MXPA00003937A - Proceso para producir una mezcla de carburo de hierro y hierro granular reducido directamente - Google Patents

Abstract

Se describe un producto final que contiene carburo de hierro (Fe3C) que es producido a partir de un producto intermediario que consiste de hierro reducido directamente granular. Tal producto intermediario es suministrado mediante una planta de reducción'de mineral de hierro y es alimentado a un reactor de carburización. Los hidrocarburos líquidos son transportados al reactor de carburización a temperaturas de 500 a 900C, por lo menos parte del hierro reducido directamente, granular, es sometido a un movimiento de remolino. El producto final separado del reactor de carburización consiste de 5 a 90%en peso de Fe3C. Un gas de fluidización que contiene metano e hidrógeno puede ser agregado al reactor de carburización además de los hidrocarburos.

Description

PROCESO PARA PRODUCIR UNA MEZCLA DE CARBURO DE HIERRO Y HIERRO GRANULAR REDUCIDO DIRECTAMENTE DESCRIPCIÓN DE IA INVENCIÓN _ Esta invención es concerniente con un proceso para producir un producto final que contiene carburo de hierro (Fe,C) a partir de un producto intermediario que consiste de hierro granular, reducido directamente (DRI) que procede de _una planta de reducción de mineral de hierro, en donde ei DRI es suministrado a un reactor de carburización. Entre los expertos, el hierro reducido directamente es también denominado como DRI o como hierro en esponja. De las patentes norteamericanas 5,527/379 y 5,603,748 se conoce la reducción de óxido de hierro directa, en donde en varios lechos fluidizados material granular que contiene óxido de hierro se pone en contacto directo con gas de reducción caliente a temperaturas de 500 a 900°C. Guando "él gas de reducción tiene un contenido considerable de monóxido de carbono además de hidrógeno, se puede extraer un producto rico en Fe-.C de la última etapa del lecho fluidizado del proceso de reducción conocido. Sin embargo, la práctica ha demostrado que en la reducción de óxido de hierro a hierro el vapor resultante impide extensamente la formación simultánea de carburo de hierro ai hacer reaccionar hierro- con CO con y/o CH4. El documento DE-C-195 38 591 describe la carburización del ,DRI en un contenedor móvil en donde el DRI es suministrado a temperaturas de 800 a 1,100°C y por ejemplo se introducen-hidrocarburos líquidos. El objetivo es no obtener un contenido alto de Fe3C en el producto, sino más bien temperaturas relativamente altas son empleadas, a las cuales los hidrocarburos líquidos en contacto con el DRI caliente conducen principalmente a la formación de hollín. El hollín formando no reacciona o reacciona difícilmente para formar Fe3C y es extraído junto con el producto carburizado. Es el objeto fundamental de la invención efectuar la__ carburización del hierro reducido directamente, caliente, al exterior de la planta de reducción en un reactor de carburizacíón, de tal manera que la formación de hollín sea suprimida completa o extensamente. Además, debe ser posible obtener un producto con un contenido variable de Fe3C. De acuerdo con la invención esto se obtiene en el proceso mencionado anteriormente en que se alimentan hidrocarburos líquidos al reactor de carburización a temperaturas en el rango de 500 a 900°C, en donde por lo menos parte del DRI granular es fluidizado y porque del reactor de carburización el producto final ea extraído, que consiste de 5 a 90% en peso de Fe3C. De preferencia, el producto final consiste de por lo menos 10% en peso de Fe3C. El reactor de carburización se puede poner en operación continua o discontinuamente. Los hidrocarburos líquidos introducidos al reactor de carburización pueden ser de diferentes clases. Expedientemente, varios tipos de petróleo combustible pueden ser utilizados, partiendo con petróleo combustible ligero extra hasta el petróleo de combustible pesado. Usualmente, de 0.005 a 0.2 Kg de hidrocarburos líquidos por kilogramo de DRI alimentado al reactor de carburización son introducidos a la porción inferior del reactor. Los hidrocarburos líquidos introducidos al reactor de carburización conducen a una formación intensa de gas en el lecho sólido caliente, que fluidiza por lo menos parcialmente el lecho. Cuando se desea llevar a cabo la carburización en el lecho fluidizado, también se recomienda introducir un gas fluidízante a la porción inferior del lecho además de los hidrocarburos líquidos. Se debe tener cuidado de que el contenido de agua del gas fluidizante no sea más de 1.5% en volumen. De preferencia, se empleará un gas fluidizante que contiene metano, que puede también tener un contenido de hidrógeno. Un gas fluidizante apropiado es por ejemplo el gas del escape del reactor de carburización, que ha sido deshidratado primero. En el reactor de carburización, una mezcla de gases que Contiene metano e hidrógeno además de Fe,C es formada a partir de los hidrocarburos líquidos, tal mezcla de gases es extraída como gas del escape. Después del enfriamiento del gas del escape, se forma un condensado que contiene agua, que será separado. Por lo menos parte del gas del escape enfriado puede ser recalentado e introducido al reactor como gas fluidizante. Este gas fluidizante consiste de aproximadamente 40 a 95% en volumen de hidrógeno y el contenido de metano cae en el rango de 5 a 50% en volumen. Estos porcentajes se han calculado anhidros y sin tomar en cuenta un contenido de nitrógeno usualmente presente. Además, el gas fluidizante puede contener óxidos de carbono. El gas fluidizante introducido al lecho fluidizado del reactor, usualmente gas de escape recirculado, no está involucrado o no está involucrado significativamente en la formación de carburo en el reactor. De preferencia, carburo de hierro es producido principalmente en el reactor mediante el carbono libre, que es formado brevemente después del cracking o craqueado (o pirólisis catalítica) del hidrocarburo líquido. Este carbono es muy reactivo y a las temperaturas existentes reacciona intensamente con el hierro metálico para formar carburo de hierro. Del lecho fluidizado, un producto carburizado puede ser por consiguiente extraído, que consiste de por lo menos 30% en peso de Fe3C. Cuando se menciona el contenido de carbono del producto final, siempre significa todo el contenido de C que puede estar presente tanto en forma enlazada (Fe3C) y como carbono libre en forma de hollín. El contenido de C en el producto final en su mayoría no es más del 3% en peso. Sin embargo, es fácilmente posible producir un producto final con un contenido de C más alto. Con un contenido de C de 3% en peso, el producto final contiene aproximadamente 50%~ en peso de Fe y posiblemente además una pequeña cantidad de carbono libre. Una variante del proceso consiste en que el gas fluidizante es omitido y solo los hidrocarburos líquidos son suministrados al reactor de carburización. Las temperaturas a las cuales se lleva a cabo la formación deseada del carburo en este caso caen en el rango de 580 a 700°C y de preferencia í¡00 a 680°C. Cuando las temperaturas son demasiado altas, disminuye la formación de Fe3C extensamente. Cuando las temperaturas en el lecho fluidizado son mantenidas a aproximadamente 640 a 700°C, se obtiene un producto final con un contenido de Fe C relativamente bajo, en donde el contenido de carbono cae en la vecindad de 1% en peso. Se ha encontrado que tal producto_es apropiado para el subsecuente briqueteo en caliente en la prensa de rodillos bajo una atmósfera inerte. Si se desea obtener un contenido de Fe3C más alto en el producto final, que corresponde a un contenido de carbono de más del 2% en peso, temperaturas relativamente bajas en el rango de 580 a 640°C serán provistas en el lecho fluidizado. Puede ser ventajoso proporcionar el lecho sólido en un reactor de carburización cónico que es ahusado hacia abajo. Con esta forma del reactor, el lecho sólido será fluidizado intensamente mediante la formación del gas, de tal manera que se puede formar un lecho fluidizado. Este lecho fluidizado promueve la transferencia de masa y así la formación de carburo. Usualmente, el lecho fluidizado en el reactor de carburización cónico tiene una altura de 1 a 4 metros. Además, puede ser conveniente mantener una presión elevada de hasta aproximadamente 10 bars en el reactor, para incrementar la velocidad de reacción.

Ventajosamente, el hierro reducido directamente (DRI) granular, procede de una planta de reducción, en la cual es tratado en la última etapa de reducción en un lecho fluidizado. A este lecho fluidizado, se alimenta un gas con un contenido de H2 de por lo menos 90% en volumen y una temperatura de 600 a 1000°C como gas fluidizante y reductor. Detalles de tal planta de reducción se describen en las patentes norteamericanas 5,527,379 y 5,603,748. El mineral de hierro es calentado primero a temperaturas de 500 a 900°C y luego es suministrado a la primera etapa de reducción. Esta primera etapa de reducción está diseñada como lecho fluidizado circulante, a la cual se_ alimenta un gas fluidizante con un contenido de H_ de por lo menos 75% en volumen. Las temperaturas en la primera etapa de reducción caen en el rango de 600 a 800°C. El mineral parcialmente reducido con un grado de metalización de usualmente 50 a 80% es luego suministrado a la segunda (y también última) etapa de reducción. En esta última etapa de reducción se emplea un lecho fluidizado estacionario, que comprende convenientemente varios departamentos dispuestos uno detrás de otro, que están separados entre sí mediante vertederos de rebosamiento. Esto también se describe en las patentes norteamericanas mencionadas anteriormente. El DRI así producido tiene un grado de metalización de más del 85% y usualmente por lo menos 90%. Modalidades del proceso serán explicadas con referencia a los dibujos, en donde: La figura 1 representa un diagrama de flujo de una primera variante del proceso y La figura 2 representa una segunda variante del proceso. Del óxido de hierro granular, gue es suministrado vía la línea 1, véase figura 1, el DRI es en primer lugar producido por medio de reducción. La reducción puede ser efectuada de t cualquier manera conocida per se. Un procedimiento ventajoso es descrito en las patentes norteamericanas 5,527,379 y 5,603,748 mencionadas anteriormente. Subsecuentemente a una etapa de secado y calentamiento 2 se proporciona una primera etapa de reducción 3 y una segunda etapa de reducción adjunta 4. En ambas etapas de reducción, la reducción es llevada a cabo en el lecho fluidizado, en donde el gas caliente que contiene hidrógeno es utilizado como gas de reducción y gas fluidizante. Las temperaturas en las dos etapas 3 y 4 caen en el rango de 500 a 900°C. La primera etapa 3 está diseñada como lecho fluidizado circulante, en donde el gas de reducción de contiene H2, por lo menos parcialmente utilizado, de la segunda etapa 4, es suministrado a través de la línea 5. Vía la línea 6, el gas de escape de la primera etapa es recirculado a una planta de procesamiento 7, en la cual hay también gas nuevo producido rico en hidrógeno. A través de la línea 8, el gas es suministrado como gas de reducción caliente a la segunda etapa de reducción 4, en la cual los sólidos forman un lecho fluidizado estacionario. Usualmente, el gas de la línea 8 consiste de por lo menos 90% en volumen de hidrógeno. Una corriente parcial del gas de reducción de la línea 8 es suministrada convenientemente a través de la línea 8a directamente a la primera etapa 3. El grado de metalización en el mineral parcialmente reducido de la línea 3a es de aproximadamente 50 a 80%. De la segunda etapa de reducción 4, el DRI granular es extraído, el cual está prácticamente libre de carbono. Este hierro reducido directamente, gue tiene temperaturas en el rango de 650 a 900°C, es alimentado a través del pasaje 10 a la carburización, en "donde es cargado a un reactor 11 de lecho fluidizado que es conectado con un separador 12 de ciclón. Por propósitos de carburización, hidrocarburos líquidos, por ejemplo petróleo combustible, son alimentados a través de la línea 13. En el reactor, las temperaturas caen en el rango de 500 a 90D°C. El gas fluidizado caliente que contiene hidrógeno y metano,- es alimentado vía la línea 15. Una suspensión de gas-sólidos fluye desde la porción superior del reactor 11 a través del pasaje 16 al separador 12 y los sólidos separados son recirculados al reactor 11 a través de la línea 17. El producto final carburizado es extraído de la porción inferior del reactor 11 a través del pasaje 18 que consiste de hierro metálico y Fe.C, en donde el contenido de Fe3C usualmente es de por lo menos 30% en peso y el contenido de C del producto final es de por lo menos 2% en peso. Como resultado de los procesos de cracking o craqueado (pirólisis catalítica) , se forma una mezcla de gases en el reactor 11, que sale del separador 12 a través de la línea 19 como gas de escape. Para ser enfriado, este gas del escape fluye primero a través del intercambiador de calor 20 y luego es introducido a un enfriador 22 de lavado vía la línea 21. A este enfriador de lavado, se inyecta condensado rico en agua, que procede de la línea 23. El condensado cargado de polvo es extraído vía la línea 24, parte del líquido que contiene sólidos es separado del proceso a través de la línea 25 y vía la línea 26 el condensado restante es suministrado a un enfriador 27. Se suministra agua nueva vía la línea 28. En el enfriador, el líguido rico en agua es enfriado a temperaturas de aproximadamente 30 a 70°C y luego se hace recircular al enfriador de lavado 22 por medio de la bomba de circulación 29. El gas del escape enfriado y desempolvado es succionado mediante el soplador 30, una corriente parcial es retirada del proceso por medio de la línea 31 y el gas del escape restante fluye a través de la línea 32 al intercambiador de calor 20 para se calentado y luego fluye a través de la línea 33 a un calentador caldeado 34, antes de gue el gas del escape se haga recirculat con temperaturas de 300 a 7Q0°C a__través de la linea 15 al reactor de carburización 11. De acuerdo con la figura 2, el DRI es suministrado a través del pasaje 10 al reactor de carbupzación lia. El reactor lia tiene una forma cónica, en donde el ángulo X del cono, medido contra la vertical S, cae usualmente en el rango de 10 a 30°. Hidrocarburos líquidos son alimentados a través de la línea 13, en donde se evaporan en el lecho sólido caliente provisto en el reactor lia. Por lo menos parte de las moléculas de hidrocarburo reaccionan con hierro metálico para formar Fe.C. Estas y otras reacciones conducen a una intensa formación de gas. Los gases, gue contienen hidrógeno y metano, fluidizan los sólidos y conducen a la formación de un lecho fluidizado. La forma cónica del reactor lia promueve la formación del lecho fluidizado deseado. A través de un elemento de dosificación 43, por ejemplo una válvula de bola, el producto final carburizado es extraído, cuyo contenido de Fe3C es usualmente de 5 a 50% en peso y de preferencia por lo menos 10% en peso. El gas del escape extraído vía la línea 19 contiene cantidades considerables de hidrógeno y metano. Por consiguiente, se puede recomendar introducir todo o parcialmente este gas del escape a la planta 7, tal como se indica mediante la línea discontinua 15a. Después del tratamiento en una planta de procesamiento 40, como se describe en la figura 1, el gas del escape puede también sin embargo ser recirculado como gas fluidizante a través de la línea 15 al reactor lia. los números de referencia. restantes tienen el significado ya explicado en conjunción con la figura 1.

Ejemplo 1: En un procedimiento correspondiente a la figura 1 de los dibujos, 600,000 toneladas de Fe3C/año deben ser producidas a partir de un mineral de hierro con un contenido de Fe de 67% en peso, que consiste de 96% en peso de Fe 03. Además de otras gangas, el mineral contiene 2.4% en peso de Si02. Los siguiente datos se han calculado en parte y están basados en una planta de reducción como se describe en la patente norteamericana 5,603,748. Habiendo sido calentado a 850°C, el mineral con un tamaño de grano en el rango de 0.1 a 1 mm llega a la primera etapa de reducción 3, que está diseñada como lecho fluidizado circulante y tiene una temperatura de aproximadamente 630°C. El gas fluidizante reductor caliente suministrado a la etapa 3 consiste de 85% en volumen de hidrógeno; 3 Nm3 de X/Kg de mineral de hierro son alimentados a la primera etapa 3. El mineral parcialmente reducido con un grado de metalización de 75% es suministrado a través de la línea 3a a la segunda etapa de reducción 4, que se pone en operación en el lecho fluidizado estacionario a temperaturas de 680°C. 2 Nm5 de hidrógeno caliente/Kg de sólidos son alimentados a ia etapa Loo o gas fluidizante, el gas de la línea 8 consiste de 90% en volumen de H2 y también contiene 9% en volumen de N2 y 1% en volumen HO. Para la formación de carburo, 63.6 toneladas/hora de DRI con una temperatura de 680°C y un contenido de C despreciablemente pequeño son introducidas al reactor 11, en donde la temperatura es mantenida a 600°C y la presión es de 1.3 bars. El DRI consiste de 88% en peso de Fe metálico, 8.5 en peso de FeO y 3.5% en peso de Si02. Para la carburización, 2.9 toneladas/hora de petróleo combustible ligero son alimentadas al reacto -11 y 25,000 NmVh de gas de escape recirculado con un contenido de H2 de 88.5% en volumen, un contenido de CH4 de 8.5% en volumen, un contenido de N2 de 1.5% en volumen y un contenido de H0 de 1.5% en volumen son alimentados a través de la línea 15. En las varias líneas se hace fluir las siguientes cantidades de gas: El DRI carburizado extraído vía la línea 18 tiene un contenido de Fe3C de 40% en peso y consiste además de _8% en peso de FeO, 3% en peso de Si02 y 48% en peso de hierro metálico. El _ contenido de carbono del DRI carburizado es de 2.9% en peso7 de los cuales el 90% están enlazados como FeX.

Ejemplo 2: Del DRI utilizado en el ejemplo 1 se produce ahora un producto final policarburizado con un contenido de Fe3C de 89% en peso. Para este propósito, 5.9 toneladas/hora de petróleo combustible ligero son alimentadas al reactor li para la carburización y 52,00 Nm3/h de gas del escape recirculado con un contenido de H2 de 63% en volumen, un contenido de CH4 de 34% en volumen, un contenido de N2 de 2.5% en volumen y un contenido de H_O de 0.5% en volumen son alimentados a través de la línea 15. En las varias líneas se hace fluir las siguientes cantidades de gases : El hierro en esponja carburizado extraído vía la línea 18 tiene un contenido de Fe3C de 89% en peso y consiste de 8% en peso de FeO y 3% en peso de Si02.

Ejemplo 3: El procedimiento es como se ilustra en la figura 2 y se utiliza un DRI producido como en el ejemplo 1, que tiene ahora una temperatura de 750°C. 63.6 toneladas/hora de DRI son introducidas al reactor de carbupzación lia, que tiene una altura de 4.5 metros, una forma cónica y opera sin suministro de gas fluidizante. En el reactor lia se proporciona un lecho fluidizado con una altura de 3 m, tal como se mide desde la entrada de la línea 13. La presión en el reactor es de 2 bars, la temperatura en el lecho fluidizado es mantenida a 680°C. A través de la línea 13, se suministra una cantidad de 0.7 toneladas/hora petróleo combustible ligero que _ ha sido precalentado a 400°C. Del reactor lia se extrae un producto final carburizado, cuyo contenido de Fe-,C es de 12% en peso y que aparte de hierro metálico contiene 9% en peso de FeO y 3% en peso de Si02. El contenido de C de este producto es de 0.8% en peso. El gas del escape de la línea 19 contiene 870 Nm3/h de H y 130 NmVh de CH4.

Ejemplo 4: El procedimiento es similar al ejemplo 3, pero ahora 228 toneladas/hora de DRI con una temperatura de 750°C, un contenido de Fe total de 95% en peso, un contenido de FeO de 8.5% en peso y un contenido en Si02 de 3% en peso son alimentados al reactor de carburización lia. El DRI está virtualmente libre de carbono. Por propósitos de carburización, se utiliza una cantidad de 5.7 toneladas/hora de petróleo combustible ligero extra, que ha sido pre-calentado a 400°C. Se extrae una cantidad de 232.1 toneladas/hora de producto final carburizado con una temperatura de 600°C y un contenido de C de 1.8% en peso, en base al contenido total de FeO del producto. El producto final contiene 26.5% en peso de Fe3C, 8.4% en peso de FeO y 2.9% en peso de Si02. El gas del escape de la línea 19 contiene 7000 NmVh de H2 y 1300 NmVh de CH4.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES 1. Un proceso de para producir un producto final que contiene carburo de hierro (Fe3C) a partir de un producto intermediario que consiste de hierro reducido directamente (DRI) granular, que procede de una planta de reducción de mineral de hierro, en donde el hierro reducido directamente (DRI) es suministrado a un reactor de carburización, caracterizado porque se alimentan hidrocarburos líquidos al reactor de carburización a temperaturas en el rango de 500 a 900°C, en donde por lo menos parte del hierro reducido directamente (DRI) granular es fluidizado y porque del reactor de carburización el producto final es extraído, que consiste de 5 a 90% en peso de Fe,C.
2. 2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el producto final extraído del reactor de carburización no contiene más de 3% en peso de carbono.
3. 3. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque por cada kilogramo de hierro reducido directamente (DRI) alimentado, se alimenta una cantidad de 0.005 a 0.2 kilogramos de hidrocarburos líquidos al reactor de carburización.
4. 4. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque del reactor de carburización se extrae un gas del escape que contiene metano e hidrógeno, que es enfriado y del cual el agua es separada y porque por lo menos parte del gas del escape enfriado es calentado y recirculado al reactor.
5. 5. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 o cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el reactor de carburización es cónico y es ahusado hacia abajo.
6. 6. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 o cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el hierro reducido directamente (DRI) granular procede de una planta de reducción en la cual es tratado en la última etapa de reducción en un lecho fluidizado, al cual se alimenta un gas con un contenido de H2 de por lo menos 90% en volumen y una temperatura de 600°C a 1000°C como gas fluidizante y gas reductor.
7. 7. El proceso de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el mineral de hierro, que ha sido calentado a temperaturas de 500 a 900°C, es reducido parcialmente en la planta de reducción en la primera etapa de reducción en un lecho fluidizado circulante con un gas fluidizante con un contenido de H: de por lo menos 75% en volumen a temperaturas de 600 a 800°C y porque el mineral parcialmente reducido en la primera etapa es alimentado a la última etapa de reducción, de la cual el hierro reducido directamente (DRI) granular es extraído.
8. 8. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 o cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la presión en el reactor de carburización es de 1 a 10 bars .