MX2013001378A - Metodo y aparato para co-produccion de arrabio y gas de sintesis de alta calidad. - Google Patents

Metodo y aparato para co-produccion de arrabio y gas de sintesis de alta calidad.

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Abstract

Se utiliza una combinación de calentamiento por microondas y calentamiento por arco eléctrico/plasma en varios procesos y aparatos que implican co-producción de arrabio y gas de síntesis de alta calidad, producción de biomasa a combustible líquido, producción de carbón a combustible líquido, co-gasificación de biomasa y carbón, tratamiento de desperdicios sólidos municipales, recuperación de energía a partir de desperdicios (desperdicios agrícolas, ASR y PEF), polvo de EAF y tratamiento de lodos de BOF para recuperar zinc y hierro, vitrificación de cenizas peligrosas, y remoción/reciclaje de bromo, cloro y azufre.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA CO-PRODUCCIÓN DE ARRABIO Y GAS DE SÍNTESIS DE ALTA CALIDAD DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un proceso y aparato para reducir y fundir mineral de hierro y generar gas de síntesis de una composición de alta calidad controlada.
El petróleo se ha considerado como el centro de cualquier crisis de energía futura. Para asegurar el suministro de energía en el futuro, por mucho tiempo se han investigado tecnologías para convertir materiales que contienen carbono tales como biomasa y carbono en combustibles líquidos debido a su gran abundancia. La gasificación de biomasa y carbón en un producto de gas rico en monóxido de carbono e hidrógeno típicamente es la primera etapa de la conversión. El proceso de gasificación convencional implica la oxidación parcial de materiales que contienen carbono con oxígeno separado del aire. El reactor comúnmente es una autoclave que puede facilitar las reacciones de alta presión y alta temperatura.
Tanto el separador de aire para la producción de oxígeno como el reactor de alta presión y alta temperatura implican elevados costos de capital y operación, y de esta manera hacen de la gasificación un proceso muy costoso.
El producto de gasificación usualmente contiene 10%-30% de dióxido de carbono además de monóxido de carbono e hidrógeno. El dióxido de carbono necesita removerse para producir un producto de gas de síntesis que se compone casi completamente de monóxido de carbono e hidrógeno. El gas de síntesis es el material de partida para muchas reacciones químicas que conducen a la producción de muchos compuestos químicos útiles, tales como gasolina, diésel, plásticos, fertilizantes y otras sustancias.
Las tecnologías de generación de gas de síntesis actuales típicamente se basan en la quema de un combustible para calentar materiales.
La patente Estadounidense 7,381,230 describe un proceso para la producción de gas de síntesis a partir de una corriente de alimentación que comprende un gas que contiene hidrocarburos y un gas que contiene oxígeno.
La patente Estadounidense 7,452,392 describe un proceso para la conversión de material de desperdicios orgánicos, tales como basura municipal, aguas residuales, desechos posteriores al consumo, y biomasa en gas de síntesis .
La patente Estadounidense 7,717,971 describe un proceso para la producción de gas de síntesis a partir de un materia prima de hidrocarburos utilizando un sistema de reformación por vapor.
La patente Estadounidense 7,736,400 describe un método para producir un gas que comprende cantidades sustanciales de metano, hidrógeno y/o monóxido de carbono a partir de un material carbonoso sólido y un portador de oxigeno que utiliza un reactor de plasma no térmico a una temperatura en un margen de aproximadamente 300°C a 700°C.
La patente Estadounidense 7,658,155 describe un proceso para el tratamiento de desperdicios por gasificación en presencia de oxigeno y vapor o pirólisis para producir un gas residual y tratar el gas residual en una unidad de plasma separada en presencia de oxigeno y vapor.
La solicitud de patente Estadounidense 20080277265 describe un proceso para reformular un gas inicial en un gas reformulado que se ha diseñado para características al aplicar un campo de energización de gas suficiente para reformular la mayor parte de las moléculas gaseosas en sus constituyentes y promover una aceleración de proceso eficiente para la reformulación de los constituyentes en un gas reformulado diseñado para tales características.
La solicitud de patente Estadounidense publicada 20080069765 describe un método para la oxidación parcial catalítica de hidrocarburos con un gas que contiene oxígeno para producir gas de síntesis.
La solicitud de patente Estadounidense publicada 20060228294 describe un método para producir gas de síntesis utilizando un baño de metal fundido al inyectar materiales de alimentación directamente en el baño de metal fundido, inyectar oxígeno y vapor en el recipiente que encierra el baño de metal fundido, remover el gas de síntesis producido continuamente, y remover el metal fundido y el material vitreo periódicamente.
La solicitud de patente Estadounidense publicada 20070102279 describe un método para reducir compuestos orgánicos en carbono y gases por energía de microondas.
La solicitud de patente Estadounidense publicada 20060124445 describe un reactor de calentamiento eléctrico para reformación de gas de hidrocarburos al pasar el gas de hidrocarburos y un gas oxidante a través de un material de revestimiento poroso pero eléctricamente conductor conectado entre dos electrodos. Una fuente eléctrica se utiliza para energizar los electrodos · y dar como resultado en generación de un flujo electrónico en el revestimiento conductor y recalentar el revestimiento.
La solicitud de patente Estadounidense publicada 20050191233 describe un proceso para la oxidación parcial catalítica de hidrocarburos para producir un gas de síntesis.
Las patentes anteriores o las solicitudes de patente publicadas enseñan sólo producciones de gas de síntesis a partir de materiales carbonosos u orgánicos, y no describen la co-producción de gas de síntesis y metal.
La patente Estadounidense 7,674,443 describe un proceso integrado para gasificar una fuente carbonosa utilizando vapor y gas de oxígeno y producir polvo metalúrgico a nanoescala a través de la carboclorinación utilizando gas de cloro como reactivo y monóxido de carbono como disipador de oxígeno.
La solicitud de patente Estadounidense publicada 2002177745 describe un método para procesar materiales de desperdicio en productos más deseables por el recurso de descomponer estos materiales en sus constituyentes moleculares estables y reformarlos en sustancias más deseables en dos cámaras con radiación por microondas, láseres, máseres, y/o energía ultrasónica.
Actualmente, se producen aceros mediante dos tipos de operaciones: molinos integrados y minimolinos. En el molino integrado, se cargan gránulos de mineral de hierro sinterizados, coque y cal en un alto horno (BF) . Se sopla aire a alta velocidad para quemar el coque para generar monóxido de carbono y calor. Los gránulos de mineral de hierro sinterizados se reducen a metal caliente por monóxido de carbono y se funden para formar arrabio líquido. El hierro líquido se envía entonces a un horno de oxígeno básico (BOF) en donde el oxígeno puro se sopla en hierro líquido para remover el exceso de carbono y convertir el hierro en acero. Los problemas fundamentales asociados con esta ruta de producción son las necesidades de coque y combustiones intensificadas. La fabricación de coque es uno de los procesos industriales más contaminantes y la combustión intensificada genera una gran cantidad de polvo y mucho desperdicio de energía en los gases de escape.
Los minimolinos emplean hornos de arco eléctrico (EAF) para fundir la chatarra de acero y/o DRI (hierro de reducción directa) y producir acero generalmente de menor calidad. Los minimolinos tradicionalmente gozaban de un abundante suministro de chatarra de acero. Sin embargo, el rápido crecimiento económico reciente de los principales países en desarrollo ha provocado una escasez de suministro de chatarra de acero.
Actualmente, el DRI se produce por tres tipos de procesos: gas/eje, gas/lecho de fluido, y carbón/RHF (horno de solera giratorio) o RKF (horno giratorio) . En un proceso de gas/eje tal como Midrex o'HYL, se calienta el polvo de mineral de hierro y se reduce a polvo de hierro en un eje con un gas reductor de calor que se deriva de reformar gas natural. En un proceso de gas/lecho de fluido tal como Fior o FINMET, el polvo de mineral de hierro se calienta y se reduce a polvo de hierro en una serie de reactores de lecho fluidizado con un gas reductor de calor, ' el cual también se deriva de reformar el gas natural. En un proceso de carbón/RHF o RKF tal como FASTMET o INMETCO, los gránulos de mineral de hierro y polvos carbonosos se calientan por combustión de un combustible en un horno de solera giratorio o un horno giratorio. El material carbonoso funciona como el agente reductor para reducir los gránulos de mineral de hierro en esponjas de hierro. El proceso de gas/eje domina la producción de DRI en la actualidad. El precio y el suministro incierto de gas natural han provocado dificultades operacionales en muchas plantas de DRI .
Además de producir DRI por reacción sólida, existen diversos procesos de fundición de hierro tales como COREX, Hlsmelt y Mesabi Nugget que producen hierro fundido o implican la fundición del hierro utilizando carbón, gas natural o petróleo como el combustible de combustión o la fuente de calentamiento.
Todas las tecnologías anteriores se basan en el calentamiento externo de los materiales a través de la conducción, convección y radiación de una fuente de calentamiento .
La patente Estadounidense 4,906,290 describe un método para secar y calentar una mezcla de menas en partículas con un material carbonoso que contiene oxígeno utilizando energía de microondas para iniciar la reacción de reducción de las menas. En este método, los desperdicios de óxidos sólidos pueden tratarse de la misma forma que las menas en partículas para recuperar los elementos seleccionados .
La patente Estadounidense 6,277,168 describe una nueva tecnología para fabricar acero basada en el uso de energía de microondas. Esta tecnología puede producir DRI, hierro o acero a partir de una mezcla, que consiste de finos de óxido de hierro, carbono en polvo y agentes fundentes. Esta tecnología se proyecta para eliminar muchas etapas de fabricación de acero intermedias actuales, tales como coquización, sinterización, fabricación de hierro de BF, y fabricación de acero de BOF. En esta tecnología, los subproductos que llevan Zn, Pb, Sn, Cd y Fe tales como lodo de BOF y polvo de EAF pueden tratarse de una forma similar a los concentrados de minerales de hierro para extraer metales preciosos .
La solicitud de patente Estadounidense publicada 2004/70060387 describe un proceso para la reducción de una mena metalífera o concentrado utilizando un plasma inducido por microondas.
La PCT/AU88/00437 describe un método para irradiación por microondas de menas de minerales y concentrados para producir gotitas metálicas.
Todas las patentes anteriores y las solicitudes de patente no tienen producción de acero y combustible gaseoso concurrente .
Los subproductos para fabricación de acero tales como polvo de EAF y lodo de BOF no pueden disponerse directamente debido a que ambos subproductos contienen alto nivel de zinc y plomo y cadmio altamente tóxicos. Diversas tecnologías de HTMR (recuperación de metal a alta temperatura) se han descrito para enseñar los métodos para tratar los subproductos al calentarlos con una fuente de combustión en una condición de reducción en un horno. El zinc y el cadmio existen en la forma de óxidos los cuales se reducen, volatilizan, re-oxidan y se capturan por una cámara de filtros conectada al escape del horno. Lo más exitoso de las tecnologías de HTMR es el proceso de horno de Waelz.
La solicitud de patente Estadounidense 10/950,260 enseña un método para precalentar una mezcla de polvo de EAF y una cantidad de carbono entre 100°C y 200°C con un método de calentamiento convencional. El polvo precalentado entonces se calienta por microondas en un horno compatible con microondas hasta que el zinc en el polvo precalentado se evaporiza para formar un vapor de metal y un residuo. El vapor de zinc entonces se condensa u oxida y se captura por una cámara de filtros. El residuo se remueve del horno de microondas y además se calienta para formar un material fundido. La cantidad de carbono se determina por el porcentaje- de zinc.
No existe gas de síntesis producido en el proceso descrito en esa solicitud.
En la solicitud internacional publicada no. WO 2008/051356, existe una sugerencia de producir gas de síntesis después de una reducción inicial de óxido de hierro utilizando energía de microondas y carbono de preferencia carbón como agente reductor. El gas de síntesis se comprende de CO producido por una reacción de exceso de carbono y oxígeno liberados del óxido de hierro al reducirse en una primera zona de calentamiento por microondas y H2 producido a partir de hidrocarburos y la humedad en el carbón en una segunda zona de calentamiento, ambas reacciones mejoradas por la presencia de hierro metálico producido por la reducción de óxido de hierro.
Sin embargo, puede ser deseable controlar la composición del gas de síntesis para asegurar un importante componente de H2 así como CO el cual fácilmente se puede convertir en combustibles líquidos tal como gasolina.
Es un objeto de la presente invención mejorar los métodos y aparatos descritos en la PCT WO 2008/051356 al incrementar su eficiencia y producción y para producir un gas de síntesis de alta calidad capaz de convertirse fácilmente en combustibles líquidos, y también para incluir la capacidad de controlar la composición de tal gas de síntesis de alta calidad .
Esta invención describe un método que utiliza un una combinación de calentamiento por microondas sucesivo y calentamiento por plasma/arco eléctrico en zonas separadas para diversos métodos que incluyen co-producción de arrabio y gas de síntesis de alta calidad, producción de biomasa a líquido, producción de carbón a líquido, co-gasificación de biomasa y carbón, tratamiento de desperdicios sólidos municipales, recuperación de energía a partir de desperdicios, proceso de polvo de EAF (horno de arco eléctrico) y lodo de BOF (horno de oxígeno básico) para recuperar zinc y hierro, vitrificación de cenizas peligrosas del fondo, y remoción/reciclaje de bromo, cloro y azufre.
En la co-producción de arrabio y gas de síntesis, los finos de óxido de hierro se mezclan con un material que contiene carbono tal como carbón o biomasa o desperdicios orgánicos que contienen cantidades sustanciales de hidrocarburos volátiles tales como metano y también humedad para formar una mezcla de alimentación. La mezcla de alimentación se carga en una cámara de reactor hermética al aire en un espesor relativamente poco profundo en zonas de calentamiento por microondas y por plasma/arco eléctrico. La mezcla se calienta rápidamente en forma inicial hasta temperaturas elevadas por irradiación de microondas en la primera zona, debido a su buena capacidad de absorción de microondas. Los finos de óxido de hierro se reducen por el carbono presente para convertirse en una masa eléctricamente conductora de DRI parcialmente reducido.
El DRI se transporta a la segunda zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico en la cámara de reactor hermética al aire donde se calienta rápidamente a una temperatura mucho mayor para completar la reducción del óxido de hierro en la mezcla de alimentación y fundir el hierro formado por consiguiente para formar pepitas de arrabio. Los gases de escape generados por el calentamiento por microondas se ven obligados también a pasar a través de una segunda zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico a alta temperatura en donde la mezcla se calienta a una temperatura lo suficientemente alta para fundir el DRI y para reformar, descomponer y/o hacer reaccionar los gases de escape generados por la primera fase de calentamiento, resultando en un gas residual de una mezcla de CO y H2. Después de limpiar, el gas residual se vuelve un gas de síntesis de alta calidad. El reactor puede ser un horno de solera giratorio, un horno giratorio, un horno de cuba, un horno de cinta transportadora, o un horno de parrilla sin fin con una combinación de calentamiento por microondas y por plasma/arco eléctrico u otro calentamiento híbrido asistido por microondas .
En la conversión de biomasa o desperdicios orgánicos en gas de síntesis, el material de alimentación se tritura a menos de 5.08 cm (2"), se mezcla con un material de absorción de microondas, y se alimenta en la cámara de reactor hermética al aire con calentamiento por microondas sucesivo subsiguiente y por plasma/arco eléctrico. La materia prima se piroliza rápidamente mediante calentamiento por microondas, resultando en la producción de gases combustibles, vapor de aceite, vapor, y carbón vegetal. Los gases de escape se fuerzan a pasar a través de y el carbón vegetal viaja a la zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico a alta temperatura para reformar, descomponer o hacer reaccionar, resultando en un gas residual de una mezcla de CO y H2. Pueden llevarse a cabo tratamientos adicionales del gas de síntesis en pequeños reactores auxiliares. Después de tales tratamientos y limpieza, los gases residuales se convierten en un gas de síntesis de alta calidad adecuado para la conversión a combustibles líquidos.
El polvo de EAF y el lodo de BOF también pueden procesarse utilizando el método de esta invención para recuperar Zn y Fe, y producir gas de síntesis y un material cerámico. En esta solicitud, el polvo de EAF o el lodo de BOF se mezcla de preferencia con un material que lleva bajo contenido de carbono volátil para formar una mezcla.
La mezcla se carga en el reactor y se calienta por irradiación de microondas a temperaturas elevadas. Después del calentamiento, el óxido de zinc en el polvo o lodo se reduce, se funde y se evapora en los gases de escape. El vapor de zinc se condensa para formar partículas de zinc en la atmósfera reductora. Las partículas de zinc se recolectan por una cámara de filtros. Tras el calentamiento continuo, el óxido de hierro restante en el polvo o lodo se reduce para formar DRI.
El calentamiento adicional por un calentador de plasma/arco eléctrico convierte el DRI en pepitas de arrabio. Los gases de escape después de reformar, descomponer y reaccionar durante el calentamiento por plasma/arco eléctrico y en presencia de hierro fundido y carbono a temperaturas elevadas se vuelve en un gas residual de mezcla de CO y H2. Después de limpiar, el gas residual se vuelve un gas de síntesis de alta calidad. Los materiales adicionales pueden mezclarse en el polvo o lodo para formar un material de alimentación para controlar la composición de escoria para crear un material cerámico comercializable .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se describe además con referencia a las diversas vistas de los dibujos en donde, sin limitar el alcance de la invención reclamada: La FIGURA 1 es una representación diagramática de una combinación de horno de microondas/arco de plasma adecuada para llevar a cabo un proceso de acuerdo con la invención .
La Figura 1A es una vista diagramática de una variación del horno mostrado en la Figura 1.
La FIGURA 2 es una vista diagramática en planta de una combinación de horno de solera giratorio de microondas/arco de plasma adecuada para llevar a cabo la invención .
La FIGURA 3 es una vista en sección transversal agrandada de una guía de ondas de purgado de gas mostrada en la Figura 1 con una ventana de soplado de gas, limpieza fiable, y fácil remplazo.
La FIGURA 4 es una representación diagramática de una forma alternativa de un horno de microondas/arco de plasma .
La FIGURA 5 es una representación diagramática de un reactor auxiliar de reformación de gas calentado por plasma/oxidación parcial de carbono.
La FIGURA 6 es una representación diagramática de un reactor auxiliar de reformación de gas calentado por inducción/oxidación parcial de carbono.
La FIGURA 7 es una representación diagramática de un reactor auxiliar de reformación de gas calentado directamente por arco eléctrico/oxidación parcial de carbono.
En la práctica de esta invención, se proporciona un horno hermético al aire capaz de una operación continua, el horno 10 como se representa en la FIGURA 1, tiene una cámara 100 que tiene una zona 101 de calentamiento por microondas, una segunda zona 102 de calentamiento por plasma/arco eléctrico con restricción de gas, una zona 103 de enfriamiento, un sistema de alimentación de material que comprende una lumbrera 104 de alimentación de carbono del fondo, una lumbrera 105 de alimentación de materia prima, un mecanismo 106 de descarga de producto sólido, una lumbrera 107 de exportación de producto gaseoso, y un horno de solera de viaje continuo cubierto con la capa 108 refractaria de un espesor de preferencia de más de media longitud de microondas. De preferencia, el horno tiene una solera 90 giratoria que tiene un OD y un ID para formar un horno 10A de solera giratorio de microondas/arco de plasma como se muestra en la FIGURA 2.
Como alternativa, el horno puede comprenderse de una cámara de calentamiento por microondas y una cámara de calentamiento por plasma/arco eléctrico separada las cuales se conectan para formar un horno integrado como se describe en lo siguiente.
Se introducen las microondas en la zona 101 de calentamiento por microondas a través de segmentos 109 de guia de ondas. Los segmentos 109 se conectan de una manera hermética al aire para unir cada generador de microondas, como se muestra a la zona 101 de calentamiento de la cámara 100. Dos ventanas 303, 304 transparentes a microondas (Figura 3) se instalan en la pieza integrada de la guia de ondas, uña cerca del extremo 110 de generador y una en la entrada 111 a la zona 101. Los segmentos 109 de guia de ondas se purgan continuamente con un gas inerte, CO, H2 o gas de síntesis a través de una lumbrera 301, como se muestra en la FIGURA 3 para evitar que el aire entre en la cámara 100 de horno si la ventana se rompe. De otra manera, puede existir una explosión si el aire se mezcla con el gas de síntesis producido a una temperatura elevada. La superficie de la ventana de entrada orientada hacia el interior de la cámara se limpia continuamente con un gas, de preferencia el mismo gas de purgado de guía de ondas, introducido a través de un mecanismo 302 de vuelta en U. La ventana 300 de entrada se comprende de dos mitades 303 y 304 idénticas, y ambas se montan de manera deslizable en un bastidor, una en la posición de trabajo y la otra 304 en una posición de limpieza y remplazo. Cada ciclo de deslizamiento invierte las posiciones de las dos mitades 303, 304 y también limpia las mitades 303, 304 de ventana con un cepillo 305. El movimiento deslizante puede accionarse por un cilindro de aire (no mostrado) y controlase automáticamente. Si se daña, cada mitad de ventana 303, 304 puede remplazarse fácilmente sin interrumpir la operación. El cepillo 305 de limpieza de ventana y fácil remplazo hace del calentamiento por microondas adecuado para tratar un ambiente de cámara con polvo, humedad y humo.
Para producir pepitas de arrabio y gas de síntesis de alta calidad, un mecanismo 104 de carga de carbono de fondo se conecta a la cámara 100 de horno. Varios sopletes 112 de uno o dos electrodos de plasma precisamente dispuestos se instalan en la zona 102 de calentamiento por plasma/arco eléctrico, de preferencia dispuesta en múltiples filas y múltiples columnas con espacios de arco entre 1.27 cm (0.5") y 30.48 cm (12.0"), de preferencia 2.54 cm (1.0") a 5.08 cm (2.0"), y de alturas uniformes o gradualmente descendentes. El área en sección transversal de la zona 102 de calentamiento por plasma/arco eléctrico se reduce de la zona 101 de calentamiento por microondas para asegurar que sustancialmente todo el gas de escape se caliente rápidamente por la formación de arco eléctrico de plasma a ultra alta temperatura .
El gas de plasma puede ser ¾, CO, gas de síntesis, vapor de H2O, o un gas inerte. Opcionalmente cada soplete puede utilizar un gas de plasma diferente. El espacio entre el techo de la zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico y la superficie superior de la capa de materia prima se encuentra entre 0.635 cm (0.25") y 30.48 cm (12"), de preferencia en el margen de entre 1.27 cm (0.5") a 5.08 cm (2.0") . La longitud de zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico es suficiente para formar arrabio fundido y completar la reformación in-situ, la desintegración térmica y la reacción con carbono residual con los gases de escape para formar un gas de síntesis de alta calidad.
Para aislar la lumbrera 105 de carga de materia prima desde la lumbrera 107 de exportación de gas de síntesis y facilitar el flujo unidireccional de gases a la lumbrera 107 de exportación de gas de síntesis, la cámara 101 tiene al menos una cortina 201, 202 y 203 de material dinámico (Figura 2) . Para facilitar la formación de pepita de arrabio, la solera 90 de horno gira en una manera gradual. Tanto las duraciones de parada como las distancias de rotación son ajustables. También, la cámara 100 puede tener un inyector 204 de gas instalado (Figura 2) con múltiples aberturas inmediatamente después de la zona 102 de plasma/formación de arco eléctrico para cortar por soplado el arrabio fundido y la escoria en piezas, o se instala con agua enfriada y un eje horizontalmente girado con múltiples brazos para cortar el arrabio fundido y la escoria en piezas.
En la práctica de la invención, la mena de hierro (un óxido de hierro) se extrae, tritura, muele y concentra por un proceso de separación para incrementar el contenido de hierro. Las partículas finas concentradas de mena de hierro, de preferencia al menos más finas que 100 mallas, y de preferencia más finas que 325 mallas, se mezclan con partículas finas ~de un material que contiene carbono, de preferencia al menos más finas que 100 mallas, de preferencia más finas que 200 mallas, tal como carbón pulverizado, y compuestos que contienen hidrógeno, ya sea como partículas sólidas finas o como líquido en una cierta proporción. El carbón bituminoso tendrá típicamente humedad sustancial y contenido de hidrocarburos volátiles, principalmente metano, para proporcionar un contenido de hidrógeno sustancial en los gases de escape.
La proporción correcta de componentes de materia prima se determina al analizar el contenido de óxido de hierro en la mena de hierro y el contenido de carbono fijo en el carbón pulverizado suficiente para completar la reducción del óxido de hierro por el carbono fijo, mezclar los materiales anteriores en la proporción que es capaz de remover el oxígeno completamente del óxido de hierro y para formar hierro con el contenido de carbono entre 2.06 a 6.67%, de preferencia alrededor de 4.3% eutéctico para disminuir el punto de fusión del hierro, y para producir un gas de síntesis con la proporción de H2/CO de preferencia en el margen de 0.5 a 3.0, de preferencia alrededor de 2%. La mezcla se utiliza como el material de alimentación en forma de masas en polvo suelto o de aglomerados con un aglutinante.
Las partículas de carbono se cargan en la cámara 100 de horno, distribuidas sobre el material refractario 108 de fondo en una capa 113 de una profundidad entre 0.635 cm (0.25") a 5.08 cm (2.0"), de preferencia 1.27 cm (0.5") a 2.54 cm (1.0") de espesor, a través del mecanismo 104 de carga de carbono de fondo. La capa 113 de carbono sirve como un aislante entre el material refractario 108 y el arrabio fundido, al igual que como receptor de microondas. A continuación, la mezcla de materia prima se carga en una capa 114 de 1.27 cm (0.5") a 30.48 cm (12") de preferencia alrededor de 3.81 cm (1.5") de espesor, en la cámara hermética al aire sobre la capa 113 de carbono de fondo. La profundidad de la capa 114 de mezcla de alimentación se establece utilizando una puerta 119 deslizante. Tres procesos suceden durante los calentamientos sucesivos: la reducción parcial de la amena de hierro en la primera zona y, la fundición de hierro, y la reformación in-situ/desintegración térmica/oxidación parcial de los gases de escape y carbono para formar la composición de gas de síntesis.
En cuanto a la reducción parcial de la mena de hierro, en primer lugar, la energía de microondas calienta la capa 114 de la mezcla de mena de hierro y carbón de materia prima en aproximadamente 800°C en unos cuantos minutos. Durante el calentamiento por microondas, el carbón sirve como el agente reductor para el óxido de hierro, y una fuente de calentamiento auxiliar mediante una reacción de oxidación exotérmica del carbono y como la fuente de hidrógeno para la generación de gas de síntesis. El óxido de hierro sirve como la fuente de hierro para la producción de acero, así como también la fuente de oxígeno para la reacción parcial de carbono para formar CO que actúa como el agente de reducción principal. Una distinción sobre la gasificación de carbón convencional, el oxigeno proviene del óxido de hierro (química de bucle) en lugar de oxígeno puro producido por una planta de oxígeno.
Durante el calentamiento por microondas, la mena de hierro se reduce rápida y parcialmente en hierro de reducción directa (DRI). Después de que se forma el DRI, el material de alimentación se vuelve un amortiguador de microondas deficiente debido a la formación de hierro metálico en red. El calentamiento por microondas se diseña para resultar en aproximadamente 50-70% de metalización con alta eficiencia de calentamiento. Los volátiles en el carbón (principalmente metano, CH4) y el vapor también se liberan durante el proceso de calentamiento inicial.
A continuación, el contenido de hierro y carbono en la materia prima puede controlarse para formar la composición eutéctica de Fe-C (4.26% de C) a través de la fórmula de materia .prima. En la composición eutéctica, el punto de fusión de la aleación de Fe-C es de 1154°C.
El calentamiento con arco de plasma se ocupa después del calentamiento por microondas para completar la reducción de mena de hierro y fundir el material de Fe-C eutéctico o casi eutéctico (arrabio) . La combinación de una rotación gradual de horno de solera, o un recorrido gradual de avance de material, con la disposición de sopletes de plasma organizada, el arrabio fundido forma pepitas sin esquinas profundas. También puede utilizarse un inyector 204 de gas (Figura 2) para cortar por soplado o el eje girado horizontalmente con múltiples brazos para cortar el arrabio fundido y la escoria en piezas. La ceniza en el carbón y las impurezas en la mena de hierro forma la escoria. La composición de escoria puede ajustarse al agregar agentes fundentes en la alimentación para formar una escoria adecuada para desulfurización y defosforización con un menor punto de fusión, menor viscosidad, básicamente adecuadas, y fácil separación de las pepitas de arrabio después del enfriamiento .
La capa 113 de carbono subyacente restante funciona como un aislador entre las pepitas fundidas y la escoria de la base 108 refractaria y facilita la descarga de las pepitas producidas y la escoria desde la base refractaria a través de un tornillo sinfín 205 (Figura 2) y se recolecta en un tanque 115 (Figura 1) . Las pepitas de arrabio producidas pueden utilizarse como material de alimentación para fundiciones ferrosas o fabricación de acero utilizando hornos de arco eléctrico convencionales.
A 800°C y más,' el hierro funciona como catalizador para promover la transformación del metano, otros hidrocarburos, vapor de agua y vapor de bio-combustible en H2 y CO. La zona 102 de calentamiento por plasma/arco eléctrico comprende una zona 102 de reformación in-situ. Esta zona se construye al disminuir el techo de la cámara de horno y al reducir el área en sección transversal del flujo de gas para forzar los gases en mejor contacto con las superficies de pepitas de hierro recién preparadas.
A temperaturas elevadas en la zona 101 de reducción de microondas enriquecida con carbono, las cuales se requieren para una rápida reducción de la mena de hierro, una mayor parte de agua y C02 reaccionan con carbono para formar H2 y CO. En la zona 102 de reformación in-situ con calentamiento por plasma a una temperatura aún mayor (es decir, el punto de fusión del hierro) tal ambiente además asegura reacciones completas de vapor de agua residual y C02 con carbono residual, tal como carbono de fondo estratificado y para calcinación de biomasa, para formar también H2 y CO.
En esta tecnología, todo el proceso de calentamiento y reacción se lleva a cabo en un sistema continuo y cerrado. Debido a que no se requiere aire para la combustión y el proceso se controla por la Ecuación de Bouduard, sólo el H2 y CO se generan a través de la reformación in situ de gases de escape producidos por el calentamiento- por microondas. De este modo, puede producirse un gas de síntesis de alta calidad. La composición de biomasa, el nivel de humedad, y el diagrama de fase de equilibrio de los óxidos de hierro, hierro, CO y C02 contra la temperatura pueden utilizarse como referencias para controlar la composición de gases residuales.
Debido a que no existe un calentamiento por combustión significativo, el gas residual es de una temperatura inferior y contiene menos partículas. El gas residual entonces se pasa a través de un sistema de limpieza para enfriar adicionalmente, remover partículas, ajustar la proporción de H2/CO por desplazamiento de gas de agua (WGS) , recuperar azufre, y separar H20 y C02, convirtiéndolo en un gas de síntesis limpio. Debido a que no existe vapor o combustión requerida, la producción de gas de síntesis tiene pocos problemas en relación con la separación de H20 y la formación de N0X.
Este gas de síntesis puede convertirse en un combustible gaseoso tal como gasolina y diesel utilizando el proceso de Fischer-Tropsch o Mobil u otros químicos.
Varias reacciones en la mezcla pueden escribirse como: C02+C = 2C0 (1) HzO+C = CO+H2 (2) H2O+CH4 CO+3H2 (3) . . . ¦ C02+CH4 I 2CO+2H2 (4) 3Fe203+H2 = 2Fe304+H20 (5) Fe304+H2 = 3FeO+H20 (6) Fe0+H2 = Fe+H20 (7) 3Fe203+CO = 2Fe304+C(¾ (8) Fe304+CO = 3FeO+C<¾ (9) FeO+CO = Fe+ C02 (10) A partir de estas ecuaciones, puede verse que todo el oxígeno puede suministrarse por óxido de hierro (Ecuaciones 5 a 10) en un reactor de microondas hermético al aire. Cuando la temperatura se encuentra por arriba de 1000°C, sólo CO y H2 pueden coexistir con el carbono (Ecuación de Bouduard) y no habrá C02 y H20 en existencia (Ecuaciones 1 y 2). Los volátiles de la biomasa se reformarán a CO y H2 durante el proceso en presencia de hierro reducido (Ecuaciones 3 y 4) . Por lo tanto, los productos netos en el reactor de microondas/plasma pueden ser sólo hierro, CO y H2. Esto logra teóricamente una eficiencia de carbono al 100% contra el 30% en el proceso convencional. No existirá necesidad de un separador de oxígeno, un generador de vapor, o un reactor de alta presión-alta temperatura como lo requiere la gasificación convencional, ni el coque ni el sistema de depuración ambiental para la producción de acero.
En una opción, la cámara 100 puede tener una lumbrera 116 de inyección de compuestos que contienen hidrógeno (Figura 1) . Una mezcla que contiene hidrógeno adicional tal como H20 y aceite residual se inyecta en la cámara para aumentar la proporción de H2/CO, para reaccionar con las partículas que contienen carbono y las partículas de carbono de fondo, e incrementar la producción de gas de síntesis.
En una forma preferida, la cámara 100 puede tener una lumbrera 117 para cargar la biomasa o desperdicios orgánicos. Las piezas adicionales de biomasa o desperdicio orgánico se cargan en la cámara en una capa 118 entre 0.635 cm (0.25") a 5.08 cm (2") de espesor sobre la capa 114 de la mezcla de materia prima principal como aislante térmico para reducir la pérdida de calor, utilizar el calor más eficientemente, incrementar la producción de gas de síntesis, y facilitar la reacción de carbono con vapor excesivo y C02 especialmente en la zona 102 de plasma/formación de arco eléctrico. Sometidos al calor, la biomasa o los desperdicios orgánicos liberan los gases de escape y dejan una capa de carbón vegetal poroso. El carbón vegetal reaccionará con el vapor de agua residual y C02 para generar más gas de síntesis en la zona 102 de calentamiento por arco de plasma.
La cámara 100 también puede tener una zona 102A de calentamiento por inducción (Figura 1A) de preferencia calentada por un RF (calentador de radiofrecuencia como se muestra en la Figura 1A) , después de la zona 102 de plasma/formación de arco eléctrico. El plasma/formación de arco eléctrico lleva a cabo la fundición inicial para formar cuentas de metal y el calentamiento por inducción de RF completa la fundición, para formar arrabio fundido y escoria. Otras formas para calentar adicionalmente las cuentas de metal podrían agregarse para diversos propósitos.
La cámara 100 también puede tener un mecanismo de descarga de carbón vegetal antes de la zona 102 de plasma/formación de arco eléctrico. El carbón vegetal de biomasa/desperdicio orgánico podría descargarse antes de transportarse a la zona 102 de plasma/formación de arco eléctrico. El carbón vegetal puede pulverizarse remplazando una parte de las partículas que llevan carbono en la materia prima o la capa 113 de carbono de fondo.
Un aparato alternativo se muestra en la Figura 4, cuyo aparato es básicamente el mismo que aquel descrito en lo anterior para la coproducción de pepitas de arrabio y gas de síntesis de alta calidad, excepto que la zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico comprende un reactor 401 de eje separado adicional el cual se conecta a la lumbrera 402 de descarga de producción de sólidos de la cámara 101 de calentamiento por microondas para recibir DRI y todos los gases de escape, y tiene al menos un soplete 403 de arco de plasma. El reactor 401 de calentamiento por arco de plasma se conecta hermético al aire con una lumbrera de recepción de DRI, una lumbrera 404 de descarga de arrabio fundido, una lumbrera 405 de descarga de escoria fundida, y una lumbrera 406 de exportación de gas de síntesis, la cual se ubica cerca del arco de plasma y crea un contraflujo entre el gas de plasma y el gas de exportación. Las formas, tamaños, ubicaciones y estructuras del calentamiento por arco de plasma y el mecanismo de exportación de gas de síntesis aseguran que el gas de síntesis se someterá al calentamiento con alta temperatura de arco de plasma antes de exportarse. La combinación de cámara de solera giratoria de microondas y el reactor de eje de plasma forman el horno de eje de arco de plasma de solera giratoria de microondas integrado.
La mezcla de materia prima se carga en una capa de 1.27 cm (0.5") a 30.48 cm (12") de espesor, de preferencia alrededor de 10.16 cm (4.0"), en la cámara 100 y después se transportan al reactor 401. Se producen tres procesos durante las etapas de calentamiento sucesivo, la reducción parcial de menas de hierro para convertirse en DRI, fundición de hierro, y reformación in-situ/desintegración térmica/oxidación parcial .
Ocurren los mismos resultados como se describen en lo anterior, es decir, la co-producción de pepitas de arrabio y gas de síntesis de alta calidad. Después de que la reducción parcial mediante calentamiento por microondas, el DRI resultante y los gases de escape se descargan y exportan en el reactor 401 de calefacción de arco de plasma conectado inmediatamente .
El DRI caliente se calienta por formación de arco eléctrico de plasma eléctrico hasta que la reducción de los óxidos de hierro se completa y forman el arrabio fundido y la escoria. El arrabio fundido y la escoria se descargan respectivamente .
Los gases de escape incluyen volátiles, vapor, C02 y otros gases que se descomponen o reaccionan para formar una mezcla de CO y H2 cuando se someten a formación de arco de plasma a alta temperatura. El vapor excesivo y el CO2 reaccionan con el carbono restante para formar CO y H2 con la relación de H2/CO en el margen de 0.5 a 3.0 e hidrocarburos, C02, H20 y 02 menos de 5%, de manera preferible 1%, respectivamente. El gas de síntesis resultante se exporta en un sistema de limpieza (no mostrado) para eliminar impurezas y crear un gas de síntesis de alta calidad.
La mezcla de materia prima se cargan en una capa gruesa de 1.27 cm a 30.48 cm (0.5" a 12"), preferiblemente alrededor de 10.16cm (4.0"), en la zona de calentamiento por microondas y luego se transportan en el reactor PA-SF. Se producen tres procesos durante el calentamiento: reducción parcial de menas de hierro para convertirse en DRI, fundición de hierro, y reformación in-situ/desintegración térmica/oxidación parcial de los gases de escape.
Después de la reducción parcial mediante calentamiento por microondas, el DRI resultado y los gases de escape se descargan y exportan en el reactor 401 de calentamiento de arco de plasma conectado, inmediatamente.
El DRI caliente además se calienta en el mismo por la formación de arco eléctrico de plasma hasta que se complete la reducción de óxidos de hierro y se formen el arrabio liquido y la escoria. El arrabio liquido y la escoria se descargan respectivamente.
Los gases de escape que incluyen gases volátiles, vapor, C02 y otros que se descomponen o reaccionan para formar una mezcla de CO y H2 cuando se someten a formación de arco de plasma a alta temperatura.
Después de la reducción parcial por calentamiento por microondas, el DRI resultante y los gases de escape se descargan y exportan al reactor 401 de calentamiento por arco de plasma conectado inmediatamente.
El DRI caliente se calienta adicionalmente en el mismo por formación de arco eléctrico de plasma hasta que se completa la reducción de óxidos de hierro y se forman el arrabio fundido y la escoria. El arrabio fundido y la escoria se descargan respectivamente.
Los gases de escape que incluyen volátiles, vapor, CO2 y otros gases se descomponen o reaccionan para formar una mezcla de CO y H2 cuando se someten a una formación de arco eléctrico de plasma a alta temperatura. El vapor excesivo y CO2 reaccionan con el carbono restante para formar CO y H2 con la proporción de H2/CO en el margen de 0.5 a 3.0 e hidrocarburos, CO2, H20 y O2 menos de 5%, de preferencia 1% respectivamente. El gas de síntesis resultante se exporta en un sistema de limpieza para remover las impurezas y convertirse en un gas de síntesis de alta calidad.
La invención puede utilizarse para producir gas de síntesis de alta calidad a partir de varias biomasas, carbones, compuestos que contienen hidrógeno, y desperdicios orgánicos que incluyen desperdicios sólidos municipales, desperdicios agrícolas, desperdicios forestales, neumáticos usados, desperdicios de fragmentación de automóviles, y combustibles diseñados por procesos.
El mismo aparato descrito en lo anterior para la co-producción de pepitas de arrabio y gas de síntesis de alta calidad puede utilizarse en la conversión directa de biomasa, carbón y desperdicios orgánicos en gas de síntesis, pero con menos potencia de microondas y potencia de arco de plasma necesarios. Una barra de agitación horizontalmente girada puede instalarse cerca de la zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico para facilitar la reacción de carbono residual con los gases de escape.
Un material que lleva carbono voluminoso tal como biomasa, carbón o desperdicios orgánicos, que de preferencia también contiene hidrógeno, se procesa para reducir a un tamaño menor que 5.08 cm (2.0"), de preferencia menor que 1.27 cm (0.5"). El material procesado se mezcla con el material absorbente de microondas fino, tal como partículas de carbono tratadas con alta temperatura menores que 3 mallas, de preferencia más finas que 100 mallas como receptor de microondas. Para incrementar el contenido de hidrógeno el gas de síntesis producido, otros compuestos que contienen hidrógeno en forma sólida o líquida tal como H2O y aceite residual también pueden agregarse. Los tres materiales se mezclan en la proporción que es capaz de absorber efectivamente la energía de microondas y resultar en un gas de síntesis con la proporción de H2/CO en el margen de 0.5 a 3.0, de preferencia alrededor de 2.0.
La materia prima se carga en la cámara continuamente en una capa de 1.27 cm (0.5") a 60.96 cm (24") de espesor sobre la base refractaria, de preferencia alrededor de 5.08 cm (2.0") a 15.24 cm (6.0") de espesor. Dos procesos ocurren durante el calentamiento: pirólisis de hidrocarburos y reformación in-situ/desintegración térmica/oxidación parcial.
La materia prima se piroliza al someterse a irradiación en microondas para liberar los gases de escape y dejar el carbón vegetal. El carbón vegetal se transporta y los gases de escape se fuerzan en la zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico adyacente y restringida.
Los gases de escape que incluyen hidrocarburos en vapor volátil u oleoso, vapor, C02 y otros gases se descomponen o reaccionan para formar una mezcla de CO y H2 cuando se someten a formación de arco eléctrico de plasma a alta temperatura (reformación in situ) . El vapor excesivo y el CO2 reaccionan también con el carbón vegetal para formar CO y H2 bajo alta temperatura (oxidación parcial de carbono) con la agitación de gas de plasma para formar un gas de síntesis con la proporción de H2/CO en el margen de 0.5 a 3.0 e hidrocarburos, C02/ H20 y 02 de menos de 5% de preferencia 1% respectivamente.
El carbón vegetal restante se transporta a una zona de enfriamiento adyacente y se descarga y el gas de síntesis se exporta en un sistema de limpieza para remover las impurezas y convertirse en un gas de síntesis de alta calidad. El carbón vegetal descargado se pulveriza y una parte se alimenta de nuevo como las partículas de carbono tratadas a alta temperatura en la mezcla de materia prima.
Además, las partículas de carbono pueden cargarse en la cámara en una capa entre 0.635cm (0.25") a 5.08cm (2.0"), de preferencia 1.27cm (1.0"), a 2.54cm (1.0"), antes de cargar la mezcla de materia prima en la cámara, sirviendo como receptor de carbono de fondo y microondas.
Como se observa en lo anterior, la cámara 100 puede tener una lumbrera 116 de inyección de compuesto que contiene hidrógeno. En este caso, un compuesto que contiene hidrógeno adicional puede inyectarse en la cámara 100 para reaccionar con las partículas de carbono tratadas a alta temperatura y las partículas de carbono de fondo así como también para consumir el carbón vegetal restante para incrementar la producción de gas de síntesis y la proporción de H20/CO.
La cámara 100 también puede tener una lumbrera 117 para carga adicional de biomasa o desperdicios orgánicos y las piezas adicionales de biomasa y desperdicios orgánicos se cargan en la cámara 100 en una capa 118 entre 0.635cm (0.25") a 5.08cm (2.0") sobre la capa 114 de la mezcla de materia prima principal como aislante térmico para reducir la pérdida de calor, utiliza calor más eficientemente e incrementa la producción de gas de síntesis (Figuras 1 y 4) .
La materia prima se carga en la cámara 100 continuamente en una capa de 1.27cm (0.5") a 60.96 (24") de espesor sobre la base refractaria, de preferencia alrededor de 5.08cm (2.0") a 15.24cm (6.0") de espesor y después se transporta en el reactor de plasma. Dos procesos ocurren durante el calentamiento: pirólisis de hidrocarburos y reformación in-situ/desintegración térmica/oxidación parcial.
La materia prima se piroliza al someterse a una irradiación por microondas para liberar los gases de escape y dejar atrás el carbón vegetal. El carbón vegetal se descarga y los gases de escape se dirigen hacia el reactor de PA-SF conectado.
Los gases de escape que incluyen hidrocarburos en vapor volátil u oleoso, vapor, C02 y otros gases se descomponen o reaccionan para formar una mezcla de C02 y H2 cuando se someten a formación de arco eléctrico de plasma a alta temperatura. El vapor excesivo y el C02 reaccionan con el carbón vegetal para formar CO y H2 bajo alta temperatura con agitación de gas de plasma para formar un gas de síntesis con la proporción de H2/CO en el margen de 0.5 a 3.0 e hidrocarburos, C02, H20 y 02 en menos de 5%, de preferencia 1% respectivamente .
El carbón vegetal restante se descarga del reactor de plasma y el gas de síntesis se exporta en un sistema de limpieza para remover las impurezas y convertirse en un gas de síntesis de alta calidad. El carbón vegetal descargado se pulveriza y una parte de éste se alimenta de nuevo como las partículas de carbono tratadas a alta temperatura en la mezcla de materia prima. La ceniza restante se descarga junto con el carbón vegetal o se vitrifica por la formación de arco eléctrico de plasma y se descarga a través de la lumbrera de escoria .
El reactor 401 de plasma puede tener un reactor auxiliar de reformación de gas/oxidación parcial conectado al mismo como se ve en la Figura 5, particularmente cuando se convierte la biomasa. El reactor 500 tiene un soplete 501 de arco eléctrico, una cámara de columnas, un lecho 502 de partículas de carbono fijo continuamente llenado, un lecho 503 de catalizador fijo, una abertura 504 de entrada de gas conectada al reactor 401 y una abertura 505 de salida de gas de síntesis, y una lumbrera 506 de descarga de ceniza. Una parte del carbón vegetal descargado se tritura y se alimenta en este reactor como el lecho 502 de partículas de carbono fijo.
El reactor 401 de plasma alternativamente puede tener un reactor 600 auxiliar de reformación de gas/oxidación parcial conectado al mismo como se ve en la Figura 6 y ese reactor 600 tiene al menos una cámara de columnas con ID variables, un lecho 602 de partículas de carbono fijo continuamente llenado, un voltaje de CA o CD aplicado en el lecho de partículas de carbono fijo para calentar a través de electrodos 601, un lecho 603 de catalizador fijo, una abertura 604 de entrada de gas, y una abertura 605 de salida de gas de síntesis, y una lumbrera 606 de descarga de ceniza. Una parte del carbón vegetal descargado se tritura y se alimenta en ese reactor como el lecho de partículas de carbono fijo.
El reactor 401 de plasma alternativamente puede tener un reactor 700 auxiliar de reformación de gas/oxidación parcial de carbono conectado a éste, el reactor 700 tiene por lo menos una cámara de columnas con ID variables como se muestra en la Figura 7, un lecho 702 de partículas de carbono fijo continuamente llenado, un voltaje de CA o CD aplicado en el lecho de partículas de carbono fijo para calentar a través de los electrodos 701, un lecho 703 de catalizador fijo, una abertura 704 de entrada de gas y una abertura 705 de salida de gas de síntesis, y una lumbrera 706 de descarga de ceniza. Una parte del carbón vegetal descargado puede triturarse y alimentarse en el reactor como el lecho 702 de partículas de carbono fijo.
El aparato puede utilizarse para las recuperaciones de Zn y Fe de polvo de EAF y lodo de BOF. El polvo de EAF o el lodo de BOF después de secarse remplaza la mena de hierro como el componente de material de alimentación principal. La operación es la misma. El Zn se recupera en forma de polvo recolectado por una cámara de filtros en el sistema de limpieza de gas de síntesis. El hierro se recupera como pepitas de arrabio.
Los términos y expresiones que se han empleado en las especificaciones anteriores se utilizan como término de descripción y no de limitación. No existe intención, en los usos de tales términos y descripciones, de excluir equivalentes de las características mostradas y descritas o porciones de las mismas, se reconoce que el alcance de la invención se define y se limita solamente por las reivindicaciones que siguen.

Claims (35)

REIVINDICACIONES
1. Un método para co-producción de arrabio y gas de síntesis de alta calidad a partir de óxidos de hierro, materiales que llevan carbono, y compuestos que contienen hidrógeno con combinación de calentamiento por microondas y por plasma/arco eléctrico, caracterizado porque comprende: mezclar partículas de óxido de hierro, partículas que contienen carbono y compuestos que contienen hidrógeno que incluyen H20 e hidrocarburos en forma de partículas sólidas finas, líquido o gas; el óxido de hierro mezclado y las partículas que llevan carbono se establecen para encontrarse en una proporción que permite a las partículas que llevan carbono remover el oxígeno completamente del óxido de hierro al reducir el mismo para formar el hierro metálico que tiene un contenido de carbono en un margen entre 2.06 a 6.67%; cargar la mezcla como una materia prima en una capa de 1.27cm (0.5") a 30.48cm (12") de profundidad en una cámara hermética al aire proporcionada con lumbreras de irradiación de microondas, plasma/arcos eléctricos, una lumbrera de carga de materia prima, una lumbrera de descarga de material sólido de arrabio y una lumbrera de exportación de gas de síntesis; calentar la mezcla al aplicar energía de microondas en una zona de calentamiento por microondas en la cámara hasta que la mezcla se hace eléctricamente conductora por al menos una reducción parcial del óxido de hierro y formación de hierro metálico mientras que libera los gases de escape de reacción comprendidos de hidrocarburos, CO, 02 y vapor provocando que el material de la mezcla eléctricamente conductora y los gases de escape se muevan hacia una zona de plasma/formación de arco eléctrico adyacente dentro de la cámara hermética al aire; calentar adicionalmente el material eléctricamente conductor en presencia de partículas de carbono al aplicar el plasma/formación de arco eléctrico en la zona de formación de arco eléctrico hasta lograr completar sustancialmente la reducción de óxidos de hierro y la formación de arrabio fundido y escoria; crear reformación in-situ, desintegración térmica y oxidación parcial de sustancialmente todos los gases de escape de reacción en la zona de plasma/formación de arco eléctrico al calentar a una alta temperatura suficiente alta y por agitación de gas de plasma, en presencia de hierro metálico como catalizador y partículas de carbono y la reacción con C02 restante, para formar un gas de síntesis casi completamente comprendido de una mezcla de H2 y CO; transportar el arrabio fundido y la escoria en una zona de enfriamiento adyacente para formar arrabio sólido y escoria; exportar el gas de síntesis de la zona de formación de arco eléctrico y remover las impurezas del mismo para crear un gas de síntesis de alta calidad; y descargar el arrabio sólido y la escoria a través de la lumbrera de descarga de material sólido.
2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye proporcionar la cámara con una capa de fondo refractaria de al menos la mitad de una microonda de espesor en la cual se deposita la mezcla de materia prima al cargarse en la cámara.
3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque incluye proporcionar la cámara hermética al aire con una lumbrera para carga de partículas de carbono de fondo y además cargar partículas de carbono en la cámara en una capa de fondo que varía en profundidad de 0.635cm (0.25") a 5.08cm (2.0") antes de cargar la mezcla de las partículas de óxido de hierro la cual entonces se depositan sobre la capa de fondo, partículas que llevan carbono y compuestos que contienen hidrógeno para actuar como aislante entre la capa de fondo refractaria y el arrabio fundido al igual que como receptor de microondas.
4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque proporciona la cámara con una lumbrera de inyección de compuesto que contiene hidrógeno y además comprende inyectar un compuesto que contiene hidrógeno adicional en la cámara para incrementar una proporción de H2/C0 en el gas de síntesis al hacer reaccionar los gases de escape con las partículas que llevan carbono, y también incrementar la producción de gas de síntesis.
5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende proporcionar múltiples arcos eléctricos/plasma distribuidos en la zona de formación de arco eléctrico en múltiples filas y múltiples columnas con espacios de arco de intervención que se extienden entre 1.27cm (0.5") a 30.48cm (12.0").
6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye reducir el ancho y/o altura de la zona de plasma/formación de arco eléctrico de la altura y ancho de la zona de calentamiento por microondas de modo que cuando los gases de escape se muevan hacia la zona de formación de arco eléctrico se calienten adicionalmente por el plasma/formación de arco eléctrico a alta temperatura.
7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye establecer un espacio entre un techo de la zona de plasma/formación de arco eléctrico y una superficie superior de la capa de mezcla para que se encuentre entre 0.635cm (0.25") y 30.48cm (12").
8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el calentamiento en la zona de plasma/formación de arco eléctrico es suficiente para formar el arrabio fundido y completar sustancialmente la reformación in-situ, desintegración térmica y oxidación parcial de los gases de escape de reacción para producir una mezcla de H2 y CO.
9. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye proporcionar una lumbrera en la cámara para carga de biomasa o desperdicios orgánicos, y además incluye cargar piezas de biomasa o desperdicios orgánicos en la cámara en una capa entre 0.508cm (0.2") a 5.08cm (2.0") sobre la capa de la mezcla de partículas de óxido de hierro, partículas que llevan carbono y compuestos que contienen hidrógeno para proporcionar un aislante térmico para reducir la pérdida de calor, utilizar calor más eficientemente e incrementar la producción de gas de síntesis.
10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque incluye calentar la biomasa o desperdicios orgánicos en la zona de calentamiento por microondas para liberar los gases de escape y dejar una capa de carbón vegetal en la cámara.
11. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye proporcionar el recipiente con al menos una cortina de material dinámico para aislar la lumbrera de carga de materia prima de la lumbrera de exportación de gas de síntesis para facilitar el flujo uni-direccional hacia la lumbrera de exportación de gas de síntesis .
12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye proporcionar la cámara con una zona de calentamiento por inducción eléctrica más allá de la zona de calentamiento por plasma/formación de arco eléctrico y además comprende la etapa de fundir el arrabio fundido y la escoria completamente en la misma después de dejar la zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico.
13. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque incluye proporcionar la cámara con una lumbrera de descarga de carbón vegetal antes de la zona de plasma/formación de arco eléctrico múltiple y además comprende descargar el carbón vegetal producido por el calentamiento de la biomasa/desperdicios orgánicos.
14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el tamaño del óxido de hierro y las partículas que llevan carbono se establecen para tener un tamaño de 100 mallas o más fino.
15. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la proporción de mezcla se controla para producir hierro metálico con aproximadamente 4.3% de contenido de carbono.
16. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la capa de mezcla se forma para tener aproximadamente 3.81 cm (1.5 pulgadas) de profundidad.
17. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la proporción de H2 a CO en el gas de síntesis se controla para encontrarse en el margen de 0.5 a 3.0.
18. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el contenido de hidrocarburos, CO2, H20 y 02 se establece para ser menor a 5% en peso del gas de síntesis .
19. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el carbono comprende las partículas que llevan carbono, los volátiles que contienen carbón principalmente metano que comprende hidrocarburos y humedad absorbida en el carbón que comprende H20 en la mezcla.
20. Un método para formar concurrentemente arrabio y gas de síntesis al crear una mezcla de carbón y partículas de óxido de hierro, el carbón contiene volátiles de hidrocarburos y humedad, el carbón en las partículas de carbón es suficiente para reducir todo el óxido de hierro y hacer que queden partículas de carbono sin reaccionar después de la reducción; calentar la mezcla en una primera zona de calentamiento en una cámara hermética al aire para reducir parcialmente el óxido de hierro con carbono y con CO formado en la primera cámara de zona, mientras libera el vapor y los volátiles de hidrocarburos incluidos en los gases de reacción; hacer que el óxido de hierro reducido y el carbono sin reaccionar y los gases de reacción se muevan desde la primera zona de calentamiento hacia una segunda zona de calentamiento en la cámara y someter el óxido de hierro parcialmente reducido y los gases de reacción a calentamiento adicional por la operación de uno o más sopletes de plasma eléctricos suficiente para completar la reducción de las partículas de óxido de hierro y para fundir hierro del óxido de hierro reducido, hacer reaccionar CO2 formado por la reducción del óxido de hierro con el carbono sin reaccionar para formar CO, y formar hidrógeno y CO a partir de hidrocarburos por la reacción, desintegración y reformación de componentes de los gases, por lo que se forma el gas de síntesis comprendido casi totalmente de H2 y CO.
21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque incluye cargar partículas de carbono en una solera en la cámara en una capa entre 0.635cm (0.25") a 5.08cm (2.0") antes de cargar la mezcla de las partículas de óxido de hierro, las partículas que contienen carbono y compuestos que contienen hidrógeno como aislante'ál igual que como receptor de microondas.
22. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque incluye inyectar un compuesto que contiene hidrógeno adicional en la cámara para incrementar la calidad y cantidad de gas de síntesis producido por el método.
23. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque una lumbrera para carga de biomasa o desperdicios orgánicos se proporciona en la cámara y además comprende cargar piezas de biomasa o desperdicios orgánicos en la cámara en una capa entre 0.635cm (0.25") a 5.08cm (2") sobre la capa de la mezcla de partículas de óxido de hierro, partículas que llevan carbono, y compuestos que contienen hidrógeno como aislante térmico para reducir la pérdida de calor, utilizar calor más eficientemente e incrementar la producción de gas de síntesis calentando las piezas de biomasa o desperdicios orgánicos para liberar los gases de escape y dejar una capa de carbón vegetal.
24. El método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado además porque comprende descargar la capa de carbón vegetal de biomasa/desperdicios orgánicos antes de transportarla a la zona de plasma/formación de arco eléctrico y pulverizar el carbón vegetal más fino que 100 mallas y agregar las partículas que llevan carbono en la mezcla de alimentación.
25. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque comprende la etapa de pulsar un gas o romper las corrientes de arrabio fundido en piezas sólidas .
26. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque las partículas de óxido de hierro incluyen polvo de EAF o lodo de BOF, y en donde el zinc en el polvo o lodo se reduce, se funde, se evaporiza, se recolecta en una cámara de filtros instalada en el sistema de limpieza de gas de síntesis.
27. Un método para la conversión directa de biomasa y desperdicios orgánicos en gas de síntesis de alta calidad a partir de diversas biomasas, desperdicios orgánicos y compuestos que contienen hidrógeno con una combinación única de calentamiento por microondas y por plasma/arco eléctrico caracterizado porque comprende: procesar un desperdicio orgánico o a granel en piezas más pequeñas que 5.08cm (2.0"), proporcionar partículas de carbono tratadas a alta temperatura más pequeñas que 2 mallas como receptor de microondas ; proporcionar otros compuestos que contienen hidrógeno en partículas sólidas finas, líquido o gas; mezclar los materiales anteriores en la proporción que es capaz de absorber la energía de microondas efectivamente y resulta en un gas de síntesis con la proporción de H2CO en el margen de 0.5 a 3.0; cargar la mezcla de una capa de 1.27cm (0.5") a 58.42cm (23") continuamente en una cámara hermética al aire con múltiples lumbreras de irradiación de microondas, arcos eléctricos/plasma organizados, una lumbrera de carga de materia prima, una lumbrera de descarga de carbón vegetal, y una lumbrera de exportación de gas de síntesis; calentar la mezcla al aplicar energía de microondas hasta que se completa la pirólisis de la mezcla y da como resultado en carbón vegetal mientras que se liberan los gases escape; transportar el carbón vegetal en una zona de plasma/formación de arco eléctrico adyacente y restringida; hacer que los gases de escape pasen a través de la zona de plasma/formación de arco eléctrico restringida; llevar a cabo la reformación in-situ, desintegración térmica y oxidación parcial en los gases de escape en la zona de plasma/formación de arco eléctrico con la agitación de gas de plasma y el carbón vegetal para formar un gas de síntesis con la proporción de H2/CO en el margen de 0.5 a 3.0 e hidrocarburos, C02, H20 y 02 de menos que 5%; transportar el carbón vegetal en una zona de enfriamiento adyacente hasta enfriar; exportar el gas de síntesis en un sistema de limpieza para remover las impurezas y crear un gas de síntesis de alta calidad; descargar el carbón vegetal a través de la lumbrera de descarga de carbón vegetal en la cámara.
28. Un aparato para reducir óxido de hierro y generar gas de síntesis caracterizado porque comprende: un horno que incluye una cámara hermética al aire que define en la misma una zona de calentamiento por microondas y una zona de calentamiento por plasma/arco eléctrico separada pero conectada hermética al aire con una solera móvil capaz de recibir el material que contiene carbono mezclado con óxido de hierro depositado en la misma como materia prima por un mecanismo de carga y transportar la misma a la zona de calentamiento por microondas y después de esto hasta la zona de calentamiento por arco eléctrico/plasma; un generador de microondas dispuesto para dirigir la radiación de microondas hacia la materia prima en la zona de calentamiento por microondas para reducir parcialmente el óxido de hierro; un calentador de alta temperatura de plasma de arco eléctrico restringido en la zona de calentamiento por plasma de arco eléctrico que actúa para provocar una reducción adicional del óxido de hierro y para fundir el hierro reducido en metal de hierro; un mecanismo de descarga para mover el hierro fundido fuera de la cámara; y una salida de descarga de gas que recolecta los gases de escape y dirige los mismos fuera de la cámara.
29. El aparato de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque la cámara tiene forma circular e incluye una solera de rotación cubierta con una capa refractaria en el espesor al menos de media longitud de microonda .
30. El aparato de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque una pluralidad de calentadores de plasma/arco eléctrico restringidos comprende sopletes de arco de dos electrodos organizados o arco de plasma organizado, distribuidos en múltiples filas y múltiples columnas en la zona de calentamiento por plasma de arco eléctrico en la cámara .
31. El aparato de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque la cámara tiene por lo menos una cortina de material dinámico para aislar una lumbrera de carga de materia prima de la lumbrera de exportación de gas de síntesis y facilitar el flujo unidireccional del gas de síntesis hacia la lumbrera de exportación de gas de síntesis.
32. El aparato de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque la cámara incluye una zona de calentamiento por inducción después de la zona de plasma/formación arco eléctrico y además comprende un calentador por inducción para fundir el arrabio fundido y la escoria completamente en el mismo.
33. El aparato de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque la solera circular puede girar en una forma gradual con periodos de permanencia de parada y distancias de rotación se pueden ajustar para facilitar la formación de pepitas de arrabio.
34. El aparato de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque incluye un reactor auxiliar de reformación/oxidación parcial conectado para recibir los gases de escape desde la zona de calentamiento por plasma de arco eléctrico, el reactor auxiliar comprende por lo menos un calentador por inducción, una cámara de columnas, un lecho de partículas de carbono fijo continuamente llenado, un lecho de catalizador fijo, una abertura de entrada de gas, una abertura de salida de gas de síntesis y una lumbrera de alimentación de partículas de carbono.
35. El aparato de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque incluye un reactor auxiliar de reformación/oxidación parcial conectado para recibir gas desde la zona de calentamiento por plasma de arco eléctrico, el reactor auxiliar comprende por lo menos una cámara de columnas, un lecho de partículas de carbono fijo continuamente llenado-, una fuente de energía eléctrica aplicada al lecho de partículas de carbono fijo para el calentamiento del mismo, un lecho de catalizador fijo, una abertura de entrada de gas, y una abertura de salida de gas de síntesis y una lumbrera de alimentación de partículas de carbono.
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