MXPA03007201A

MXPA03007201A - Metodo y aparato para incrementar la productividad de un proceso de reduccion directa.

Info

Publication number: MXPA03007201A
Application number: MXPA03007201A
Authority: MX
Inventors: E Metius Gary
Original assignee: Midrex Technologies Inc
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2005-02-14
Also published as: AU2002238080B2; WO2002097138A1; RU2261918C2; RU2003127679A

Abstract

Un metodo mejorado y un aparato que comprende un horno de tiro (10) para incrementar la productividad de un proceso da reduccion directa, en el que se reduce hierro a hierro metalizado con un gas reductor caliente.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA INCREMENTAR LA PRODUCTIVIDAD DE UN PROCESO DE REDUCCIÓN DIRECTA REFERENCIA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la solicitud provisional estadounidense No. 60/181,945, presentada el 11 de febrero de 2000, y es una continuación en parte de la solicitud de patente estadounidense en trámite No. 09/456,111, presentada el 7 de diciembre de 1999, que es una continuación en parte de la solicitud de patente estadounidense No. de serie 08/924,686, presentada el 5 de septiembre de 1997, ahora patente estadounidense No. 5,997,596, que fue expedida el 7 de diciembre de 1999.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método y un aparato para incrementar la productividad de un proceso de reducción directa para la producción de hierro metalizado u otro metal y, más particularmente, a aparatos y métodos para incrementar la cantidad de reductor en el gas de horno de un horno de reducción directa, ai mismo tiempo que se controla la temperatura óptima del gas de horno y se controla la temperatura óptima del lecho.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En el proceso Midrex de reducción directa, la reducción de óxidos de hierro a hierro metalizado se logra formando un lecho de hierro que contiene cargas, tales como óxido de hierro en pellas o en forma de lupia, en un horno de tiro que inyecta un gas de reducción caliente, típicamente una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, en la carga; durante un periodo de tiempo suficiente para obtener la reducción sustancialmente completa de los óxidos a hierro metalizado. Se inyecta típicamente el gas de reducción en la carga utilizando un sistema de inyector y de toberas. El problema presentado es cómo incrementar la productividad de los hornos de reducción directa, nuevos y existentes, sin incrementar la capacidad del equipo tradicional de gas reductor. El actual estado de la técnica para solucionar este problema está enfocado en cuatro áreas: (1) adición de enriquecimiento - para reformación in situ dentro del horno de reducción; (2) inyección de oxígeno para incrementar las temperaturas del lecho del horno, para mayor utilización; (3) adición de alto enriquecimiento e inyección de oxígeno, primariamente para reformación in situ dentro del horno de reducción; (4) quemadores de oxígeno-combustible, para generar reductor fuera del horno. Cada uno de los renglones anteriores tiene algunos problemas que están descritos a continuación: (1) Adición de enriquecimiento: Se añade a la corriente de gas de horno un combustible hidrocarburo (tal como gas natural, metano, etano, butano, propano, nafta) a la corriente de gas de horno. Se puede controlar el gas de horno metano para prevenir la metanización. Este metano es el material de alimentación químico para la reformación in situ dentro de horno; por lo tanto, incrementar la producción al formar más reductor. Sin embargo, la reformación in situ consume calor, así que las cantidades grandes de adición de enriquecimiento reducen las temperaturas del lecho del horno. Las menores temperaturas de lecho dan por resultado menor utilización del reductor y una disminución en la cinética de las reacciones de reducción. Si las temperaturas de lecho se vuelven demasiado bajas, el equilibrio químico favorecerá las reacciones de carburización 2CO ? [C] + C02 y CO + H2 ? [C] + H20, que consumen parte del reductor y forman oxidantes. (2) Se usa la inyección de oxígeno en muchas plantas de reducción directa en la actualidad, usualmente con bajos niveles de gas de horno metano (aproximadamente 2.5 por ciento) para mantener las temperaturas del lecho a alrededor de 900°C, que es justo inferior al punto de agrupación del material de carga. La cantidad pequeña de adición de enriquecimiento puede ser usada para equilibrar las temperaturas del lecho. Las elevadas temperaturas del gas de horno permiten que se eleven al máximo las temperaturas de lecho del horno. Las temperaturas mayores de lecho incrementan la cinética de las reacciones de reducción, lo que aumenta la utilización del reductor y produce mayor productividad en el horno. Una cantidad pequeña de reformación in situ puede resultar de la adición de enriquecimiento. Sin embargo, todo el equipo, desde el punto de inyección de oxígeno y a través del horno, está sometido a las temperaturas más altas, con el consiguiente riesgo mayor de aglomeración de la carga y mayores requerimientos de mantenimiento para el equipo. La inyección de oxígeno está limitada cuando la temperatura del gas de horno o la temperatura del lecho del horno es suficientemente alta para provocar la aglomeración del material en el horno. Mucho del oxígeno inyectado se quema con el H2 y el CO ya presentes en la corriente gaseosa, dando por resultado temperaturas mayores pero menos reductor y menor calidad (ya que se producen H20 y C02). En pocas palabras, los sistemas de inyección de oxígeno de la actualidad varían el flujo de oxígeno para controlar la temperatura, y algunos sistemas varían el flujo de gas natural para controlar los niveles de metano, sin capacidad para incrementar la cantidad de reductor generada ni la calidad de la corriente de gas. La calidad del gas reductor es definida por la razón de reductores (H2 + CO) a oxidantes (C02 + H20); siendo la mejor la que da la máxima calidad. Un valor típico para la razón de reductores a oxidantes es aproximadamente 12 a 1, con una razón H2/CO de 1.5 a 1. Adición de alto enriquecimiento e inyección de oxígeno. Cuando se usa una combinación de inyección de oxígeno y adición de alto enriquecimiento, no se eleva al máximo las temperaturas del lecho del horno. Operar con elevado régimen de gas de horno metano (alrededor de 6 por ciento) eleva al máximo la reformación in situ en el horno de reducción, con la consecuencia de que las temperaturas del lecho del horno están en la escala de 800 a 820°C. Se incrementa la producción primariamente mediante reformación in situ. Se puede obtener cierta ganancia pequeña en la productividad aumentando ligeramente las temperaturas del lecho por medio de la mayor utilización y la cinética mejorada de las reacciones de reducción. Desafortunadamente el grado al que se puede inyectar el oxígeno puro y el gas natural está limitado por las altas temperaturas del gas de horno, que pueden provocar la aglomeración en las losas del portillo; es decir, el punto en el que el gas de horno entra en el horno. Si la temperatura del lecho del horno es baja, entonces el reductor residual en el gas de la parte de arriba será mayor después que ocurran las reacciones de reducción, y el metano residual, en el gas de la parte de arriba será mayor después que ocurran las reacciones de reformación in situ, lo que da por resultado un gas de la parte de arriba con un valor mayor de calentamiento. Cuando este valor de calentamiento sobrepasa el calor necesario para el proceso de reducción, se genera combustible de exportación. Esto aumenta el consumo de gas natural del proceso sin proveer otro beneficio que la formación del combustible de exportación. Los quemadores de oxígeno-combustible no han sido probados en las plantas DR. Los quemadores de oxígeno-combustible tienen la capacidad de generar gas reductor fuera del horno de reducción, sin incrementar significativamente las temperaturas del gas de horno. El reductor generado es de mayor calidad que el que se podría obtener si se añadiera la misma cantidad de oxígeno y de gas natural a través de un sistema típico de inyección de oxígeno + enriquecimiento. Sin embargo, los quemadores de oxígeno-combustible pueden no tener la capacidad de producir gas reductor a la temperatura del gas de horno deseada. El gas reductor generado por los quemadores de oxígeno-combustible no tendrá el exceso de calor necesario para mantener las elevadas temperaturas del lecho del horno. Para que los quemadores de oxígeno-combustible produzcan el gas reductor de alta calidad, se debe controlar la razón de oxígeno a combustible dentro de límites precisos. Esta razón prohibe que los quemadores de oxígeno-combustible suministren la elevación de temperatura al gas de horno que se requiere. Si se opera el quemador de oxígeno-combustible a una razón de oxígeno/combustible que sea demasiado alta, entonces se puede destruir el quemador por las altas temperaturas. Inversamente, si se opera el quemador a una razón de oxígeno/combustible que sea demasiado baja, entonces se podría formar carbón, que taponaría el quemador.

Es posible que se pudiera usar un número mayor de quemadores de oxígeno-combustible para incrementar la temperatura del gas de horno; pero esto prevendría que la planta operara los quemadores para producir cantidades pequeñas de gas reductor adicional cuando operara a las elevadas temperaturas del lecho del horno. Por supuesto también se requeriría más inversión de capital, para satisfacer la necesidad de más quemadores de oxígeno-combustible para elevar la temperatura del gas de horno.

LA TÉCNICA ANTERIOR RELACIONADA El proceso Midrex de reducción directa está comprendido las patentes estadounidenses 3,748,120 y 3,749,386, de Beggs.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención provee un método y un aparato para incrementar la productividad de un proceso de reducción directa en el que se reduce el óxido de hierro a hierro metalizado, poniéndolo en contacto con un gas reductor caliente; que comprende los pasos de: a) proveer un primer gas reductor caliente, que consiste esencialmente de CO y H2; proveer gas reductor adicional, mediante la reacción de un combustible hidrocarburo con oxígeno; c) mezclar el primer gas reductor caliente con el gas reductor adicional para formar una mezcla de gases reductores; d) enriquecer la mezcla de gases reductores añadiendo un hidrocarburo gaseoso o líquido; e) inyectar oxígeno o aire enriquecido con oxígeno, en la mezcla enriquecida; y f) introducir la mezcla enriquecida en un horno de reducción directa asociado, como gas reductor. Los quemadores de oxígeno-combustible suplementan el flujo de gas reductor. El aparato consiste de una fuente de gas reductor que comunica con un horno de reducción a través de un conducto de gas; un quemador de oxígeno-combustible que comunica con el conducto de gas; medios para inyectar hidrocarburos adicionales en el conducto de gas, como gases de enriquecimiento; medios para inyectar oxígeno en el conducto de gas, y monitores, sensores y controles asociados.

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es el principal objetivo de la presente invención proveer un método mejorado para incrementar la cantidad de reductor en el gas de horno de un horno de reducción directa, al mismo tiempo que se controla la temperatura óptima del gas de horno y se controla la temperatura óptima del lecho. Es otro objetivo de la presente invención proveer un aparato para llevar a la práctica el método explicado arriba. Es otro objetivo más de la presente invención incrementar la productividad de un horno de reducción directa, sin incrementar la capacidad ni el tamaño del equipo tradicional de gas reductor.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO Los objetivos anteriores y otros objetivos se harán más fácilmente aparentes cuando se haga referencia a la siguiente descripción detallada y al dibujo anexo, en el que: La figura única del dibujo es un diagrama esquemático de flujo de una modalidad preferida de la presente invención DESCRIPCIÓN DETALLADA A fin de incrementar la productividad de los hornos de reducción directo nuevos y ya existentes, sin incrementar la capacidad del equipo tradicional de gas reductor, la presente invención utiliza quemadores de oxígeno-combustible, adición de gas de enriquecimiento e inyección de oxígeno. Este proceso eleva al máximo la reformación in situ al mismo tiempo que eleva al máximo la cinética de la reducción. Controlar la temperatura óptima del gas de horno a más de 900°C provee el calor necesario para la reformación in situ y eleva al máximo la calidad del gas reductor en el horno. Controlar la temperatura óptima del lecho a más de 850°C promueve la cinética de la reacción, incrementa la utilización del reductor, provee el calor que puede ser usado para craquear el carbón en el cono Inferior del horno y reduce la generación de combustible de exportación. Haciendo referencia ahora al dibujo, un horno de reducción directa, tal como el horno de tiro 10, tiene un sistema de inyector y tobera 12, que comunica con un conducto 14 de gas reductor. El gas reductor caliente procedente de la fuente 16 es alimentado al conducto. Se dispone uno o más quemadores 20 de oxígeno-combustible para que comuniquen con el conducto 14. Se alimenta cada quemador con gas natural u otro combustible hidrocarburo, tal como metano, etano, butano, propano, nafta o una mezcla de cualesquiera de ellos, desde la fuente 22. Se suministra oxígeno al quemador desde la fuente de oxígeno 24. Se puede usar múltiples quemadores 20 de oxígeno-combustible para generar el gas reductor. El tamaño y la cantidad de esos quemadores variarán dependiendo del proveedor y de los requisitos/limitaciones de la planta. Se ajusta la razón oxígeno/ combustible a fin de generar un gas reductor de alta calidad. Los quemadores de oxígeno-combustible suplementan el flujo de gas reductor al horno de reducción directa. Se puede controlar la razón oxígeno/combustible para elevar al máximo la calidad [(H2+CO)/(H20 +C02)] del gas reductor generado. Se puede operar el quemador de oxígeno-combustible a la razón óptima para elevar al máximo la calidad sin exceder de los límites de la temperatura de quemador. Se introduce la razón deseada en el controlador 26, que controla la cantidad de oxígeno que fluye a través de la válvula 28, al quemador 20, y la cantidad del gas hidrocarburo que fluye a través de la válvula 30, al quemador. Se logra la adición del enriquecimiento con gas hidrocarburo inyectando gas natural u otros hidrocarburos, tales como metano, etano, butano, propano, nafta o una mezcla de hidrocarburos procedentes de la fuente 38 hacia el conducto 14, corriente arriba del inyector 12. El flujo de enriquecimiento es controlado mediante el análisis de metano del gas de horno, por medio del analizador de gas 40, adyacente al inyector 12. El analizador 40 comunica con el controlador 42 de flujo de hidrocarburo, cuya operación controla indirectamente la temperatura del lecho del horno. La adición de enriquecimiento permite que se controle y optimice independiente-mente y con precisión las temperaturas del lecho del horno. Se ajusta el flujo de enriquecimiento para obtener las máximas temperaturas de lecho, para la máxima utilización del gas reductor y la menor generación de combustible de exportación. Se puede utilizar las máximas temperaturas de lecho en el cono inferior del horno, para el carbono producido y generar reductor adicional en el horno. Se puede precalentar o no la adición de enriquecimiento. La inyección de oxígeno controla la temperatura del gas de horno. Se puede inyectar oxígeno en el conducto 14 de gas reductor, a través de una sola tubería 48, o a través de un dispositivo de boquillas múltiples. También se puede utilizar otros sistemas más complicados para inyectar el oxígeno, tales como un sistema optimizado de inyección de oxígeno, que combina los aspectos de adición de enriquecimiento y de inyección de oxígeno en una sola pieza de equipo. El monitor de temperatura 50 comunica con el conducto 14 de gas reductor y controla la operación del controlador de flujo de oxígeno 52 para llevar al punto óptimo la temperatura del gas de horno. La inyección de oxígeno permite que se controle y optimice independientemente y con precisión la temperatura del gas de horno. Se ajusta la temperatura del gas de horno lo más alta posible, sin provocar aglomeración en las losas del portillo. Las temperaturas más altas del gas de horno proveen la energía necesaria para la reformación ¡n situ, lo que da por resultado un gas de horno de mayor calidad. Las temperaturas altas proveen también la energía necesaria para mantener altas temperaturas de lecho. Cualquiera de los combustibles o el oxígeno podría estar frío o se lo podría precalentar en el proceso de la invención. Si se desea, se puede invertir la secuencia de inyección de oxígeno y enriquecimiento. Se logra la productividad óptima elevando al máximo la temperatura reductora de la carga y la calidad del gas reductor que entran al horno de tiro. Estos dos factores son claves para elevar al punto óptimo la producción de cualquier horno de reducción directa, y su equipo generador de gas relacionado. Al utilizar inyección de oxigeno y quemadores de oxígeno-combustible, como se muestra en la figura, así como manteniendo el gas natural en la corriente gaseosa reductora, es posible controlar la temperatura de carga del horno de tiro y la temperatura del gas reductor. Esto permite que el operador lleve al máximo el funcionamiento del horno de tiro, elevando al máximo la utilización de los gases reductores dentro del horno.

COMPENDIO DE LA OBTENCIÓN DE LOS OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN De lo anterior es fácilmente aparente que se ha inventado un método y un aparato mejorados para incrementar la cantidad de reductor en el gas de horno de un horno de reducción directa, al mismo tiempo que se controla la temperatura óptima del gas de horno y se controla la temperatura óptima del lecho. Se debe entender que la descripción precedente y las modalidades específicas son meramente ilustrativas de la mejor manera de poner en práctica la invención y de sus principios; y que son posibles varias modificaciones y adiciones al aparato, que las pueden hacer quienes sean expertos en la materia, sin salirse del espíritu y alcance de esta invención que, por lo tanto, se entiende que está limitada únicamente por el alcance de las reivindicaciones

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Un método para incrementar la productividad de un proceso de reducción directa, en el cual se reduce óxido de hierro a hierro metalizado, por contacto con gas reductor caliente, caracterizado porque comprende: (a) proveer un primer gas reductor caliente, que consiste esencialmente de CO y H2; (b) proveer gas reductor adicional, mediante reacción de un combustible hidrocarburo gaseoso o líquido, con oxígeno; (c) mezclar el primer gas reductor caliente con el gas reductor adicional, para formar una mezcla gaseosa reductora; (d) enriquecer la mezcla gaseosa reductora mediante la adición de un hidrocarburo gaseoso o líquido; (e) inyectar oxígeno o aire enriquecido con oxígeno en la mezcla enriquecida; y (f) introducir la mezcla enriquecida en el horno de reducción directa asociado, como gas reductor.

2. - Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el combustible hidrocarburo del paso (b) es seleccionado del grupo que consiste de: gas natural, líquidos de gas natural, metano, etano, butano, pentano, propano, nafta, aceite combustible o una mezcla de ellos.

3. - Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende adicionalmente controlar la temperatura del gas de horno, vigilando la temperatura del gas de horno y ajustando el régimen de inyección de oxígeno.

4. - Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende adicionalmente controlar la razón de oxígeno y combustible provista al quemador de oxígeno-combustible.

5. - Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende vigilar la temperatura de la mezcla de gas enriquecida y ajusfar el régimen de inyección del hidrocarburo gaseoso o líquido, en respuesta a ella.

6. - Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende adicionalmente vigilar la calidad de la mezcla de gas enriquecida y ajusfar el régimen de inyección del oxígeno o del aire enriquecido con oxígeno, en respuesta a ella.

7. - Aparato para reducción directa de hierro, de gran productividad, en el que se reduce óxido de hierra a hierro metalizado por contacto con gas reductor caliente, caracterizado porque comprende: un horno de reducción directa; medios para proveer un primer gas reductor caliente, que consiste esencialmente de CO y H2; medios para hacer reaccionar un combustible hidrocarburo gaseoso o líquido con oxígeno, para proveer gas reductor adicional; medios para mezclar el primer gas reductor caliente con gas reductor adicional, para formar una mezcla de gas reductor; medios para enriquecer la mezcla de gas reductor, mediante la adición de un hidrocarburo gaseoso o líquido; medios para inyectar oxígeno o aire enriquecido con oxígeno en la mezcla enriquecida; y medios para introducir la mezcla enriquecida en el horno de reducción, como gas reductor.

8. - Aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el horno de reducción directa es un horno de tiro.

9. - Aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque los medios para hacer reaccionar el combustible hidrocarburo gaseoso o líquido con oxígeno son un quemador de oxígeno-combustible. 10.- Aparato de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque comprende adicionalmente medios asociados con el quemador de oxígeno-combustible para controlar la razón de oxígeno y combustible provista al quemador de oxígeno-combustible. 11.- Aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque comprende adicionalmente medios para vigilar la temperatura de la mezcla gaseosa enriquecida, y ajustar el régimen de inyección del hidrocarburo gaseoso o líquido en respuesta a ello. 12.- Aparato de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque comprende adicionalmente medios para vig ilar la calidad de la mezcla gaseosa enriquecida y ajustar el régimen de inyección de oxígeno o de aire enriquecido con oxígeno, en resp uesta a ella.