PROCESO PARA LA REDUCCIÓN DIRECTA DE MATERIAL QUE CONTENGA ÓXIDOS DE HIERRO, descripción de la invención La invención concierne a un proceso para la reducción directa de material que contenga óxido de hierro por medio de un gas reductor que contenga CO- y H2, en al menos una zona de reducción de lecho fluidizado que contenga C02, el gas reductor usado que emerge de la zona de reducción de lecho fluidizado que es recirculado y el gas reductor virgen que es producido por conversión de C02 del gas reductor usado y de un gas que contenga metano, en particular, gas natural, y concierne a una instalación para llevar a cabo el proceso. Procesos en los cuales se producen gases reductores que contengan CO- y H2 , por medio del proceso conocido como conversión con vapor, de gas que contenga metano y vapor, la conversión del vapor se lleva a cabo a altas presiones y altas temperaturas, e hidrocarburos y vapor son convertidos en CO y H2 por medio de catalizadores de niquel, de conformidad con la siguiente reacción: Reacción de conversión de vapor: CH + H20 —» C02 + 3H2, es conocida del arte previo, por ejemplo de US-A-5, 082,251. En una reacción de desplazamiento de CO que sigue a la conversión con vapor, el CO que se forma durante la conversión se convierte entonces en C02 y H2, de conformidad con la siguiente ecuación: REF 137153
Reacción de desplazamiento de CO: CO + H2o — > C02 + H2 Usualmente el C02, tiene que ser luego removido del gas convertido, y el gas del cual ha sido removido el C02, tiene que ser calentado. En contraste, en el caso de la conversión de C02, la cual es conocida, por ejemplo, de DE-A- 196 37 180 y DE-A- 195 17 766, no solamente se convierte vapor, sino también C02, de conformidad con la siguiente ecuación: Reacción de conversión de C02: CH4 + C02 -> 2 CO + 2 H2. La ventaja de la conversión de C02, es que no hay necesidad de remoción alguna de C02 o de algún calentamiento subsecuente del gas reductor a la temperatura de reducción deseada . DE-A-196 37 180 ha descrito un proceso en el cual partículas finas de óxido de hierro son reducidas por medio de un gas reductor que contiene H2 y CO- en un lecho efervescente (de partículas sólidas sopladas en la base) , y un lecho de burbujeo que es conectado corriente abajo del lecho efervescente, el gas reductor es producido desde el gas reductor que contiene CO-, C02 y H20, usado, por medio de conversión de C02. La conversión y la reducción directa tienen lugar a bajas presiones desde 1.63 kg/cm2 hasta 2.44 kg/cm2 (1.6 hasta 2.4 bares). DE-A-195 17 766 ha descrito un proceso en el cual, son
reducidas partículas finas de óxido de hierro, en una pluralidad de lechos fluidizados circulantes, que están conectados en serie, igualmente por medio de un gas reductor que contiene CO- y H2, igualmente gas reductor virgen, como en DE-A-196 37 180, que es producido desde el gas reductor que contiene CO-, C02- y H20 usado, por conversión de C02. US-A-4, 348, 226 ha descrito un proceso en el cual los gases de desprendimiento de un horno de cuba reductor, son mezclados con gas natural, y la mezcla de gases es convertida en un convertidor calentado, y en el cual se mezcla gas natural adicional con el gas convertido, y la mezcla de gases que se forma entonces, es sometida, en un reactor sin calentamiento, a una reacción de conversión endotérmica, gas reductor virgen se forma en el horno de cuba de reducción . El calor sensible del gas que se ha convertido en el convertidor calentado es utilizado en la segunda, reacción de conversión endotérmica, y se establece la temperatura del gas reductor deseada. Se sabe que la conversión de C02 tiene lugar más exitosamente a presiones más bajas y que los tubos del convertidor pueden ser diseñados para ser más delgados y por consiguientes menos costosos a bajas presiones. La invención está basada en el objeto de proporcionar un proceso para la reducción directa de material que contiene óxido de hierro, en el cual puede producirse el gas
reductor que contenga CO- y H2, por conversión de C02 de un gas que contenga metano, en particular gas natural, y el gas reductor usado, en el cual, sin embargo, se evitan los inconvenientes de los procesos conocidos, que usan un convertidor de C02, tales como la formación de carbón, depósitos, diámetros de reactor grandes, etc. El tamaño total de un reactor que tiene capacidad para admitir la zona de reducción, se conserva pequeño, pero al mismo tiempo una cantidad de gas reductor que satisface los requerimientos metalúrgicos, pasa a través de la zona de reducción. De conformidad con la invención, este objeto se logra por el hecho de que la conversión de C02 y la reducción directa, se llevan a cabo a alta presión, preferiblemente a una presión de al menos 4.07 kg/cm2 (4 bares de presión superatmosférica) 5.09 kg/cm2 (5 bares absolutos), en particular a una presión de aproximadamente 7.13 kg/cm2
(7 bares de presión superatmosférica) . El intervalo de presión que es apropiado en un contexto técnico, en un proceso de este tipo, es de 6.11 kg/cm2 a 8.15 kg/cm2 (6 a 8 bares de presión superat osférica) ; el limite superior de presión es 15.29 kg/cm2 (15 bares de presión superatmosférica) . Sorprendentemente, se encontró que, de esta manera, pueden evitarse muchos factores que tienen un efecto disruptor sobre el proceso de reducción, tales como la
formación de carbón y depósitos, en la zona de reducción de lecho fluidizado. Además, se proporciona para la reducción, un abastecimiento suficientemente alto de gas por unidad de volumen del reactor de reducción para satisfacer los requerimientos metalúrgicos, de manera que los reactores que tienen capacidad para admitir las zonas de reducción de lecho fluidizado puedan ser de dimensiones más pequeñas. No obstante, se asegura aún una eficiencia de gas suficiente. Además, el potencial de reducción del gas reductor es más alto. Además, el hierro en esponja que se produce durante la reducción directa de material que contiene óxido de hierro puede ser alimentado ventajosamente por medio de un transportador neumático con gas reductor para ser briqueteados (aglomerados) , de manera que un dispositivo de briqueteado que se usa para briquetear, puede ser dispuesto después de un dispositivo de reducción directa, que se usa para la reducción directa, con el resultado de que el tamaño total de la instalación completa para llevar a cabo el proceso, de conformidad con la invención puede permanecer pequeño. La ventaja del proceso conforme a la invención es que el C02 que está presente en el gas reductor usado, no tiene que ser removido, sino que preferentemente es usado
directamente para la producción de gas reductor virgen. En comparación con los procesos de reducción directa conocidos, por ejemplo el descrito en US-A-5, 082, 251, que se mencionó en la introducción, en el cual el gas reductor es producido por conversión con vapor, sin que el convertidor de vapor esté conectado en el circuito del gas reductor, que conecta el convertidor de C02 en el circuito de gas reductor, significa que se requiere un flujo especifico más bajo de gas reductor para la reducción directa; el flujo especifico de gas reductor quiere decir, la velocidad de flujo de gas reductor virgen con base en el material que va a ser reducido. Es preferible para el gas reductor usado ser sometido a una reacción de desplazamiento de CO al menos en parte, antes de la conversión. De esta manera, el CO es convertido en C02 y H2, por medio de vapor de conformidad con la siguiente ecuación: Reacción de desplazamiento de CO: CO + H20 -> C02 + H2. El contenido de CO del gas suministrado al convertidor es minimizado ventajosamente en el proceso y la proporción de CO/C02 es ajustada. A causa del alto contenido de CO en el gas reductor, en particular si el gas que va a ser convertido ya contiene CO, pueden tener lugar en las partes metálicas de la instalación, problemas ocasionados por la separación de
polvo etáli-co, que implica la destrucción de las partes metálicas de la instalación por el CO. Si el gas que va a ser convertido contuviera CO, se someterla a una reacción de desplazamiento de CO, evitando substancialmente la separación de polvo metálico. Si el contenido de H20 del gas que contiene C02- y C0-no es suficientemente alto para una reacción de desplazamiento de CO, se añade convenientemente vapor a la reacción de desplazamiento de CO. * A causa de las operaciones de proceso directo, que implican el hecho de que el convertidor está conectado directamente en el circuito del gas reductor sin algún dispositivo que tenga una influencia significativa sobre la temperatura y la composición del gas reductor que es suministrado entre el convertidor y un reactor de reducción que contiene la zona de reducción de lecho fluidizado, hay muy pocas maneras posibles de ajustar la calidad del gas reductor que si el convertidor es conectado externamente al circuito del gas reductor. De conformidad con O-A-96 00304, la cual, igual a US-A-5, 082, 251, ha descrito un proceso de reducción directa que utiliza un convertidor de vapor conectado externamente al circuito de gas reductor, hay, por ejemplo, maneras posibles de ajustar la calidad del gas reductor cambiando la manera en la cual opera el convertidor, cambiando la medida en la que el C02 es depurado
del gas convertido y/o del gas reductor usado, etc. Con la ayuda de la reacción de desplazamiento de CO que se proporciona conforme a una variante preferida del proceso conforme a la invención, es posible igualmente cuando se usa la operación de proceso directo para las proporciones de gas requeridas para que la conversión y la reducción directa ser ajustadas como se requiere, es decir, para variar la proporción de CO/H2 o el contenido de CO sea reducido, conforme a los requerimientos específicos. De conformidad con una modalidad adicional preferida, el gas reductor usado es comprimido antes de la conversión, preferiblemente a una presión de aproximadamente 8.15 kg/cm2 (8 bares de presión superatmosférica) . Es preferible para el calor residual de la conversión ser usado para precalentar aire, H20, gas natural, etc. El gas reductor usado es comprimido ventajosamente antes de la reacción de desplazamiento de CO, preferiblemente a una presión de aproximadamente 8.15 kg/cm2 (8 bares de presión superatmosférica) . El gas reductor usado es calentado convenientemente antes del convertidor y antes de la reacción de desplazamiento de CO opcional. La presente invención también concierne a una instalación para llevar a cabo el proceso conforme a la invención, que tenga al menos un reactor de lecho fluidizado
que tenga capacidad para admitir una zona de reducción de lecho fluidizado, una linea de alimentación para alimentar un gas reductor que contenga CO- y H2 al reactor de lecho fluidizado y una linea de descarga de gas para descargar el gas reductor usado, que conduzca desde el reactor de lecho fluidizado a un convertidor de C02 a fin de producir el gas reductor que contenga CO- y H2- desde un gas que contenga metano, en particular gas natural, y el gas reductor usado, que el convertidor de C02 esté conectado en linea, al reactor de lecho fluidizado via la linea de alimentación. De conformidad con la invención, esta instalación está caracterizada porque hay un dispositivo de compresión para comprimir el gas que es suministrado al reactor de lecho fluidizado a una presión alta, preferiblemente a una presión de al menos 5.09 kg/cm2 (5 bares) de presión superatmosférica, en particular a una presión de aproximadamente 8. 15 kg/cm2 (8 bares) de presión superatmosférica, corriente arriba del convertidor de C02. Es preferible para un reactor de desplazamiento de CO estar provisto corriente arriba del convertidor de C02 para gas reductor usado. La linea de alimentación de vapor puede en este caso , extenderse corriente arriba del reactor de desplazamiento de CO en una linea de alimentación para C02- y si es apropiado, gas que contenga CO y/o en el reactor mismo de desplazamiento de CO.
De conformidad con una modalidad igualmente más preferida, el dispositivo de compresión para comprimir el gas reductor usado, está provisto corriente arriba del reactor de desplazamiento de CO. En la instalación conforme a la invención, es preferible esté provista de al menos tres, y en particular preferiblemente cuatro, reactores de lecho fluidizado que estén conectados en serie. Para ajustar precisamente la composición química del gas reductor para eficiencia óptima del convertidor de C02, el reactor de desplazamiento de CO puede convenientemente ser desviado por medio de una linea de una desviación para el gas reductor usado. Es ventajoso para una linea que suministra, un gas que contenga CH4-, en particular gas natural, extenderse en la linea de gas que suministra gas reductor usado hasta el convertidor de C02. La instalación conforme a la invención está convenientemente caracterizada por un dispositivo de calentamiento para el gas reductor usado comprimido y depurado. La invención se explica con más detalle posteriormente con referencia a los dibujos, en los cuales las figuras 1 y
2 ilustran en cada caso, una modalidad preferida de la invención, componentes idénticos en cada caso que son
proporcionados con símbolos de referencia idénticos. La figura 1, muestra cuatro reactores de lecho fluidizado 1 a 4 que están conectados en serie y cada uno tiene capacidad para admitir un lecho fluidizado en estado estacionario, material que contenga óxido de hierro, tal como mineral fino, que es suministrado via una linea de alimentación de mineral 5 en el reactor de lecho fluidizado más elevado 4, en el cual tiene lugar calentamiento a temperatura de reducción y, si es apropiado la reducción preliminar, y que son pasados luego del reactor de lecho fluidizado 4 a los reactores de lecho fluidizado 3, 2 y 1 via las lineas de liberación 6a a 6c. El material reducido completamente (esponja de hierro) es alimentado, via una linea de descarga 7 y un elevador 8, que se entiende que es una sección de tubo substancialmente vertical que tiene un revestimiento interior refractario y es usado para transportar neumáticamente la esponja de hierro hacia arriba por medio del gas reductor, hasta una tolva de almacenamiento 9 y, desde ahi, a un dispositivo briqueteador 10, en el cual la esponja de hierro es briqueteado térmicamente. Si es apropiado, el material reducido es protegido de la reoxidación durante el briqueteado por medio de un sistema de gas inerte (no mostrado) o es alimentado a un horno de arco eléctrico situado posteriormente. El gas reductor que es usado para transportar la
esponja de hierro a través del elevador 8 es extraído y expandido via una linea 11 y es luego alimentado para uso adicional, por ejemplo para propósitos de calentamiento (no ilustrado) . El uso de un elevador 8 tiene la ventaja de que el dispositivo briqueteador 10 puede estar dispuesto después del dispositivo de reducción formado desde los reactores de lecho fluidizado 1 a 4, con el resultado de que la altura total de la instalación completa puede ser disminuida. Una posibilidad adicional (no ilustrada) de transportar la esponja de hierro a la tolva de almacenamiento 9 sin usar un elevador 8, consiste en que el reactor de lecho fluidizado más elevado 1 esté dispuesto a una altura que sea tal de manera que la esponja de hierro pueda fluir en la tolva de almacenamiento 9, que esté dispuesta en un nivel inferior, por medio de la fuerza de gravedad; en este caso, sin embargo, el inconveniente de una altura total mayor de la instalación completa es aceptado. Antes de que el material que contenga óxido de hierro sea introducido en el primer reactor de lecho fluidizado 4, que se ve en la dirección del flujo del material, es sometido a un tratamiento de preparación, tal como un tratamiento de secado (no ilustrado con más detalle) . El gas reductor es alimentado al reactor de lecho fluidizado más elevado 1 via una linea de alimentación 12, es llevado desde el reactor de lecho fluidizado 1 a los
reactores de lecho fluidizado 2, 3 y 4, via las lineas 13a a 13c en contracorriente al flujo del material que va a ser reducido y es extraído via una linea de descarga de gas 14 como gas reductor usado. A manera de ejemplo, el gas reductor fluye en el reactor de lecho fluidizado más alto 1 a una temperatura de aproximadamente 800 °C y a una presión de aproximadamente 8.15 kg/cm2 (8 bares) absolutos, y deja el reactor de lecho fluidizado más alto 4 como gas reductor usado a una temperatura de aproximadamente 550 °C y a una presión de aproximadamente 6.11 kg/cm2 (6 bares) absolutos. El gas reductor usado es enfriado y burbujeado en un enfriador/depurador 15, donde se remueven los polvos y vapores. El gas frió y depurado, el cual de conformidad con las modalidades ilustradas es pasado a través de un circuito, es luego alimentado a un compresor 17, via una linea 16. En el compresor 17, el gas reductor usado es comprimido, por ejemplo a una presión de aproximadamente 8.15 kg/cm2 (8 bares), Después del compresor 17, hay un dispositivo de calentamiento 18, el cual es usado para calentar el gas reductor usado, el cual ha sido enfriado en gran medida durante la depuración por medio del enfriador/depurador 15, hasta regresar a una temperatura que es necesaria para la reacción de desplazamiento de CO. El gas reductor usado, que ha sido calentado de esta manera, es entonces alimentado via la linea 16a a un reactor de
desplazamiento de CO 19, en el cual el CO que está presente en el gas reductor usado es parcialmente convertido, por medio de vapor, a C02 y H2. en la modalidad ejemplar ilustrada en la figura 1, el vapor es alimentado via la linea de alimentación 20 en la linea 16a por medio de la cual el gas reductor usado es llevado al reactor de desplazamiento de CO 19. Sin embargo, el vapor puede también, a manera de ejemplo, ser alimentado directamente al reactor de desplazamiento de CO 19. En el reactor de desplazamiento de CO 19, el CO que está presente en el gas reductor usado, es convertido (parcialmente) en C02 por medio de vapor. La condición del reactor de desplazamiento de CO 19 por un lado, aumenta ventajosamente el contenido de C02 del gas que es alimentado al convertidor de C02, que promueve la reacción de conversión, y, por otro lado, reduce el contenido de CO, con el resultado de que los polvos metálicos que se separan, es decir, la destrucción de las partes metálicas de la instalación por CO, se evita substancialmente. Además, el reactor de desplazamiento de CO 19 da como resultado más maneras posibles de ajustar la calidad del gas reductor deseada. Las proporciones de gas requeridas para la conversión y la reducción directa, pueden ajustarse conforme a a los requerimientos particulares, es decir, la proporción de C0/H2 puede variarse y/o el contenido
de CO puede reducirse conforme a los requerimientos. El reactor de desplazamiento de CO 19 puede ser desviado por medio de una linea de desviación 21, que da como resultado una amplia variedad de posibilidades para ajustar la calidad deseada del gas reductor, por ejemplo como un resultado de una cantidad parcial del gas reductor usado, que es alimentado directamente al convertidor de C02 22, sin ser pasado a través del reactor de desplazamiento de CO 19. En el convertidor de C02 22, el gas que es suministrado via la linea 16b, si fuera apropiado calentar previamente, se hace reaccionar junto con gas que contenga metano, en el ejemplo ilustrado, gas natural, el cual es suministrado via una linea 23, de manera que se formara CO y H2. El gas convertido deja el convertidor de C02 por ejemplo a una temperatura de aproximadamente 930 °C. Para permitirle ser usado como gas reductor virgen, el gas convertido todavía fue calentado a la temperatura deseada de gas reductor. En la modalidad ejemplar ilustrada, el gas convertido que es extraído del convertidor de C02 22 , via una linea 12 es parcialmente dirigido via un enfriador 24 y la parte remanente es dirigida via una linea 12a que desvia al enfriador y tiene una válvula 25, se establece durante el proceso una temperatura de gas reductor de aproximadamente 800 °C.
El convertidor de C02 22, es calentado por combustión de gas natural, el cual es suministrado via una línea 26, con un gas que contiene oxigeno, tal como aire, el gas es suministrado vía una línea 27. Parte del gas reductor calentado, usado, puede ser conectado vía una línea 28 y puede igualmente ser quemado con un gas que contenga oxígeno, tal como aire, a fin de calentar el convertidor de C02 22. Los gases de desprendimiento de la combustión, que se formaron en el proceso son extraídos del convertidor de C02 22, vía una línea 29. La alta presión en el circuito de gas reductor, por ejemplo de aproximadamente 7 a 8 bares absolutos, corriente arriba del convertidor de C02 22 y aproximadamente de 6 a 7 bares antes de que el gas sea introducido en el reactor de lecho fluidizado más elevado 1, permite a todas las adaptaciones internas (líneas, reactores de lecho fluidizado) , ser de dimensiones pequeñas correspondientemente. Además, la formación de carbón y depósitos se evita substancialmente en todos los componentes. Finalmente, un elevador 8, puede ser usado ventajosamente para transportar el material reducido al dispositivo briqueteador 10, como se ha explicado ya con más detalle anteriormente. De conformidad con la modalidad ilustrada en la figura 2, el gas reductor usado, después de que ha sido calentado
en el dispositivo de calentamiento 18, es alimentado directamente al convertidor de C02 22, con el resultado de que la instalación es simplificada, pero no hay una amplia variedad tal de posibilidades para influenciar la composición de gas reductor que deja el convertidor de C02, como lo hay en la modalidad ilustrada en la figura. Las composiciones químicas de los gases, temperaturas y presiones, de conformidad con la modalidad ejemplar ilustrada en la figura 1, se explican con más detalle en el ejemplo que sigue (los detalles de presión están en bares absolutos) . A) Flujo de mineral Se introdujo mineral en el reactor de lecho fluidizado 4 vía la línea de alimentación de mineral 5: Temperatura: aproximadamente 50 °C, peso de mineral basado en el producto, aproximadamente 1.44. Composición: hematita (Fe203) , con un contenido de hierro puro de aproximadamente 67 %, tamaño de grano hasta en su mayor parte 12.5 mm. El mineral descargado del reactor de lecho fluidizado 1 vía la línea de descarga 7: Temperatura: aproximadamente 800 °C, mineral reducido
Composición: contenido total de hierro aproximadamente de 93 % (Fe), metalización de 92 % C = 1.5 - 2.5 % Tamaño de grano: hasta en su mayor parte 6.3 mm. El mineral reducido, es transportado para briqueteado 10 vía el elevador 8. B) Flujo de gas Gas introducido en el reactor de lecho fluidizado 1 vía la línea 13: Presión: aproximadamente 7.13 kg/cm2 (7 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 800 °C Composición de gas reductor: CO: 21.7 % C02 : 3 . 2 O H2 : 57 . 2 H20 : 5 . 6 o CH4 : 6 . 2 N2 : 6 . 1 Descarga de del gas reductor usado, desde el reactor de lecho fluidizado 4 vía la línea de descarga de gas 14: Presión: aproximadamente 5.09 kg/cm2 (5 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 550 °C
Composición del gas: CO: 15.4 % C02 : 8.8 -s H2: 46.5 % CH4: 4.4 % H20: 18.3 % N2: 6.5 % El contenido de polvos en el gas: aproximadamente 27 Kg/ton de producto, con 9.5 g/m3n. Depósito de los polvos a través del depurador de gas reductor 15 (también mencionado como enfriador/ depurador) : Gas reductor usado después del depurador 15: Presión: aproximadamente 4.07 kg/cm2 (4 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 40 °C Contenido de polvo: 27.3 g/ton de producto con aproximadamente 10 mg/m3n. Gas reductor usado después del compresor 16: Aumento de presión a aproximadamente 8.15 kg/cm2 (8 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 100 °C Gas reductor usado después del dispositivo de calentamiento 18:
Presión: aproximadamente 7.95 kg/cm2 (7.8 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 350 °C Entrada al reactor de desplazamiento de CO 19: Presión: aproximadamente 7.95 kg/cm2 (7.8 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 350 °C Composición del gas: CO: 14.0 % C02: 8.0 % H2: 42.4 % H20: 26.6 % CH4: 4.0 % N2: 5.2 % El gas reductor usado después del reactor de desplazamiento de CO 19: Presión: aproximadamente 7.64 kg/cm2 (7.5 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 450 °C Entrada del gas reductor usado en el convertidor de C02 22 (después de que se ha añadido CH4) : Presión: aproximadamente 7.64 kg/cm2 (7.5 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 450 °C
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Composición del gas: CO: 4.4 % C02: 13.6 % H2: 43.9 % H20: 14.9 % CH4: 17.5 % N2: 5.8 % Descarga de gas reductor del convertidor 22 vía la línea 12: Presión: aproximadamente 7.13 kg/cm2 (7 bares) de presión superatmosférica Temperatura: aproximadamente 930 °C Composición del gas: CO: 22.6 Q. O C02: 3.3 O H2: 59.5 O H20: 6.0 ? CH4: 2.4 ? N2: 6.1 ? Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.