MX2012001425A - Metodo para producir hierro de reduccion directa con emisiones limitadas de co2. - Google Patents

Metodo para producir hierro de reduccion directa con emisiones limitadas de co2.

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Abstract

Un método y aparato para producir hierro de reducción directa (DRI), también conocido como hierro esponja, por medio de un contacto directo de óxidos de hierro con un corriente de gases reductores recirculados y regenerados calientes que contiene hidrógeno y monóxido de carbono. La invención proporciona una manera de disminuir las emisiones de CO2 ala atmosfera no controladas producidas por la combustión que contiene carbono en el calentador de gas reductor, substituyendo, por lo menos parcialmente, una corriente de gas compuesta principalmente de hidrogeno en lugar de los combustibles típicos que contiene carbono. La corriente de hidrógeno combustible, de la que ha extraído el CO2 por medio de una unidad de separación física de gases (que puede ser una unidad del tipo de adsorción PSA/VPSA, una unidad de separación por membranas o una combinación de unidad PSA/VPSA y una unidad de separación de membranas) es derivada de por lo menos una porción de una corriente de gases reductores generados que se recirculan al reactor de reducción. La corriente de hidrógeno combustible derivada se quema en el calentador de gas reductor y/u otro equipo térmico en la planta de reducción, disminuyendo así las emisiones de CO2 directas de la atmósfera.

Description

MÉTODO PARA PRODUCIR HIERRO DE REDUCCIÓN DIRECTA CON EMISIONES LIMITADAS DE C02.
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un proceso para reducir mineral de hierro particulado a hierro de reducción directa (DRI), conocido también como hierro esponja, por medio de contacto directo con una corriente de gases reductores calientes recirculados y regenerados obtenidos de gas natural convertido a hidrógeno y monóxido de carbono. Más particularmente, la invención proporciona una forma para disminuir la emisión a la atmósfera del subproducto CO2 a cuando se usan combustibles que contienen carbono.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El DRI es un material granular sólido que se produce reaccionando minerales de hierro (principalmente óxidos de hierro en forma de trozos, pellets de concentrado o mezclas de éstos) con un gas reductor, compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono, a una temperatura en el rango de 750 a 1 100°C.
Las plantas típicas de producción de DRI se describen por ejemplo, en las Patentes de Estados Unidos Nos. 3,779,741 ; 3,765,872; 4,150,972; 4,336,063; 4,834,792; y 5,078,787. Estos sistemas comúnmente comprenden reactores de flujo vertical que tienen una zona de reducción en su parte superior donde el gas reductor caliente fluye hacia arriba a contracorriente con un lecho descendente de mineral de hierro, y opcionalmente una zona de enfriamiento en la cual el mineral de hierro reducido (DRI) en forma de hierro esponja es enfriado con un gas de enfriamiento. Alternativamente, el DRI es descargado caliente directamente del reactor y alimentado a un horno fusor de DRI o a un recipiente de enfriamiento separado.
El gas reductor se obtiene generalmente por reformación de gas natural en un reformador catalítico externo (ver por ejemplo las patentes de Estados Unidos Nos. 3,765,872 y 4,150,972) o, más eficientemente, dentro del reactor de reducción utilizando el DRI como un catalizador de reformación efectivo (ver las patentes de Estados Unidos Nos. 4,336,063, 4,668,284 y 5,1 10,350).
El reformador catalítico externo comprende un banco de tubos llenos de catalizador localizados en una cámara de calentamiento. Dichos tubos son calentados externamente por productos ce combustión calientes (incluyendo C02 en cantidades significativas) liberados por los quemadores y finalmente venteados a la atmósfera a través de una chimenea.
El gas reductor, introducido al reactor en la parte inferior de la zona de reducción, se extrae subsecuentemente de la parte superior de la zona de reducción y se divide en dos corrientes: la mayor parte del gas es tratada para regenerarlo eliminando la mayor parte de los subproductos de reacción, (dióxido de carbono y agua), mientras que la corriente de menor volumen se purga en un volumen suficientemente para evitar la acumulación de gases inertes (como el N2) en el sistema y típicamente se puede usar como combustible.
Es conocido en el arte desde hace tiempo extraer agua y dióxido de carbono para regenerar el gas reductor gastado. En particular, las Patentes de Estados Unidos Nos. 2,547,685, 4,001 ,010; 4,129,281 ; 3,853,538; y 4,046,557 muestran la extracción de agua por medio de un enfriamiento, y la de C02 por medio de absorción química en una unidad donde el gas que contiene CO2 se pone en contacto con una solución líquida que reacciona con dicho C02 produciendo una corriente de gas de C02 puro que sale de la planta.
Cuando se utiliza un reformador catalítico externo, la corriente de gas reductor regenerado, después de combinarse con el gas reductor de repuesto, se calienta en un calentador de gas y finalmente se recircula al reactor de reducción donde, como se indicó anteriormente, ocurren las reacciones de reducción.
En una planta de Cero-Reformador, i.e. una planta sin un reformador externo, la corriente de gas reductor regenerado, del que se ha separado la mayor parte de C02, se alimenta finalmente al reactor de reducción después de saturarse con agua caliente, que puede tomarse del enfriador de gas cornos se sugiere en la patente de Estados Unidos No. 5,1 10,350. El contenido de agua en la corriente de gas reductor recirculada promueve la auto-reformación del gas natural alimentado previamente a la corriente de gas reductor regenerado. La mezcla de gas natural, agua y gas recirculado es calentado subsecuentemente en un calentador de gas (típicamente complementado por una inyección de 02 para alcanzar una temperatura más alta) y se alimenta al reactor de reducción, donde, como se indicó previamente, ocurren simultáneamente las reacciones de reformación y de reducción.
Alternativamente, se puede separar el C02 de una mezcla de gases utilizando un sistema de adsorción física del tipo PSA o VPSA (que ilustran las patentes de Estados Unidos Nos. 3,788,037; 4,869,894; 4,614,525; 5,026,406; 5,152,975; 5,833, 734; 5,858,057 y 6,027,545) o por otros medios conocidos en la industria.
La patente de Estados Unidos No. 6,027,545 es la primera en sugerir aplicar esta tecnología en una planta de reducción directa. Sin embargo, en el método descrito por esta patente, no hay una separación selectiva de C02 por medio de un sistema de absorción química. También, el sistema PSA no se usa para separar el C02 de la mayoría de la corriente de gas reductor gastado que se recircula, sino que se usa para recuperar una corriente de hidrógeno de alta pureza de la cantidad relativamente pequeña de gas que se purga y que recircula después el H2 para agregarlo y usarlo como parte del gas reductor recirculado (y no como gas combustible para el calentador).
La patente de Estados Unidos 6,562,103 describe un proceso de reducción directa que incorpora una unidad PSA para separar dióxido de carbono del gas reductor gastado. Esta patente sin embargo describe solamente una forma particular de purgar las unidades PSA pero no muestra o sugiere tratar el gas de cola 60 que va a ser quemado en el calentador 72 de manera que sólo se queme hidrógeno en el calentador (excluyendo substancialmente el resto de los gases que contienen carbón, principalmente CO y CH4). Consecuentemente, el CO2 producido al quemar el gas de cola 60 que contiene carbón y el gas natural 64 se emite incontroladamente a la atmósfera (y no se separa selectivamente en una planta de separación química de CO2).
De esta manera, enana planta de reducción directa típica, las principales fuentes de emisión de C02 se localizan (1) en la columna de absorción de la planta de separación de CO2 (caracterizada como una emisión selectiva de C02) y (2) en la chimenea del calentador de proceso (caracterizada como una emisión no selectiva de CO2). Además, cuando se utiliza un reformador catalítico externo como fuente de gas reductor de repuesto, se tendrá una emisión adicional de C02 no selectiva en la chimenea del reformador.
Como consecuencia de la preocupación en aumento sobre el efecto de invernadero atribuido a la presencia de C02 en la atmósfera, se tienen que considerar medidas para limitar las consecuencias de este problema en el mundo. Una primera medida es reducir esencialmente las emisiones de C02 a la atmósfera. Por esta razón, los productores de DRI están enfrentando la necesidad de desarrollar procesos de reducción directa en los que las emisiones de C02 a la atmósfera se disminuyan significativamente.
Los objetivos de la invención se logran proporcionando un método para la reducción directa de minerales de hierro que comprende un sistema de absorción química, para separar una corriente de C02 casi puro del gas ya gastado que se extrae del reactor, el calentador y el reformador, resultando en que se usa principalmente hidrógeno como combustible en los quemadores: De esta manera se emiten gases esencialmente libres de carbón en las chimeneas del reformador y/o del calentador.
El único combustible que contiene carbón quemado en el calentador y/o reformador, que conlleva una emisión de C02 de las reacciones de combustión en estos equipos, es una pequeña cantidad de gas reductor; que comprende CO, CO2 y CH4, que necesariamente tiene que salir de la planta para purgar gases inertes (como el nitrógeno) que de otra manera se acumularía continuamente, y, si fuera necesario, una corriente mínima de gas natural requerida para producir una flama visible que permita un monitoreo seguro de la ignición del calentador.
Adicionalmente, la invención sugiere producir el hidrógeno requerido como combustible en el mismo sistema de reducción. En particular, se utiliza un sistema de adsorción física del tipo PSA para recuperar hidrógeno de una porción de la corriente de gas previamente regenerada por medio de la planta de absorción química de C02. La separación de hidrógeno también puede también hacerse por otros medios, por ejemplo por medio se membranas separadoras, incluyendo opcionalmente una combinación de sistemas PSA/VPSA y membranas de separación. Adicionalmente, es evidente que ni el sistema de PSA/VPSA y/o los sistemas de membranas no se instalan aisladamente o en combinación como una alternativa a los sistemas de absorción química mencionados arriba, sino que son unidades adicionales, localizadas fuera del circuito de gas reductor de proceso recirculado, y que su objetivo es tratar una porción del gas de proceso fuera del circuito, para recuperar hidrógeno para su combustión en los quemadores y así permitir la conducción de los gases que contienen carbón hacia el circuito de recirculación de gas de proceso.
En esta forma, una gran porción del C02 producido en los quemadores del calentador y el reformador (que ahora se alimentan principalmente con hidrógeno en lugar de combustibles que contienen carbón) se desvía automáticamente a la unidad de absorción química donde casi todo el C02 se separa del sistema de sistema de producción de DRI como un gas de pureza técnica y de manera contenida.
Se puede incorporar la invención de manera ventajosa a ambos tipos de sistemas de reducción, los que tienen un reformador externo y los de Cero Reformador. Sin embargo, es evidente que se prefiere un sistema Cero Reformador, en el cual no se necesita un reformador externo, porque la cantidad e hidrógeno utilizado como combustible tiene que ser suficiente solamente para los quemadores del calentador.
Los documentos citados en este texto (incluyendo la lista de patentes mencionadas), y todos los documentos citados o referenciados en los documentos citados en este texto, se incorporan aquí por referencia. Los documentos incorporados como referencia en teste texto o cualesquiera enseñanzas allí incluidas pueden utilizarse en la práctica de esta invención.
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la presente invención proporcionar un método y aparato para producir DRI con menos emisiones de C02 que escapan incontroladas a la atmósfera.
Es otro objetivo de la invención maximizar la separación selectiva de C02 de la corriente efluente de gas gastado y consecuente minimizar el CO2 no selectivo producido por los quemadores del reformador y/o calentador (que se logra de conformidad con la presente invención utilizando principalmente hidrógeno como combustible).
Es además otro objetivo de la invención proporcionar un método y aparato para aumentar (teóricamente al 100%) la absorción selectiva de C02 en una planta de Reducción Directa.
Es además otro objetivo de la invención reducir la emisión no-selectiva de C02 producida en los quemadores del calentador y del reformador. En particular, la emisión selectiva de C02 es una corriente de C02 puro que puede confinarse o, gracias a su pureza, puede usarse como gas de proceso en otros procesos industriales en lugar de ser venteado sin restricciones a la atmósfera.
SINTESIS DE LA INVENCIÓN Los objetivos de la invención se logran proporcionando un método y aparato para producir DRI en un sistema de reducción directa que comprende, un reactor de reducción, una unidad de enfriamiento de gas, una unidad de absorción selectiva de dióxido de carbono y un calentador de gas reductor. Partículas que contienen óxidos de hierro se reducen a DRI que contiene hierro metálico, por reacción con un gas reductor a alta temperatura compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono; donde gas gastado efluente de dicho reactor se limpia y enfría en dicha unidad de gas de enfriamiento donde se condensa agua y se separa de dicho gas gastado. El gas reductor limpio y enfriado es tratado en dicha unidad de separación selectiva de dióxido de carbono produciéndose una corriente de dióxido de carbono casi puro que puede ser separado controladamente de la planta de reducción; produciendo así un gas reductor regenerado compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono y metano. Una primera porción de dicho gas reductor regenerado se recircula al reactor después de ser calentado en dicho calentador de gas reductor, y una segunda porción de gas reductor regenerado es tratado en un unidad de absorción física para producir una primera corriente de gas compuesta principalmente de hidrógeno y una segunda corriente de gas compuesta principalmente de monóxido de carbono y metano. La primera corriente de gas compuesta principalmente de hidrógeno es quemada como combustible en dicho calentador de gas proceso y la segunda corriente de gas, conteniendo CO y CH4, se recircula al sistema de reducción donde cualquier C02 producido de estos gases que contiene carbón, eventualmente es separado del sistema en dicha unidad de separación selectiva de dióxido de carbono. De esta manera, la primera corriente de gas que contiene hidrógeno se quema en el calentador de gas proceso en lugar de un combustible que contiene carbono y así se disminuyen las emisiones de dióxido de carbono que se emiten abiertamente a la atmósfera desde dicha planta de reducción directa.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra un diagrama de proceso de un proceso de reducción directa del arte previo que se incluye para facilidad de comparación con la invención (ver por ejemplo la patente de Estados Unidos No. 5,110,350) La Figura 2 muestra un diagrama de proceso de un proceso de reducción directa similar a la Figura 1 modificado para incorporar la presente invención.
La Figura 3 muestra un diagrama de proceso de un proceso de reducción directa incorporando otra modalidad de la invención, similar a la Figura 2 pero sin la zona de enfriamiento de DRI donde el DRI es descargado a alta temperatura.
La Figura 4 muestra un diagrama de proceso de un proceso de reducción directa incorporando otra modalidad de la invención, donde se incorpora un reformador de hidrocarburo-vapor para producir el gas reductor de repuesto.
La Figura 5 muestra una porción del diagrama de proceso de un proceso de reducción directa, similar a las Figuras 2 o 3, incorporando otra modalidad de la invención donde se utiliza una membrana de separación de hidrógeno en lugar de una unidad PSA.
La Figura 6 muestra una porción del diagrama de proceso de un proceso de reducción directa, similar a las Figuras 2 o 3, incorporando otra modalidad más de la invención donde se utiliza una membrana de separación de hidrógeno en combinación con una unidad PSA.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN Se describen algunas modalidades de la invención con referencia a las Figura 1 a 6 donde los mismos numerales designan en general elementos similares para simplicidad de referencia en todas las figuras.
La Figura 1 muestra un sistema de reducción directa con Cero Reformador como se practica actualmente, donde el numeral 10 designa en forma general un reactor de reducción gaseosa de mineral de hierro, de cuba vertical y lecho móvil al cual se alimenta mineral de hierro 15 a través de por lo menos una entrada 16 en forma de trozos, pellets o cualquier mezcla de los mismos.
El mineral de hierro desciende por gravedad a través del reactor 10 en contacto a contra-corriente con un gas reductor a alta temperatura. Este gas reductor se introduce al reactor como la corriente de gas 86, localizada en la parte inferior de la zona de reducción 12, y se extrae como una corriente de gas gastado 20 de la parte superior del reactor a una temperatura en el rango de 300°C a 400°C. Esta corriente de gas reaccionado 20, con una capacidad reductora parcialmente disminuida, pasa a través de un cambiador de calor 22 (donde se recupera calor de dicha corriente 20, por ejemplo, para producir vapor o para precalentar gas reductor frío alimentando una corriente fría 23 al cambiador de calor la cual sale como la corriente caliente 21).
Después de pasar a través del cambiador de calor 22, el gas gastado parcialmente enfriado 24, es conducido a una estación de enfriamiento 26, donde se separa el polvo arrastrado por medio de su contacto con una corriente de agua 27 que se extrae como la corriente 29, y el gas limpio efluente 28 pasa después a una estación de enfriamiento 30, usualmente del tipo de contacto directo, donde se condensa el agua subproducto de la reacción de reducción por medio del contacto con agua 31 la cual se extrae del gas reductor como la corriente de agua La corriente resultante limpia y fría de gas gastado 32 se divide, en una pequeña primera porción 33 conteniendo CO, C02, H2 y metano, y es purgada del sistema como gas de cola (que puede usarse como combustible en el calentador de gas 72). La otra porción mayor 35 de la corriente de gas frío 32 se presuriza después por medio del compresor 34 antes de ser alimentada, como corriente 36, a una columna de absorción 38 de un sistema de separación de C02 de absorción química, por ejemplo, utilizando una amina como solvente. De esta manera, el CO2 producido por las reacciones de reducción es separado selectivamente de dicha corriente 36 y es absorbido químicamente en la solución de amina 130. Dicha solución de solvente absorbente 130, fluye de la parte inferior de la columna 40 a la parte superior de la columna de absorción 38 y fluye hacia abajo a través de la columna a contracorriente con el gas gastado, absorbiendo CO2 de manera conocida en el arte. La solución rica en C02 132 sale del fondo de la columna de absorción 38 y se alimenta a la columna regeneradora 40. Se extrae una corriente 42 de C02 casi puro de la parte superior de dicha columna regeneradora 40, mientras que el gas reductor regenerado resultante 44 se extrae de la parte superior de dicha columna de absorción 38. El C02 de la corriente 42 puede usarse en otros procesos industriales o puede ser secuestrado en localidades subterráneas o confinado de otra forma de manera que esta corriente no sea emitida a la atmósfera, contribuyendo así a la preservación del medio ambiente y para cumplir con cualesquier regulaciones ambientales aplicables a la operación de la planta de reducción.
La corriente 44/58 se combina además con una corriente de gas natural de repuesto 64 y después se alimenta a un humidificador 66 donde se ajusta su contenido de agua de manera que la cantidad de agua esté entre 3% y 10% en volumen de la corriente 70, adecuado para que se realice la reformación del metano y de otros hidrocarburos contenidos en dicha corriente 70 dentro de la zona de reducción 12 (como se describe con más detalle en la patente de Estados Unidos No. 5,1 10,350). Para este fin, se usa la corriente de agua 68 efluente del enfriador de gas 30 para saturar el gas reductor y el exceso de agua sale del humidificador como la corriente 67.
La corriente de gas reductor 70 se calienta después en el calentador 72, donde el gas alcanza una temperatura de alrededor de 900°C o más como la corriente de gas reductor 82. Después de esto, se puede agregar una inyección de oxígeno 84 para aumentar aún más la temperatura a niveles sobre 1000°C, para una reducción de los óxidos de hierro más eficiente, y al mismo tiempo, para llevar a cabo una oxidación parcial de reformación de los hidrocarburos presentes en dicho gas reductor, aumentando así la capacidad reductora del gas reductor recirculado.
El DRI producido en la zona de reducción 12 puede descargarse a alta temperatura del orden de 400°C a 750°C, como se muestra en la Figura 3 o puede ser enfriado a una temperatura que permita su descarga y almacenamiento en contacto con el aire atmosférico (preferiblemente debajo de 100°C) para evitar su re-oxidación.
El enfriamiento del DRI se hace pasando una corriente de gas de enfriamiento 122 a una temperatura relativamente baja que fluye hacia arriba a través de la zona de descarga inferior 14 del reactor 10, por lo que la temperatura del gas de enfriamiento aumenta y la temperatura del hierro esponja baja. El gas usado como fluido de enfriamiento es normalmente un gas que contiene carbono, por ejemplo gas natural o un gas reductor, que se descompone al pasar en contacto con el hierro esponja caliente depositando carbono sobre el mismo. De esta forma, es posible alcanzar el grado de carburización deseado, seleccionando la composición adecuada de gas. El gas de enfriamiento gastado 90 puede ser enfriado y recirculad de manera conocida en el arte. En forma breve, el gas caliente extraído de la parte superior del la zona de enfriamiento como la corriente 90, es tratado en una estación de limpieza 92 para separar el polvo mediante contacto del gas con una corriente de agua 93 que sale como corriente 95, y la corriente 94 de gas limpio se enfría toda vía más por contacto con la corriente de agua 97, la cual se descarga como la corriente de agua 99, antes de ser recirculada como la corriente de gas de gas 98 por medio del compresor 100 en el circuito de enfriamiento cerrado. Se combina una corriente de gas de enfriamiento de repuesto 80, preferiblemente de gas natural, de una fuente adecuada 77, con la corriente 120 y se recircula como la corriente de gas de enfriamiento 122 a la zona de descarga 14.
En los proceso del arte previo, hay emisiones de C02 a la atmósfera a través de la chimenea 131 del calentador como resultado de la combustión de la corriente de gas natural 78 y de la corriente de gas de cola 33, que pueden ser del orden de 169 Kg de CO2 por tonelada métrica de DRI.
Con referencia ahora a la Figura 2, que muestra una modalidad preferida de la invención, el gas reductor regenerado efluente 44 de la unidad de absorción química de C02 38/40 es dividido en dos corrientes. Una primera corriente 58 es conducida al humidificador 66 para ser eventualmente reciclado a la zona de reducción 12 del reactor 10, mientras que una segunda corriente 46 es dividida posteriormente en dos porciones. En particular, una primera porción 48 es tratada en una unidad de adsorción física 140 del tipo PSA (adsorción por cambios de presión) para separar los gases de moléculas grandes, en su mayor parte monóxido de carbono y metano, de los gases de moléculas más ligeras contenidos en dicha corriente de gas, por ejemplo hidrógeno, nitrógeno y agua. Por lo tanto, se produce una corriente 74 rica en hidrógeno la que se alimenta después como combustible a los quemadores del calentador 72. Una pequeña segunda porción 50 de la corriente 46 es purgada del sistema como gas de cola regulada por la válvula 51 y se quema en el calentador de gas de proceso 72. Este gas purgado 50 podría ser esencialmente cero cuando no hay cumulación de gases inertes tales como nitrógeno en el gas reductor de proceso. Finalmente, una pequeña corriente adicional de gas natural 78 se quema en el calentador 78 solamente con el propósito de hacer visible la flama de los quemadores para su monitoreo visual.
La porción restante de la corriente 48, después de ser deshidrogenada, se extrae de la unidad PSA 140 como la corriente 52 compuesta principalmente de CO y CH4 y se comprime después por el compresor 54 antes de ser agregada directamente a la corriente 58 de gas regenerado recirculado proveniente de la columna de absorción 38. La corriente comprimida 56, después de ser combinada con el gas reductor regenerado 58, como la corriente 60, y combinada además con la corriente de gas natural de repuesto 64, se alimenta al humidificador 66 donde se ajusta su contenido de agua de manera que la cantidad de agua presente esté en el rango entre 3% y 10% en volumen en la corriente 70 como se ha descrito más arriba. De conformidad con un principio de la invención, una porción importante del gas natural alimentado normalmente a los quemadores del calentador 72 es substituido por hidrógeno 74 extraído del proceso y una cantidad similar es inyectada al proceso como corriente 64 para mantener el balance de masa total. El resultado final es que el C02 relacionado con la reacción del carbono en el gas natural pasa a través del circuito de proceso casi completamente y es por lo tanto tratado todo en el sistema de absorción de C02, maximizando de esta manera la colección efectiva de C02 y evitando su emisión directa a la atmósfera.
Con la substitución de gas natural por hidrógeno en el calentador de gas, la cantidad de C02 emitida a la atmósfera es del orden de 68 kg por tonelada métrica de DRI, representando una reducción de las emisiones de C02 a la atmósfera a través de la chimenea del calentador 131 comparada con el proceso de arte previo de la Figura 1.
La Figura 3 muestra otra modalidad de la invención donde el DRI producido en el reactor 10 es descargado a alta temperatura por la zona inferior 14 del reactor, del orden de 400°C a 750°C, y por lo tanto los elementos del circuito de gas de enfriamiento se desactivan (o se eliminan, como se muestra). El resto del proceso y del equipo es similar a la modalidad de la Figura 2.
Con referencia ahora a la Figura 4, en esta modalidad, la invención está incorporada en una planta de reducción con un reformador catalítico 148 donde el gas natural 123 y vapor 121 se reforman para producir un gas reductor 126, que se combina después con la corriente de gas reductor regenerado 60 formando una corriente de gas reductor 128. La corriente de gas reductor 128 se alimenta finalmente al reactor después de ser calentada en el calentador 72, donde alcanza una temperatura de alrededor de 900°C. El resto del proceso es similar al descrito en relación con la modalidad de la Figura 2.
La presencia del reformador catalítico externo involucra principalmente la necesidad de recuperar, de la corriente de gas reductor regenerado, la cantidad de hidrógeno requerida para alimentarse no solamente al calentador, como la corriente 74, sino también a los quemadores del reformador como la corriente 73. En consecuencia, el volumen de gas reductor 48 que tiene que ser tratado en la unidad PSA es mayor en comparación con la misma corriente para el caso de una planta Cero Reformador de la Figura 2.
Con referencia a la Figura 5, puede utilizarse una membrana de separación de hidrógeno 142 en lugar de una unidad PSA/VPSA. El principio de operación de un sistema de membranas es diferente de la operación de una unidad PSA/VPSA. Los sistemas de membranas permean compuestos gaseosos que se mueven rápido, tales como H2 y C02 hacia una corriente de gas efluente y mantener los compuesto que se mueven más lentamente tales como CO, CH4 y N2 a alta presión. Un compresor complementario 54 es por lo tanto necesario para comprimir el gas ligero en hidrógeno de manera que se recircule al circuito de gas reductor. Aunque los sistemas de membranas tienen una menor selectividad del hidrógeno con respecto al CO, tienen la ventaja de de un menor costo de compresión.
Con referencia ahora a la Figura 6, donde se utiliza una combinación de una unidad PSAA/PSA 140 y un sistema de separación por membranas 142 para la separación de hidrógeno, la corriente de gas a alta presión y pobre en C02 74 efluente de la unidad PSAA PSA 140 se alimenta al sistema de membranas 142 produciendo una corriente de gas 75 rica en H2 a baja presión, la cual se usa como combustible en el calentador 72, y una corriente pobre en H2 a presión más alta 76. La corriente de gas pobre en H2 52 que sale de la unidad PSA/VPSA 140 se comprime por el compresor 54 y se combina con la corriente 76 efluente del sistema de membranas 142 y la corriente combinada se comprime por el compresor 55 para recircularse al circuito de gas de reducción como la corriente 58.
Opcionalmente, el DRI puede ser descargado a alta temperatura (ver Figura 3) del orden de 400°C a 750°C y subsecuentemente briqueteado en caliente o transportado reumáticamente a un horno de aceración de manera conocida en el arte.
Como otra alternativa, el gas reductor puede substituirse por un gas sintético (producido por gasificación de carbón o petróleo) o por gas efluente de otras plantas (como gas de coquerías) que contienen especies como CO, H2 y CH4. El método descrito en esta patente es aplicable a cualquier tipo de gas de repuesto, independientemente de si es gas natural, o gas reformado o gas de síntesis o cualquier otro gas conteniendo CO, CH4 y H2.
La cantidad de CO2 emitido a la atmósfera a través de la chimenea del calentador 131 puede aumentar; si se alimenta más hidrocarburo gaseoso 64, por ejemplo gas natural, al circuito de reducción o al circuito de enfriamiento (a través de 80), con el propósito de producir una mayor cantidad de hidrógeno 74 (como combustible para el calentador). Sin embargo, este aumento en hidrocarburo gaseoso circulando en el circuito de reducción demandará un aumento correspondiente en el consumo de oxígeno 84 (necesario para suministrar la energía requerida por las reacciones de reformación que producen hidrógeno adicional derivado de dicho hidrocarburo gaseoso adicional). Así mismo, si la necesidad de hidrógeno es menor, la cantidad de hidrocarburo gaseoso 64 y de oxígeno 80 y CO2 también serán menores.
Ejemplo La siguiente tabla muestra la composición respectiva y los flujos de las corrientes de gas relevantes como fueron calculadas para un proceso de reducción directa que incorpora la presente invención. Las corrientes de gas se identifican por los numerales mostrados en las Figuras 1 y 2. Los flujos y composiciones se calcularon para una planta sin reformador externo produciendo 220 toneladas de DRI/hr con 94% de Metalización (% de hierro metálico sobre hierro total) y 3.5% de carbono.
Se tratan 1 ,631 MCN/Ton DRI de gas reductor gastado (corriente 20), después de la separación de agua en el enfriador 30 conteniendo aproximadamente 10% en volumen de C02, en la unidad de separación de C02 de absorción química 38 donde su contenido de C02 se disminuye a aproximadamente 1.5% en volumen. Una porción de este gas regenerado se recircula al reactor 10 como la corriente 58 y otra porción (corriente 46) con un contenido de C02 ya disminuido, es tratada en la unidad PSA 140 produciendo una corriente de gas combustible 74 de alto contenido de hidrógeno y una corriente 56 con alta concentración de compuestos de carbono, la cual se recircula al circuito de reducción (por medio de la corriente 58) de manera que el C02 fluye a través del circuito de recirculación para ser absorbido en la unidad 38 en lugar de ser emitido por la chimenea del calentador como corriente 131. Mientras que la cantidad de gas natural alimentado a la parte inferior del reactor para enfriar el DRI (corriente 80) es la misma comparada con el arte previo, la cantidad de gas natural alimentada al circuito de reducción (corriente 64) es mayor porque se transforma a hidrógeno y eventualmente se quema en el calentador 72.
TABLA 1 Arte Previo (Figura 1 ) Corriente No. 44 33 64 80 Flujo por ton de DRI (MCN) 1 ,289 127 126 91 Composición % Vol H2 57.442 52.192 CO 12.377 1 1 .246 C02 1 .500 10.224 1 .580 1 .580 CH4 26.992 24.525 88.120 88.120 N2 1 .089 0.990 0.560 0.560 H20 0.599 0.824 Hidrocarburos más pesados 9.740 9.740 C02 emitido por la Chimenea (131 ) = 169 Kg / ton of DRI Invención (Figure 2) Corriente No. 44 74 56 50 64 80 Flujo por ton of DRI (MCN) 1 ,450 166 235 31 136 91 Composición % Vol H2 54.023 98.000 23.025 54.023 CO 15.405 1 .300 25.347 15.405 C02 1 .500 2.557 1 .500 1 .580 1 .580 CH4 24.182 0.700 40.734 28.182 88.120 88.120 N2 4.276 7.290 4.276 0.560 0.560 H20 0.614 1 .046 0.614 Hidrocarburos más pesados 9.740 9.740 CO2 emitido por la Chimenea (131) = 68 Kg / ton of DRI Un balance de carbono fcomparando el arte previo y la invención^ es como sigue: Carbono alimentado a la planta de RD en Ka of CP? por Ton Métrica of DRI producido: Arte Previo (Fig.1) Invención Gas Natural al Circuito de reducción (corriente 64) 285 308 Gas Natural al Circuito de enfriamiento (80) 208 208 Gas Natural al calentador de gas de proceso (78) 54 36 Carbono Total equivalente a C02 alimentado a la Planta 547 552 Carbono extraído de la planta de RD in Ka de CP? por Ton Métrica de DRI producido: Arte Previo (Fig. 1) Invención (Fiq- 2) Carbono en el DRI (18) 128 128 Extracción controlada de C02 por la corriente selectiva (42) 250 356 C02 emitido sin control a la atmósfera por la chimenea (131 ) 169 68 Carbono Total equivalente a C02 extraído de la Planta 547 552 Si el ejemplo anterior se hace para una modalidad de la invención aplicada a una planta que no tenga circuito de enfriamiento (como se muestra en la Figura 3) o que tiene un reformador catalítico externo de vapor de agua-hidrocarburo 148, los valores y composiciones de las corrientes de gas cambiarán pero esencialmente la cantidad de C02 extraído en al unidad de absorción química 38 será similar y la cantidad de C02 emitido a la atmósfera, a través de las chimeneas 131 del calentador 72 y 150 del reformador 148 se disminuirán considerablemente, proporcionando las ventajas y beneficios de la invención.
Debe entenderse, por supuesto, que las modalidades de la invención descritas aquí se han incluido solamente con propósitos ilustrativos; y que se pueden hacer muchos cambios a la misma de acuerdo con una aplicación particular de la invención, la cual está definida por el alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para producir DRI en un sistema de reducción directa que comprende un reactor de reducción, una unidad de enfriamiento de gas, una unidad de separación selectiva de dióxido de carbono y un calentador de gas reductor, donde partículas conteniendo óxidos de hierro son reducidas químicamente a DRI que contiene hierro metálico, por reacción con un gas reductor a alta temperatura compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono derivado de un gas que contiene un hidrocarburo; donde el gas ya gastado efluente de dicho reactor de reducción y que comprende hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y agua es limpiado, y enfriado en una unidad de enfriamiento de dicho gas, donde se condensa el agua y se extrae de dicho gas gastado, y donde dicho gas reductor limpio y enfriado es tratado en dicha unidad de separación selectiva de dióxido de carbono produciendo una corriente de dióxido de carbono casi puro que puede ser extraído en forma controlada de la planta de reducción; produciendo así un gas reductor regenerado compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono y metano; y donde una primera porción de dicho gas reductor regenerado se recircula a dicho reactor después de ser calentado en dicho calentador de gas reductor; caracterizado por tratar una segunda porción del gas reductor regenerado en una unidad de separación de gases para producir un primera corriente de gas teniendo una concentración más alta de hidrógeno y una segunda corriente de gas teniendo una concentración mayor de monóxido de carbono y metano; usar dicha primera corriente de gas como combustible en dicho calentador de gas de proceso, y recircular dicha segunda corriente de gas al sistema de reducción para ser tratada eventualmente en dicha unidad de separación selectiva de dióxido de carbono, por lo que la combustión de dicha primera corriente de gas conteniendo hidrógeno en el calentador de gas de proceso, en substitución de combustibles que contienen carbono, disminuye las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera de dicho sistema de reducción directa.
2. Un método para producir DRI de conformidad con la reivindicación 1 , donde dicha extracción selectiva de dióxido de carbono del gas gastado efluente del reactor de reducción se realiza por absorción química en un solvente adecuado.
3. Un método para producir DRI de conformidad con la reivindicación 1 , donde dicha unidad de separación física de dióxido de carbono es una unidad de adsorción PSA/VPSA.
4. Un método para producir DRI de conformidad con la reivindicación 1 , donde dicha unidad de separación física es una unidad de membranas con permeabilidad diferenciada de gases.
5. Un método para producir DRI de conformidad con la reivindicación 1 , donde dicho hidrocarburo gaseoso es gas natural.
6. Un método para producir DRI de conformidad con la reivindicación 1 , que comprende además enfriar el DRI en una zona de descarga inferior de dicho reactor contactando el DRI con una corriente de gas de enfriamiento.
7. Un método para producir DRI de conformidad con la reivindicación 1 , que comprende además reformar un gas que contiene un hidrocarburo en un reformador y alimentar el gas reductor efluente de dicho reformador a dicho sistema de reducción.
8. Un aparato para producir DRI en un sistema de reducción directa que comprende primeros medios de conducción que conectan un reactor de reducción, una unidad de enfriamiento de gas, una unidad de separación selectiva de dióxido de carbono y un calentador de gas reductor para formar un circuito de recirculación de gas reductor; siendo dicho reactor para la reducción de partículas que contienen óxidos de hierro a DRI conteniendo hierro metálico, por reacción con un gas reductor a alta temperatura compuesto principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono derivados de un gas que contiene hidrocarburos; siendo dicha unidad de enfriamiento de gases para limpiar y enfriar gas gastado efluente de dicho reactor y que comprende hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y agua, por lo que el agua se condensa y se extrae de dicho gas gastado; siendo dicha unidad des separación selectiva de dióxido de carbono para tratar el gas reductor limpio y enfriado para producir una corriente de dióxido de carbono casi puro que puede ser extraído en forma controlada del sistema de reducción, produciendo así un gas reductor regenerado, compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono y metano; siendo dicho calentador de gas reductor para calentar una primera porción de dicho gas reductor regenerado para ser recirculado, a través del circuito de recirculación, al reactor después de ser calentado; y una fuente de gas que provee un gas que contiene hidrocarburo como gas de repuesto para ser reformado a H2 y CO; caracterizado por comprender además una unidad de separación física de gases para tratar una segunda porción del gas reductor regenerado para producir una primera corriente de gas que tiene una concentración mayor de hidrógeno y una segunda corriente de gas que contiene una concentración mayor de monóxido de carbono y metano; segundos medios de conducción para conectar dicha unidad de separación física de gases con los quemadores del calentador de gas de proceso para utilizar como combustible dicha primera corriente de gas; y terceros medios de conducción que conectan dicha unidad de separación física de gases con dichos primeros medios de conducción para recircular dicha segunda corriente de gas al sistema de reducción para ser tratado eventualmente en dicha unidad de separación selectiva de dióxido de carbono; por lo que la combustión de dicha primera corriente de gas que contiene hidrógeno en el calentador de gas de proceso en substitución de combustibles que contiene carbono, disminuye las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera de dicho sistema de reducción directa.
9. Un aparato para producir DRI de conformidad con la reivindicación 8, donde dicha separación selectiva de dióxido de carbono del gas gastado efluente del reactor de reducción es una unidad de absorción química.
10. Un aparato para producir DRI de conformidad con la reivindicación 8, donde dicha unidad de separación física de gases es una unidad de adsorción PSA/VPSA.
1 1. Un aparato para producir DRI de conformidad con la reivindicación 8, donde dicha unidad de separación física de gas es una unidad de membranas con permeabilidad diferenciada de gases.
12. Un aparato para producir DRI de conformidad con la reivindicación 8, donde dicho hidrocarburo gaseoso es gas natural.
13. Un aparato para producir DRI de conformidad con la reivindicación 8, que comprende además un circuito de enfriamiento de DRI formado por cuartos medios de conducción que conectan la zona de descarga inferior de dicho reactor con un enfriador/lavador de gases y medios de compresión para circular una corriente de gas de enfriamiento a través de dicha zona inferior para enfriar el DRI.
14. Un aparato para producir DRI de conformidad con la reivindicación 8, que comprende además un reformador de un gas que contiene hidrocarburos conectado a medios de conducción de dicha fuente de gas y quintos medios de conducción que conectan a dicho reformador con dichos primeros medios de conducción para alimentar gas reformado que contiene principalmente CO y H2.
15. Un aparato para producir DRI de conformidad con la reivindicación 8, que comprende además un humidificador conectado en dicho circuito de recirculación después de dicha unidad de extracción de CO2, y estando dicha fuente de gas conectada con dicho circuito de recirculación en un punto adyacente a dicho humidificador.
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