada. Aunque esta patente enseña generalmente que el gas de coque puede usarse como gas reductor en un horno vertical para la reducción de minerales de hierro, no se dan detalles sobre la manera preferida de utilizar la integración de la energía térmica que contiene el gas de coque. De hecho, las reivindicaciones de esta patente especifican que la invención estriba en la utilización del gas de coque caliente, que significa que el gas de coque se alimenta al reactor sin enfriarlo antes de su introducción al reactor vertical. Este esquema de proceso tiene muchas desventajas, ya que todo el equipo involucrado en el manejo y conducción del gas de coque de los hornos de coque al reactor vertical, debe estar preparado para efectuar una operación de alta temperatura.
En cambio, la invención presente ofrece un método y aparato con una forma práctica y económica de usar el gas de coque al enfriarlo inmediatamente después del craqueo de la combustión parcial, y también utilizando el calor producido en dicha combustión parcial, por lo menos para dos fines específicos que son esenciales para la operación del reactor de reducción; por ejemplo, para la unidad de eliminación de CO2 del gas reductor reciclado al reactor vertical, y también para la unidad de eliminación de azufre, necesaria para limpiar el horno de coque antes de su uso.
Objeto de la invención Por consiguiente, es objeto de la presente invención ofrecer un proceso y sistema para tratar el gas de coque, con el fin de producir un gas reductor que comprenda hidrógeno y monóxido de carbono, sobre todo, es útil para la reducción directa de los minerales de hierro.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un proceso y sistema para tratar el gas de coque y producir un gas de síntesis, útil como materia prima en los procesos químicos, o para producir calor, vapor, electricidad o energía, evitando los procesos complejos y caros que normalmente se utilizan en las plantas de coque.
Se señalarán otros objetos de la invención en esta especificación, o serán evidentes para los especialistas.
Breve descripción de los dibujos La figura 1 es un diagrama de proceso esquemático de una realización preferida de la invención.
La figura 2 ilustra un ejemplo del proceso, que muestra, en un diagrama de proceso esquemático similar a la figura 1 , valores de los parámetros del proceso.
La figura 3 es un cuadro que complementa la información de las corrientes de proceso que se muestran en la figura 2.
La figura 4 también ilustra otro ejemplo del proceso que muestra, en un diagrama de proceso esquemático de una planta de reducción directa, los valores de los parámetros del proceso que operan de acuerdo con el método de limpieza del gas de coque de la invención.
Descripción detallada de la invención La invención se describirá con referencia a los dibujos acompañantes, en el entendido de que los especialistas pueden hacer muchos cambios y modificaciones, sin desviarse del espíritu de la invención, que se define en las reivindicaciones adjuntas.
Con referencia a la figura 1 , el número 10 designa una batería de hornos de coque en los que se carga carbón 12 y se calienta ahí mediante la combustión de los gases 14 y el aire 16. El coque 18 se descarga de los hornos 10 de la manera conocida en el arte, y el gas de coque crudo caliente 20 se produce tradicionalmente a una temperatura de cerca de 600°C a 700°C.
Entonces, se mezcla el gas de coque crudo caliente 20 con un gas que contiene oxígeno 22, el cual puede producirse en una planta de separación de aire 24 del aire 26. La planta de separación 24 puede ser de tipo criogénico o PSA, ya que la pureza del oxígeno no es esencial para esta aplicación. El proceso también puede operar con aire enriquecido con oxígeno, aunque la calidad del gas reductor resultante se vea afectado por la cantidad de nitrógeno de dicha alimentación de aire.
El gas de coque crudo caliente 20 a una temperatura de cerca de 650°C, está sujeto a una combustión parcial y el oxígeno 22 en la cámara de combustión 28 alcanza temperaturas superiores a cerca de 1000°C. A esta temperatura, todos los compuestos orgánicos se convierten en gas reductor de alta temperatura 30, compuesto principalmente de una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, bióxido de carbono, metano y agua.
El gas reductor 30 pasa a través de un ¡ntercambiador de calor 32, en el que calienta el vapor 34 del tambor de vapor 36 y el vapor súper calentado 38 se utiliza en la turbina 40 para producir electricidad en el generador eléctrico 42. La electricidad se alimenta a través de la línea 44, y se usa en una planta de separación de aire 24, para producir oxígeno para la combustión parcial del gas de coque.
Una primera porción 50 del vapor agotado 46 de la turbina 40, se usa en la unidad de separación de azufre 48, y una segunda porción 52 se usa en la unidad de separación de CO2 54 de una planta de reducción directa.
Después de haber pasado a través del intercambiador de calor 32, el gas reductor se alimenta a un calentador 56 en el que el vapor 58 se produce a partir del agua 60 y se mantiene en el tambor de vapor 36. De la caldera 56, el gas reductor 62 se templa finalmente por contacto directo con el agua en el enfriador 64. El agua condensada se retira a través del tubo 66. Entonces, el gas reductor frío 68 se alimenta al ventilador 70 y después se conduce a través del tubo 72 para tratarse en la unidad de eliminación de azufre 48, de manera conocida en el arte, produciendo azufre sólido 74 y una corriente de gas reductor limpio 76.
Una porción del gas reductor 76 se usa para calentar los hornos de coque a través del tubo 14 y otra porción 78 se comprime en el compresor 80, para inyectarse al circuito de reducción de gas de un reactor de reducción directa 82. Las partículas que llevan óxidos de hierro 84, por ejemplo, granulos de mineral de hierro, terrones o una mezcal de ambos, se alimentan al reactor de reducción 82 y descienden mediante la gravedad a través de dicho reactor, en donde se ponen en contacto con gases reductores de alta temperatura 86, por ejemplo, sobre 900°C, mediante lo cual los óxidos de hierro se reducen a hierro metálico, conocidos como DRl (hierro reducido directamente) o hierro esponja 88, y se descargan de la parte inferior del reactor de reducción 82, para ser utilizados en las operaciones de fabricación de acero.
El gas reductor reaccionado 90 se retira del reactor 82 y se enfría en el enfriador 92, en donde se elimina el agua del gas, mediante condensación, una porción del gas enfriado 94 se recicla en el reactor de reducción y otra porción 96 puede ventarse desde el circuito de reducción, y se usa como ejemplo en el calentador de gas 98. La porción del gas reductor reciclado 94 se comprime en el compresor 100 y se alimenta en una unidad de eliminación de bióxido de carbono 54, en la que el CO2 se elimina del sistema, por lo cual se regenera el potencial de reducción del gas recirculado, mediante la eliminación de agua 102 y CO2 104, que son los productos principales de las reacciones de reducción que se llevaron a cabo en el reactor 82.
Ejemplo Se efectuó el cálculo con un modelo de computadora de una planta que incorpora la invención, y los resultados se ilustran en las figuras 2, 3 y 4. Este ejemplo muestra claramente las ventajas de la invención relativa a su aplicación, para obtener un gas reductor para producir hierro reducido directamente, de buena calidad.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Método para tratar gas de coque crudo caliente de un horno de coque, para producir un gas reductor limpio, que comprende llevar a cabo la combustión parcial del gas de coque crudo caliente a una temperatura superior a cerca de 1000°C, mezclando el gas de coque crudo caliente con un gas que contenga oxígeno, para producir un gas reductor caliente que tenga un alto contenido de hidrógeno y monóxido de carbono; producir vapor de alta temperatura, pasando el gas reductor caliente a través de un intercambiador de calor; utilizar una primera porción del vapor, para producir electricidad, y utilizar una segunda porción del vapor en una unidad eliminadora de azufre, para eliminar los compuestos de azufre y otras impurezas del gas reductor, con el fin de producir el gas reductor limpio.
2. El método de la reivindicación 1 , que además comprende la utilización de por lo menos una porción del gas reductor limpio en una planta de reducción directa que comprenda un reactor de reducción directa, una unidad de eliminación de CO2 y un calentador de gas.
3. El método de la reivindicación 2, que además comprende la utilización de una tercera porción de dicho vapor en la unidad de eliminación de CO2 de la planta de reducción directa.
4. El método de la reivindicación 3, en la que la planta de reducción directa se usa para reducir directamente el mineral de hierro.
5. El método de la reivindicación 2, en el que una porción del gas reductor limpio se usa para calentar el horno de coque.
6. El método de la reivindicación 5, en el que otra porción del gas reductor limpio se inyecta en el reactor de reducción directa.
7. Un método para reducir óxidos de hierro en un reactor de reducción vertical, utilizando gas de coque, que comprende la mezcla de gas de coque crudo caliente con un gas que contenga oxígeno, con el fin de llevar a cabo una combustión parcial de dicho gas de coque para producir un gas reductor caliente que tenga un alto contenido de hidrógeno y monóxido de carbono a una temperatura superior a cerca de 1000°C; pasando dicho gas reductor caliente a través de un ¡ntercambiador de calor, con el fin de producir vapor de alta temperatura; utilizando una primera porción de dicho vapor en una unidad de eliminación de azufre, para eliminar los componentes de azufre y otras impurezas de dicho gas reductor, y utilizando una segunda porción de dicho vapor en una unidad de eliminación de CO2, en la que el gas reductor agotado se trata para eliminar el bióxido de carbono antes de que se recicle en el mencionado reactor de reducción vertical.
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