METODO PARA PRODUCIR ARRABIO LIQUIDO O PRODUCTOS INTERMEDIOS DE ACERO LIQUIDO A PARTIR DE MATERIAL DE PARTICULAS FINAS QUE
CONTIENE OXIDO DE HIERRO
DESCRIPCION DE LA INVENCION La invención se relaciona con un método para producir arrabio liquido o productos intermedios de acero liquido a partir de material de partículas finas que contiene óxido de hierro, el material de partículas finas que contiene óxido de hierro es reducido previamente en por lo menos una etapa de prerreducción con la ayuda de un gas de reducción y es reducido subsiguientemente en una etapa de reducción final a esponja de hierro, la esponja de hierro se funde en una zona de gasificación de fusión, suministrándose portadores de carbón y gas que contiene oxígeno, y generándose un gas de reducción que contiene CO e hidrógeno, el cual es introducido en la etapa de reducción final, se convierte ahí, se extrae, y es introducido subsiguientemente en por lo menos una etapa de prerreducción, se convierte ahí y se extrae. La invención se relaciona, además, con un aparato para llevar a cabo este método . Un método de este tipo ya se conoce, por ejemplo, de EP 969 107 Al. En éste, con el fin de reducir el mineral fino a esponja de hierro, usualmente se utiliza una pluralidad de reactores de lecho fluidizado los cuales se disponen en
Ref.: 197404 cascada. Las partículas de mineral fino tienen una tendencia muy pronunciada a la aglomeración durante la reducción en los reactores de lecho fluidizado, este efecto que ocurre en mayor medida con un mayor grado en la fineza de las partículas de mineral, al elevar las temperaturas de gas de reducción y una elevación en el grado de metalización. Por esta razón, ha sido posible hasta ahora implementar industrialmente , y con un gasto aceptable en términos de limpieza y mantenimiento y disponibilidad aceptable de la planta, solo aquellos procesos de lecho fluidizado que eran operados con un grado de metalización relativamente bajo de la esponja de hierro de aproximadamente 70% o con mineral fino más grueso (0-10 mm) y temperaturas de gas de reducción inferiores a 800°C para por lo menos el último reactor de lecho fluidizado y de entre 700°C y 760°C para los reactores de prerreducción . Sin embargo, una temperatura de gas de reducción relativamente baja implica la desventaja de una introducción de calor correspondientemente bajo. Además, las pérdidas en los reactores de lecho fluidizado individuales y las tuberías de conexión entre los reactores de lecho fluidizado ocurren siendo comparativamente mayores que en la reducción de mineral en trozos en un vientre de reducción. La temperatura del gas de reducción requerida para un proceso de metalización óptimo en los reactores de lecho fluidizado individuales conectados en serie pueden por lo tanto mantenerse a solo un grado restringido sin el suministro de energía adicional. Este déficit de energía puede compensarse por medio de varias medidas adicionales. La introducción de energía la cual es adicionalmente necesaria puede cubrirse por medio de una mayor cantidad de gas de reducción específica por tonelada de carga de mineral y fundente o por medio de una combustión parcial adicional de CO y H2 al inyectarse oxígeno. Además de una introducción mayor de calor sensible, lo que también se logra aumentando la cantidad de gas de reducción específica, es que menos CO y H2 tiene que quemarse en las líneas de conexión entre los reactores de lecho fluidizado, con el fin de elevar la temperatura del gas de reducción a un valor óptimo para el siguiente reactor de lecho fluidizado. Además, lo que se obtiene mediante una mayor cantidad de gas de reducción específica es que, debido a la combustión parcial de CO y H2, el potencial de reducción del gas de reducción no alcanza un valor límite predeterminado para el reactor de lecho fluidizado siguiente en cada caso, de tal manera que se logra un grado relativamente alto de metalización, incluso de partículas de mineral de hierro más grandes que requieren un tiempo de parada mayor en la atmósfera reductora que las partículas de mineral más pequeñas. En un método de reducción por fusión en uno o más reactores de lecho fluidizado conectados en serie, tal como se conoce, por ejemplo, de EP 969 107 Al, el gas de reducción requerido para reducir los óxidos de hierro y para calcinar los agregados se produce en un gasificador de fusión, usando carbón mineral como un agente de gasificación y oxigeno o aire enriquecido con oxigeno como agente oxidante. El calor que se presenta durante el proceso de gasificación se usa en el gasificador de fusión para fundir esponja de hierro y los agregados necesarios en arrabio y escoria que son sangrados a intervalos de tiempo específicos. Cuando un gasificador de fusión se acopla a un horno de cuba de reducción, como tiene lugar en el método COREX(R), si se usan carbones minerales con una fracción de constituyentes volátiles superior a 27%, la cantidad de gas de reducción producido en el gasificador de fusión es suficiente para una operación de régimen permanente del vientre de reducción. Cuando un gasificador de fusión se acopla a reactores de lecho fluidizado, puede lograrse una operación optimizada solo por medio de medidas adicionales ya descritas anteriormente, tales como una mayor cantidad de gas de reducción específica y combustión parcial de CO y H2. Con el fin de que los reactores de lecho fluidizado puedan operarse con mayores cantidades de gas de reducción específicas, la posibilidad es similarmente conocida ya sea extrayendo gas de alto horno purificado de los reactores de lecho fluidizado de una planta de remoción de C02 y suministrándolo nuevamente al proceso de reducción u operando el gasificador de fusión con carbones minerales altamente volátiles. El uso de agentes de gasificación con una fracción elevada de constituyentes volátiles y con un valor calórico bajo requiere consumos específicos muy altos de gasificación y agentes oxidantes e implica velocidades específicas muy altas de escoria y es por lo tanto no económico. Por lo tanto, por razones técnicas y económicas, se prefiere la producción de mayores cantidades de gas de reducción vía la planta de procesamiento de gas. Sin embargo, debido a la producción relativamente baja de gas de alto horno (gas de descarga) en una planta de remoción de C02, en el caso de carbones minerales con una baja fracción de constituyentes volátiles, la cantidad de gas adicional generada de conformidad con este método no es suficiente para producir la esponja de hierro con metalización relativamente uniforme, particularmente no en el caso de bajos consumos de combustible específicos, tal como, de hecho, se desea. La presente invención está dirigida a evitar estas desventajas y dificultades, y su objeto es desarrollar más el método descrito anteriormente y un aparato para producir arrabio líquido o productos intermedios de acero líquido a partir de material de partículas finas que contienen óxido de hierro, con el fin de que el gasificador de fusión pueda operarse con una mayor producción de energía que en los reactores de lecho fluidizado asignados al mismo y que el proceso de producción se lleve a cabo consecuentemente en una forma más estable. Además, la necesidad de realizar una introducción de energía y la combustión de CO y H2 en las tuberías de conexión entre los reactores de lecho fluidizado se reducirá apreciablemente o por lo menos se evitará en gran medida . Este objeto se logra, de conformidad con la invención, porque una fracción de cantidad del material de partículas finas que contiene óxido de hierro se introduce en una zona de gasificación de fusión a través de por lo menos una etapa de prerreducción y una etapa de reducción final, y una fracción de cantidad adicional del material de partículas finas que contiene óxido de hierro se introduce en la zona de gasificación de fusión directamente o junto con los portadores de carbón y el gas que contiene oxígeno. Debido al aumento cuantitativo y cualitativo en la producción de gas de reducción lograda consecuentemente en el gasificador de fusión, se reduce la necesidad por una combustión adicional de CO y H2 entre los reactores de lecho fluidizado sucesivos. Dado que el potencial de reducción del gas de reducción disminuye debido a dicha combustión parcial de CO y H2 a C02 y H20, también se logra, por medio de esta medida, un aumento en el grado de metalización del mineral fino . Por razones económicas, es incluso expedito producir en el gasificador de fusión cantidades mayores de gas de reducción con un bajo contenido de componentes oxidantes (C02 y H20) que lo que se requiere para una operación balanceada del gasificador de fusión y de los reactores de lecho fluidizado. La razón de esto es la demanda por esponja de hierro adicional o hierro quebradizo en caliente (HBI) durante la fase de arranque y durante el calentamiento de los reactores de lecho fluidizado, incluyendo el calentamiento y la reducción posterior del material de lecho fluidizado. Como se sabe, por lo menos los últimos dos, en la mayoría de los casos todos, los reactores de lecho fluidizado conectados en serie tienen que vaciarse durante cada parada que dura más de 2 horas, con el fin de evitar la aglomeración del material utilizado y un tiempo de parada de planta mayor que resulta de esto. Incluso en el caso de paradas cortas, el gasificador de fusión es operado hasta por 8 horas, en el caso de paradas más largas, hasta por 12 horas y, durante la limpieza de reactores de lecho fluidizado, durante aproximadamente 4 días con HBI incluido. En vista de esta demanda relativamente alta por el costoso HBI incluido, es por lo tanto más económico derivar continuamente una cantidad parcial de la esponja de hierro producida en forma de HBI o HCI (hierro compactado en caliente) durante la operación de producción e introducirlo como producto intermedio frío en el gasificador de fusión en las situaciones de paradas descritas lineas arriba. Para cubrir esta demanda adicional y asegurar una operación estable del método, la fracción de cantidad, introducida en la zona de gasificación de fusión directamente o junto con los portadores de carbón y el gas que contiene oxigeno, del material de partículas finas que contiene óxido de hierro constituye de 10 a 20% de la cantidad total del material de partículas finas que contiene óxido de hierro que es utilizada. Una composición particularmente benéfica del gas de reducción que sale de la zona de gasificación de fusión se logra cuando la zona de gasificación es provista con portadores de carbón y gas que contiene oxígeno en una cantidad tal que la fracción de C02 en el gas de reducción que sale de la zona de gasificación de fusión está en un intervalo de 4% a 9%, preferentemente en un intervalo menor que 6%. De conformidad con una modalidad ventajosa del método, el gas de reducción que emerge de la zona de gasificación de fusión se somete a remoción de polvo en caliente en caliente y es suministrado subsiguientemente a la etapa de reducción final y preferentemente a todas las etapas de prerreducción con una cantidad de gas de reducción específica la cual es mayor, preferentemente es mayor en 10%. Por lo tanto, en las etapas de prerreducción, el gas de reducción procesado en caliente se mezcla en desviación con la corriente de gas de reducción más fría de la etapa de reducción final o con la corriente de gas de reducción más fría de la última etapa de prerreducción, y aumenta el contenido calórico del gas mezclado. Debido a la operación de mezclado, puede realizarse una ajuste deliberado de la temperatura del gas de reducción directamente corriente arriba de la etapa de reducción respectiva . En plantas de reducción de mineral fino de conformidad con la técnica anterior, los reactores de lecho fluidizado son limpiados a intervalos de tiempo de 2 a 2.5 meses, con el fin de remover bloqueos y formación de tortas de esponja de hierro, resultando asi, durante cada parada operacional, en pérdidas de producción de aproximadamente 4 días. Los bloqueos y formación de torta de esponja de hierro en los ciclones de los reactores de la etapa de reducción final ocurre con más rapidez y más frecuentemente cuando el reactor opera con altas cantidades de gas de reducción y altas temperaturas de gas de reducción. Lo mismo también aplica en una forma similar con las boquillas distribuidoras de gas, dado que el flujo pasa a través de los mismas a velocidades de gas mayores. Un aumento arbitrario en la cantidad de gas de reducción y en la temperatura del gas de reducción es por lo tanto no conducente al logro del objetivo deseado. Un balance entre las ventajas y las desventajas se alcanza cuando, después de la remoción de polvo en caliente, una cantidad parcial de por lo menos 70% del gas de reducción procesado es suministrado a la etapa de reducción final y una cantidad parcial de hasta 30% es suministrada directamente a las etapas de prerreduccion. Se logran condiciones particularmente benéficas para la operación de reducción en las etapas de prerreduccion, particularmente en la segunda etapa de prerreduccion, cuando 5% a 15%, con preferencia aproximadamente 10%, del gas de reducción procesado se mezcla con el gas de reducción que sale de la etapa de reducción final antes de entrar a la etapa de prerreduccion precedente. Se ha demostrado que es ventajoso, después de la remoción de polvo en caliente, que el gas de reducción del proceso se fije a una temperatura mayor que la necesaria para la reducción final del material de partículas finas que contiene óxido de hierro en la etapa de reducción final. Esta demanda adicional para el calor sensible puede cubrirse, en su mayor parte, por el calor sensible disponible del gas de reducción que emerge de la zona de gasificación de fusión. Para este propósito, es necesario enfriar el gas del generador en la salida del gasificador a un grado menor (por ejemplo, a 880/900°C en lugar de, como se acostumbra, a 800/820°C). Un ajuste fino de la temperatura del gas de reducción para la etapa de reducción final tiene lugar por medio de la adición dosificada del gas de alto horno procesado extraído de la preferentemente primera etapa de prerreducción . La esponja de hierro que se requiere durante la fase de descarga y durante el calentamiento de los reactores de lecho fluidizado y que se produce continuamente como una cantidad de exceso pretendida durante la operación continua de la planta se extrae continuamente de la etapa de reducción final. En este caso una cantidad parcial de aproximadamente 5% a 15%, preferentemente de aproximadamente 10%, de la cantidad total generada de hierro de esponja es extraída de la etapa final de reducción y enfriada. Una planta para producir arrabio líquido o productos intermedios de acero líquido a partir de material de partículas finas que contiene óxido de hierro, con por lo menos dos reactores de lecho fluidizado conectados en serie uno detrás del otro, material de partículas finas que contiene óxido de hierro que es guiado de reactor de lecho fluidizado a reactor de lecho fluidizado a través de líneas de transporte en una dirección y el gas de reducción que es guiado de reactor de lecho fluidizado a reactor de lecho fluidizado a través de las líneas de conexión de gas de reducción en la dirección opuesta, y con un gasificador de fusión, en el cual se une una línea de transporte que guía la esponja de hierro fuera del reactor de lecho fluidizado dispuesto en la dirección de flujo del material de partículas finas que contiene óxido de hierro, y el cual tiene una línea de suministro para portadores de carbón y para gases que contienen oxígeno y también una toma para arrabio y/o material intermedio de acero y escoria, y una línea de descarga de gas de reducción, que va hacia el reactor de lecho fluidizado dispuesto al final en la dirección de flujo del material que contiene óxido de hierro, para gas de reducción formado en el gasificador de fusión, se caracteriza porque una primera línea de transferencia de derivación para un fracción de cantidad del material de partículas finas que contiene óxido de hierro se forma mediante una línea de transporte de reactor de lecho fluidizado a reactor de lecho fluidizado y una línea de transporte subsiguiente hacia el gasificador de fusión, y una segunda línea de transporte de derivación para una fracción de cantidad adicional del material de partículas finas que contiene óxido de hierro se forma mediante una línea de transporte de conexión desde un dispositivo de alimentación directamente al gasificador de fusión . De conformidad con una modalidad preferida de la invención, la segunda línea de transporte de derivación para la fracción de cantidad adicional de material de partículas finas que contiene óxido de hierro se une a una línea de transporte de conexión desde un dispositivo de alimentación a la línea de suministro para portadores de carbón y para gases que contienen oxígeno al gasificador de fusión. Esto hace posible tener una introducción dosificada y mutuamente coordinada de material que contiene óxido de hierro, de portadores de carbón y de gas que contiene oxígeno. Para generar una mayor cantidad de gas de reducción pretendida, la segunda línea de transporte de derivación está diseñada para conducir de 10% a 15% de la cantidad total del material de partículas finas que contiene óxido de hierro que es utilizada. La adición dosificada de gas de alto horno, preferentemente extraído por succión de la primera etapa de prerreducción y procesado, al gas de reducción procesado del gasificador de fusión se obtiene de manera expedita por que una planta de remoción de polvo en caliente en caliente, preferentemente un ciclón de gas caliente, se conecta a la línea de descarga de gas de reducción, y porque un dispositivo de medición de temperatura para detectar la temperatura del gas de reducción se dispone en la línea de descarga de gas de reducción, y una línea de gas de alto horno sale del lado de salida de la planta de remoción de CO2 y tiene un dispositivo regulador de la cantidad de flujo entrante para establecer la temperatura del gas de reducción en la línea de descarga del gas de reducción que va al reactor de lecho fluidizado de la etapa de reducción final. El establecimiento de la temperatura del gas de reducción antes de entrar a los reactores de lecho fluidizado de las etapas de prerreducción se realiza porque, además de las lineas que conexión de gas de reducción de reactor de lecho fluidizado a reactor de lecho fluidizado y además de la linea de descarga de gas de reducción que va al reactor de lecho fluidizado, se proveen lineas de conexión de gas de reducción individuales entre la linea de descarga de gas de reducción y el por lo menos un reactor de lecho fluidizado de la etapa de reacción previa, y a éstas lineas de conexión de gas de reducción se les asignan dispositivos de regulación de cantidades para el mezclado dosificado de gas de reducción. Al último de los reactores de lecho fluidizado conectados en serie, en el cual tiene lugar la reducción final del material que contiene óxido de hierro, se le asigna, además de una linea de transporte para la transferencia de esponja de hierro hacia el gasificador de fusión, una linea de transporte adicional para extraer una cantidad parcial de la esponja de hierro, dirigiéndose dicha linea de transporte adicional a un dispositivo de enfriamiento. Esta esponja de hierro separada y mantenida como provisión se usa nuevamente en caso de interrupciones operacionales . La invención se explica a manera de ejemplo con referencia a una modalidad de ejemplo ilustrada, la figura 1 que muestra una modalidad ventajosa del método de conformidad con la invención y del aparato de conformidad con la invención en un diagrama de bloques . La planta de conformidad con la invención comprende tres reactores de lecho fluidizado conectados en serie 1, 2, 3. Se suministra material que contiene óxido de hierro en forma de mineral fino desde un dispositivo de alimentación de mineral 4 a través de una línea de suministro 5 y una línea de transporte de derivación 5a hacia el primer reactor de lecho fluidizado 1 en el cual tiene lugar un precalentamiento del mineral fino y una primera prerreducción en la primera etapa de prerreducción. Subsiguientemente, se realiza una transferencia del mineral fino pretratado a través de una línea de transporte 6a hacia el reactor de lecho fluidizado 2 y vía una línea de transporte adicional 6b hacia el reactor de lecho fluidizado 3. En el reactor de lecho fluidizado 2, la segunda etapa de prerreducción, tiene lugar una prerreducción adicional del mineral fino, y, en el reactor de lecho fluidizado 3, la etapa de reducción final, tiene lugar la reducción final del mineral fino a esponja de hierro. La esponja de hierro es extraída del reactor de lecho fluidizado 3 y es conducida a través de una línea de transporte 7 hacia el gasificador de fusión 8. Para aumentar la producción de gas de reducción en el gasificador de fusión 8, el material que contiene óxido de hierro es introducido directamente al gasificador de fusión 8 a través de una segunda linea de transporte de derivación 5b. Esta linea de transporte de derivación se une a una linea de transporte de conexión 9 a través de la cual se introduce carbón mineral directamente al gasificador de fusión 8 por medio de un dispositivo de alimentación 10. Si es apropiado, se usa aire como gas portador. Una cantidad parcial de la esponja de hierro producida se deriva del reactor de lecho fluidizado 3 a través de la linea de transporte 7a y se suministra a un dispositivo de enfriamiento, no ilustrado en mayor detalle, se enfria y se almacena. Esta esponja de hierro se usa nuevamente en la fase de descarga y durante el calentamiento de los reactores de lecho fluidizado. En el gasificador de fusión 8, se genera un gas de reducción que contiene CO y H2 a partir de carbón mineral y gas que contiene oxigeno en una zona de gasificación de fusión 8a y se extrae del gasificador de fusión por medio de una linea de descarga de gas de reducción 12. Después de fluir a través de una planta de remoción de polvo en caliente en caliente 13, la fracción de cantidad predominante del gas de reducción procesada en esta forma es conducida a través de lineas de conexión de gas de reducción 14a, en contracorriente al flujo pasante de mineral, primero dentro y a través de la etapa de reducción final del reactor de lecho fluidizado 3, y, subsiguientemente, a través de las lineas de conexión de gas de reducción 14b y 14c y a través de los reactores de lecho fluidizado 2 y 1. El polvo fino separado en la planta de remoción de polvo en caliente en caliente 13 es introducido en el gasificador de fusión 8 nuevamente a través de las lineas de retorno 15.
El gas de reducción consumido sale del reactor de lecho fluidizado 1 como gas de alto horno a través de la linea de gas de alto horno 16a y fluye a través de un depurador de gas de alto horno 17 y, corriente abajo de un compresor 18, a través de una planta de remoción de C02 19. Una corriente parcial del gas de alto horno procesado en esta forma es regresada a la linea de gas de alto horno 16b y suministrada en una forma dosificada a la corriente de gas de reducción en la linea de conexión de gas de reducción 14a poco antes de entrar al reactor de lecho fluidizado 3. Por medio de un dispositivo de medición de temperatura 20, la temperatura de reducción de gas instantánea en la linea de conexión de gas de reducción 14a se mide antes de entrar al reactor de lecho fluidizado 3, y el mezclado dosificado del gas de alto horno procesado de la linea de gas de alto horno 16b tiene lugar como función de la temperatura óptima del gas de reducción en la entrada al reactor de lecho fluidizado 3 por medio de un dispositivo de regulación de cantidad 21 en la linea de gas de alto horno 16b.
Una corriente parcial de gas de reducción fresco, después de depurar en un depurador 23, puede alimentarse vía una linea de derivación 22 a la linea de gas de alto horno 16a corriente arriba de un compresor 18, dando como resultado que se mejoren las condiciones de operación de la planta de remoción de C02 19. Pequeñas cantidades del gas de reducción procesado del gasificador de fusión 8 no son conducidas a través del reactor de lecho fluidizado 3 de la etapa de reducción final, sino, más bien, son suministradas directamente a los reactores de lecho fluidizado 2 y 1 de la etapa de prerreduccion por medio de las lineas de conexión de gas de reducción 14d y 14e. La linea de conexión de gas de reducción 14d se une a la linea de conexión de gas de reducción 14b justo corriente arriba de la unión hacia el reactor de lecho fluidizado 2, y la linea de conexión de gas de reducción 14e se une a la linea de conexión de gas de reducción 14c justo corriente arriba de la unión hacia el reactor de lecho fluidizado 1. Mediante el gas de reducción fresco mezclado con el gas de reducción ya parcialmente consumido por lo menos debido al flujo a través de un reactor de lecho fluidizado, se eleva correspondientemente tanto la calidad del gas de reducción como su temperatura de entrada al reactor de lecho fluidizado respectivo 1 ó 2, con el resultado de que se mejora el grado de prerreduccion. Para el mezclado dosificado del gas de reducción fresco, a las lineas de conexión del gas de reducción 14d, 14e se les asigna similarmente un dispositivo de regulación de la cantidad 21 y, si es apropiado, a las lineas de conexión de gas de reducción 14d, 14e se les asigna un dispositivo de medición de temperatura 20 para la regulación más precisa del mezclado . Una o más lineas de transporte 9 para portadores de carbón sólido y una linea de aire para gases que contienen oxigeno coinciden en el gasificador de fusión 8. En el gasificador de fusión 8, arrabio fundido o material intermedio de acero fundido y escoria fundida se recolectan debajo de la zona de gasificación de fusión 8a y son vaciados vía las tomas 23, 24. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.