MXPA98009709A - Metodo para la reducción directa deóxidos - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a:Se describe un método para reducción directa deóxidos que incluye la etapa de:proporcionar una zona de reducción para reducción directa deóxidos y una zona de conversión de gas que comunica con la zona de reducción;alimentaróxidos metálicos a la zona de reducción;alimentar una mezcla de gas constituida de metano y una fuente de oxígeno a la zona de conversión de gas para proporcionar un gas convertido que comprende hidrógneo y monóxido en la zona de reducción para proporcionar un metal reducido y un gas superior;y tratar el gas superior de manera que se proporcione una mezcla de gas.

Description

MÉTODO PARA LA REDUCCIÓN DIRECTA DE ÓXIDOS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con un método mejorado para la reducción directa de óxidos, especialmente óxidos de hierro en un horno de cuba. Convencionalmente, los hornos de cuba o altos hornos se utilizan para tratar óxidos metálicos tales como óxidos de hierro a temperaturas elevadas con un material de reducción tal como un gas reductor, rico en hidrógeno y monóxido de carbono, de manera que se reducen los óxidos y de esta manera se elabora un producto metalizado tal como hierro reducido a una salida de descarga del horno de cuba. Típicamente, el proceso de reducción directa es un proceso de etapas múltiples en donde el gas reductor se produce en un reactor externo conocido como un convertidor. En una etapa separada, el gas reductor se alimenta al horno para la reducción deseada. Otros métodos involucran conversión de gas en la zona de reducción. Permanece la necesidad por un método para reducción directa de óxidos el cual no involucre un procedimiento de etapas múltiples y el cual utilice energía de una manera eficiente. Por lo tanto, el objetivo principal de la presente invención es proporcionar un método para la reducción directa de óxidos en donde se evita la necesidad de un equipo convertidor de gas por separado. Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un método para dirección de reducción de óxidos, en donde el proceso de reducción se lleva a cabo de una manera eficiente. Otros objetivos y ventajas de la presente invención aparecerán a continuación.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN De acuerdo con la invención, los objetivos anteriores y ventajas se obtendrán con facilidad. De acuerdo con la invención, se proporciona un método para reducción directa de óxido, método el cual comprende las etapas de : proporcionar una zona de reducción para reducción directa de óxidos y una zona de conversión de gas comunicada con la zona de reducción; alimentación de óxidos metálicos a la zona de reducción; alimentación de una mezcla de gas que comprende metano y una fuente de oxigeno a la zona de conversión de gas para proporcionar un gas convertido que comprende hidrógeno y monóxido de carbono; poner en contacto los óxidos y el gas transformado en la zona de reducción para proporcionar un metal reducido y un gas superior; y tratar el gas superior de manera que se proporcione una mezcla de gas.

Adicionalmente de acuerdo con la invención, la etapa de proporcionar una zona de reducción y la zona de conversión de gas preferiblemente comprende las etapas de: proporcionar un horno de cuba o alto horno que tiene una entrada, una zona de precalentamiento y de prerreducción corriente abajo de tal •entrada de óxido y que tiene una salida de gas superior, la zona de reducción corriente abajo de la zona de precalentamiento y prerreducción, una zona de transición corriente abajo de la zona de reducción, una zona de descarga corriente abajo de la zona.de transición y una zona de conversión de gas asociada con la zona de reducción para flujo de gas desde la zona de conversión de gas a la zona de reducción.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS - A continuación sigue una descripción detallada de las modalidades preferidas de la invención, con referencia al dibujo anexo el cual es una representación esquemática de un sistema para llevar a cabo el método de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA La invención se relaciona con un método para la • reducción* directa de óxidos, especialmente la reducción directa de óxidos de hierro, en donde el óxido de hierro es tratado en un horno de cuba con un gas reductor que contiene hidrógeno y monóxido de carbono para reducción de los óxidos de hierro y de esta manera proporcionar un producto metalizado. De acuerdo con la invención, el gas de reducción se alimenta a una zona de reducción para tratar los óxidos de hierro y es extraído de la zona de reducción como en un gas superior y se recicla y se convierte en un gas reductor para tratamiento adicional . De acuerdo con la invención, el gas se convierte en una zona de conversión de gas definida sustancialmente adyacente a, y comunicada con la zona de reducción de manera que gas introducido la zona de conversión a una temperatura de conversión ventajosamente puede fluir directamente a la zona de reducción de una manera la cual mejore la eficiencia del proceso total. Con referencia ahora al dibujo, se ilustra esquemáticamente un método para llevar a cabo la presente invención. Como se muestra, un horno de cuba 10 preferiblemente se proporciona con una entrada 12 de óxido, una zona 14 de precalentamiento y prerreducción, una zona 16 de reducción, una zona 18 de transición y una zona 20 de descarga que lleva a una salida 22 de producto metalizado. Durante el método de la presente invención, los óxidos tales como óxido de hierro se alimentan a la entrada 12 de óxido y se desplazan corriente abajo a través de las zonas 14, 16, 18 y 20 hacia la salida 22, en donde se proporciona un producto reducido o metalizado, según se desee.

De acuerdo con la invención, se introduce un gas reductor a una zona 16 de reducción a temperaturas elevadas de manera que proporcione la reducción deseada de óxido de hierro al producto metalizado. De acuerdo con la invención, el gas reductor de la zona 16 de reducción fluye corriente arriba hacia la zona • 14 de precalentamiento y prerreducción y al mismo tiempo se precalientan y prerreducen óxidos que entran, antes de entrar a la zona 16 de reducción. Los gases de la zona 14 de precalentamiento y prerreducción son extraídos como gas superior desde la salida 24 de gas superior. De acuerdo con la invención, y ventajosamente, el gas superior de la salida 24 de gas superior se trata de acuerdo con la invención de manera que se proporcione una mezcla de gas que preferiblemente contiene metano y una fuente de oxígeno, y de anera más preferible rica en dióxido de carbono, y la mezcla de este gas se introduce a la zona 26 de conversión del horno 10 la cual preferiblemente se define alrededor de una zona 16 de reducción alrededor parcial y que se comunica con la zona 16- de reducción a través de por lo menos una, preferiblemente una pluralidad, de boquillas 17 localizadas en una pared 19 refractaria de las zonas 26, 16 de separación, como se muestra esquemáticamente en el dibujo. De acuerdo con la invención, la mezcla de gas contiene •metano y una fuente de oxígeno es convertida en la zona 26 de conversión de manera que proporcione el gas reductor que tiene un contenido de oxígeno y monóxido de carbono como se indica antes . Este gas reductor fluye desde la zona 26 de conversión de gas a través de las boquillas 17 hacia la zona 16 de reducción para tener contacto con los óxidos en la misma y llevar a cabo la reducción directa deseada de los óxidos de acuerdo con el método de la presente invención. Con referencia adicional al dibujo, el gas superior de la salida 24 de gas superior preferiblemente se trata como sigue. El gas superior de la salida 24 se puede hacer pasar a través de la tubería 28 a un intercambiador 30 de calor en donde el gas superior es enfriado parcialmente en un gas que entra, preferiblemente una fuente de oxígeno tal como aire, la cual se calienta parcialmente para mezclado subsecuente con gas superior tratado, como se discute posteriormente. Desde el intercambiador 30 de calor, el gas superior se hace pasar a través de la tubería 32 a una unidad 34 para enfriamiento adicional y para deshidratar el gas superior. Después de enfriar y deshidratar, el gas superior preferiblemente tiene una temperatura de entre aproximadamente 40 °C y aproximadamente 55 °C, y un contenido de vapor de agua desde aproximadamente 2% y aproximadamente 3% en volumen. Desde la unidad 34, el gas superior deshidratado preferiblemente se hace pasar a través de la tubería 36 a un compresor 38. De acuerdo con una modalidad preferida de la invención, el gas superior deshidratado desde el compresor 38 se divide preferiblemente, con una primera porción que pasa a través de la •tubería 40 al calentador 42 para calentamiento, mientras que una segunda porción se hace pasar a través de la tubería 44 a una entrada 46 de combustible para el calentador 42. De esta manera, la segunda porción del gas superior del horno 10 se utiliza como combustible para volver a calentar la primera porción que pasa a través del calentador 42. El gas calentado en el calentador 42 se hace pasar desde la tubería 48 de regreso hacia la entrada 50 de gas a la zona 26 de conversión del horno 10 de cuba. El gas recalentado del calentador 42 puede requerir la * adición de metano u otro gas natural para tener la cantidad deseada de metano y también puede requerir la adición de una fuente material de oxígeno tal como aire de manera que se proporcione la composición deseada de la mezcla de gas que se- va a introducir a la zona 26 de conversión del horno 10 de cuba. Por lo tanto, de acuerdo con la invención, se proporciona preferiblemente una fuente 52 de gas natural o metano, así como una fuente 54 de oxígeno, la cual preferiblemente es una fuente de aire, cada una de las cuales se describirá posteriormente. * De acuerdo con la invención, el gas natural de la fuente 52 preferiblemente pasa a través de la tubería 56 a un calentador 58 y posteriormente a la tubería 48 para mezclarse con el gas superior calentado del calentador 42 para proporcionar* un contenido deseado de metano. Similarmente, el aire de la fuente 54 de manera adecuada se puede hacer pasar a través de un intercambiador 30 de calor para calentamiento parcial y subsecuentemente, a través de la tubería 60, al calentador 58 para calentamiento adicional antes de mezclarse con gas natural de la tubería 56 y/o el gas superior recalentado de la tubería 48 de manera que se proporcione a la mezcla de gas con las cantidades deseadas de oxígeno. El gas natural o metano de la fuente 52 también se puede hacer pasar a través de la tubería 62 para funcionar como combustible adicional para el calentador 42, si así se requiere, mientras que el aire de la fuente 54, por ejemplo, después de pasar a través del intercambiador de calor 30, adecuadamente se puede hacer pasar a través de la tubería 64 para servir como una fuente de aire para combustión de combustible en el calentador 42, según se desee. Como se establece en lo anterior, el gas convertido después del tratamiento en la zona 26 de conversión de gas preferiblemente incluye hidrógeno y monóxido de carbono para uso en la reducción directa de óxidos en la zona 16 de reducción. Preferiblemente, el gas convertido consiste esencialmente de aproximadamente 40-43% de hidrógeno, aproximadamente 28-30% de monóxido de carbono, aproximadamente 8-10% de dióxido de carbono, aproximadamente 1-2% de metano, aproximadamente 17-20% de nitrógeno y aproximadamente 1-2% de vapor de agua, todos en base en volumen del gas convertido. Adicionalmente, de acuerdo con la invención, el gas convertido puede ser caracterizado por el grado de oxidación, la cual se define como sigue: N02 = (C02 + H20) /CO+H2+C02+H20) , en donde C02, H20, CO y H2 son los volúmenes en % de cada componente en el gas convertido. De acuerdo con la invención, el gas convertido preferiblemente tiene un grado de oxidación de entre aproximadamente 0.08 y aproximadamente 0.12. También como se establece en lo anterior, después del tratamiento de óxidos dentro de la zona 16 de reducción y la zona 14 de precalentamiento y prerreducción, el gas es extraído del horno 10 a través de la salida 24 de gas superior. De acuerdo con la invención, el gas superior típicamente consiste esencialmente de aproximadamente 25-33% de hidrógeno, aproximadamente 19-21% de monóxido de carbono, aproximadamente 12-15% de dióxido de carbono, aproximadamente 8-10% de metano, aproximadamente 10-14% de vapor de agua y aproximadamente 14-16% de nitrógeno, en base en el volumen del gas superior. El gas superior típicamente puede tener un grado de oxidación de entre aproximadamente 0.5 a aproximadamente 0.55. También como se menciona en lo anterior, el gas superior se trata preferiblemente de manera que proporcione la mezcla de gas deseada la cual es rica en dióxido de carbono para alimentación a la entrada 50 de gas de la zona 26 de conversión de gas . Preferiblemente, la mezcla de gas tiene un contenido de dióxido de carbono de por lo menos aproximadamente 15% en volumen. De acuerdo con la invención, después de tal tratamiento, la mezcla de gas consiste más preferiblemente, esencialmente de aproximadamente 35-36% de hidrógeno, aproximadamente 18-19% de monóxido de carbono, aproximadamente 15-16% de dióxido de carbono, aproximadamente 8-10% de metano, aproximadamente 0.5-2.0% de vapor de agua y aproximadamente 19-20% de nitrógeno y aproximadamente 1% de oxígeno, en base en el volumen de la mezcla de gas. Preferiblemente, la mezcla de gas antes de la conversión tiene un grado de oxidación de entre aproximadamente 0.25 a aproximadamente 0.38. Durante el tratamiento, ya sea el metano o el gas natural y una fuente de oxígeno se pueden mezclar con el gas superior. El metano o el gas natural pueden tener un contenido típico de metano. La fuente de oxígeno puede adecuadamente ser aire, preferiblemente, que consiste esencialmente desde aproximadamente 28-29% de dióxido de carbono, aproximadamente 5-6% de vapor de agua, aproximadamente 76-77% de nitrógeno y aproximadamente 15-17% de oxígeno, de manera que se proporcione la mezcla de gas deseada, rica en dióxido de carbono, como se discute antes .

De manera aún adicional, de acuerdo con la invención, la temperatura del gas en las diversas etapas es un factor que proporciona las reacciones deseadas en la zona 26 de conversión de gas y la zona 16 de reducción. De acuerdo con la invención, la mezcla de gas alimentada a la zona 26 de conversión de gas preferiblemente tiene una temperatura de entre aproximadamente •980°C y aproximadamente 1100 °C, mientras que el gas convertido de la zona 16 de reducción preferiblemente tiene una temperatura de entre aproximadamente 850 y aproximadamente 950 °C, y el gas superior extraído de la salida 24 de gas superior típicamente tiene una temperatura de entre aproximadamente 360 °C y aproximadamente 400 °C. De acuerdo con la invención, la mezcla de gas preferiblemente se introduce a la entrada 50 de gas de manera que proporcione una velocidad de flujo de gas dentro del horno 10 •entre aproximadamente 900 y aproximadamente 1300 Nm3/ton de óxido.

Además, como se establece antes, la zona 26 de conversión de gas preferiblemente está definida entre una porción de la pared exterior del horno 10, preferiblemente en la vecindad de la zona 16 de reducción, y la pared interior de un miembro 27 de anillo colocado alrededor del horno 10. Por lo tanto, las paredes interiores del miembro 27 de anillo y una porción de la pared exterior del horno 10 sirven para definir la zona 26 de conversión de gas como una cámara sustancialmente anular definida alrededor de la periferia del horno 10 y que tiene boquillas 17 y que comunica a la zona 26 con la zona 16. De acuerdo, con la invención, las paredes que definen la zona 26 de conversión de gas preferiblemente están revestidas por lo menos parcialmente o tratadas de alguna otra manera con un material catalizador tal como níquel para mejorar la reacción de conversión de gas. Además del catalizador de níquel, se ha encontrado que el material cerámico es particularmente efectivo para mejorar esta reacción. De acuerdo con el método de la presente invención, el área superficial del material catalizador en la zona 26 de conversión de gas y la velocidad de flujo de gas preferiblemente se seleccionan de manera que se proporciona un área superficial de catalizador por flujo de metano de por lo menos 70 m2/m3 de CH4. De acuerdo con una modalidad preferida adicional de la invención, el producto metalizado de la zona 16 de reducción que pasa la zona 18 de transición preferiblemente se enfría. De acuerdo con la invención, una tercera porción del gas superior de la tubería 44 puede ser alimentado a través de un compresor 64 e introducida a la zona 18 de transición para enfriar producto metalizado contenido en la misma. Al alimentar esta porción del gas superior a la zona 18 de transición después de que el gas superior se ha alineado y deshidratado, pero antes de su recalentamiento, el gas superior ventajosamente funciona como un medio de enfriamiento para el producto metalizado contenido en la zona 18 de transición, sin exponer el producto metalizado a fuentes importantes de oxígeno, por lo que evita ventajosamente cualquier reoxidación del producto metalizado. Además, por lo menos parte de esta porción del gas fluye hacia arriba o corriente arriba en el horno 10 a la zona - 16, la zona 14 y finalmente a la salida 24. Este gas adicional ayuda a incrementar la concentración de metano en el gas superior hasta la cantidad de aproximadamente 8-10% en volumen. De acuerdo con la invención, la temperatura dentro, de la zona 16 de reducción se mantiene preferiblemente dentro de los intervalos los cuales proporciona la reducción de los óxidos metálicos según se desea. Además, las temperaturas dentro de la zona 26 de conversión de gas preferiblemente se mantiene dentro de un intervalo de temperaturas que permiten las reacciones •deseadas de conversión de gas. Debe hacerse notar que el método de la presente invención se puede llevar a cabo utilizando cualquiera de una amplia variedad de reactores tales como, por ejemplo, reactores de tipo de lecho móvil de horno de cuba o de alto horno, reactores de lecho fluidizado y cámaras distribuidoras de gas libre y similares, todas dentro del alcance de la presente invención. Esta invención puede ser modificada en otras formas o * se puede llevar a cabo de otras maneras si apartarse del espíritu o características esenciales de la misma. Por lo tanto, las presentes modalidades deben considerarse en todos los aspectos, ilustrativas y no limitantes, el alcance de la invención está indicado por las reivindicaciones anexas, y todos los cambios los cuales se encuentren dentro del significado y alcance de equivalencia se considera que son abarcados por las mismas.

Claims (22)

REIVINDICACIONES

1. Un método para la reducción directa de óxidos, caracterizado porque comprende las etapas de : proporcionar una zona de reducción para reducción directa de óxidos y una zona de conversión de gas comunicada con la zona de reducción; alimentación de óxidos metálicos a la zona de reducción; alimentación de una mezcla de gas que comprende metano y una fuente de oxígeno a la zona de conversión de gas para •proporcionar un gas convertido que comprende hidrógeno y monóxido de carbono; poner en contacto los óxidos y el gas convertido en la zona de reducción para proporcionar los óxidos metálicos reducidos y un gas superior; y tratar el gas superior de manera que se proporcione una mezcla de gas.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, • caracterizado porque la etapa de proporcionar comprende proporcionar un horno que tiene una zona de reducción y que tiene una zona de conversión definida sustancialmente adyacente a la zona de reducción y comunicada con la zona de reducción a través de por lo menos una boquilla para inyectar el gas convertido al interior de la zona de reducción.

3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la zona de reducción y la zona de conversión están separadas por una pared refractaria.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de alimentación de la mezcla de gas comprende alimentar la mezcla de gas a una temperatura de conversión de gas, y en donde el gas superior tiene una temperatura de gas superior menor que la temperatura de conversión de gas, y en donde la etapa de tratamiento incluye la etapa de recalentar el gas superior a la temperatura de conversión.

5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la temperatura de conversión de gas está entre aproximadamente 980 °C y aproximadamente 1100 °C, y la temperatura de gas superior está entre aproximadamente 360 °C y aproximadamente 400 °C.

6. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la etapa de recalentamiento se lleva a cabo en un medio de calentamiento, y que comprende además las etapas . de dividir el gas superior en una primera porción y una segunda porción, alimentar la primera porción al medio de calentamiento que se va a calentar, y alimentar la segunda porción al medio de calentamiento como un combustible para el medio de calentamiento.

7. El método de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque comprende además la etapa de deshidratar el gas superior por lo menos antes de alimentar la segunda porción al medio de calentamiento. -

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de tratamiento comprende deshidratar el gas superior y agregar un gas que contiene metano y un gas que contiene oxígeno al gas superior para formar la mezcla de gas .

9. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la mezcla de gas tiene un grado de oxidación •de entre aproximadamente 0.25 y aproximadamente 0.38.

10. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la mezcla de gas contiene por lo menos aproximadamente 15% en volumen de dióxido de carbono.

11. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la mezcla de gas contiene entre aproximadamente 15 y aproximadamente 16% en volumen de dióxido de carbono .

12. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas convertido tiene un grado de oxidación de entre aproximadamente 0.08 y aproximadamente 0.12.

13. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de alimentar la mezcla de gas comprende alimentar la mezcla de gas a una velocidad de flujo o régimen de entre aproximadamente 900 y aproximadamente 1300 Nm3/ton de óxido.

14. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de proporcionar la zona de reducción y la zona de conversión de gas comprende proporcionar un horno de cuba que tiene una entrada de óxido, una zona de precalentamiento y prerreducción corriente abajo de la entrada de óxido y que tiene una salida de gas superior, la zona de reducción corriente abajo de la zona de precalentamiento y prerreducción, una zona de transición corriente abajo de la zona de reducción, una zona de descarga corriente abajo de la zona de transición, y una zona de conversión de gas asociada con la zona de reducción para flujo de gas desde la zona de conversión de gas a la zona de reducción.

15. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la etapa de alimentar óxido comprende alimentar los óxidos a la entrada de óxido para flujo corriente abajo a través del horno de cuba, y en donde la etapa de •alimentar la mezcla de gas comprende alimentar la mezcla de gas a la zona de conversión de gas por lo que la mezcla de gas es convertida para proporcionar un gas reductor, y el gas reductor fluye corriente arriba a través de la zona de reducción y la zona de precalentamiento y prerreducción hacia la salida de gas superior.

16. El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque comprende además la etapa de alimentar una •porción del gas superior a la zona de transición de manera que enfría al metal reducido en la zona de transición.

17. El método de conformidad con la reivindicación '16, caracterizado porque comprende la etapa de enfriar y deshidratar la porción de gas superior antes de alimentar la zona de transición.

18. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de proporcionar la zona de conversión de gas comprende proporcionar la zona de conversión de gas que incluye un catalizador para una reacción de conversión de gas.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque la zona de conversión de gas tiene un área superficial de catalizador de por lo menos aproximadamente 70 m2 de catalizador/m3 de metano.

20. El método de conformidad con la reivindicación 1, * caracterizado porque el gas convertido consiste esencialmente de aproximadamente 40-43% de hidrógeno, aproximadamente 28-30% de monóxido de carbono, aproximadamente 8-10% de dióxido de carbono, aproximadamente 1-2% de metano, aproximadamente 17-20% de nitrógeno y aproximadamente 1-2% de vapor de agua, en base en el volumen del gas .

21. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas superior consiste esencialmente de aproximadamente 25-33% de hidrógeno, aproximadamente 19-21% de monóxido de carbono, aproximadamente 12-15% de dióxido de carbono, aproximadamente 8-10% de metano, aproximadamente 10-14% de vapor de agua y aproximadamente 14-16% de nitrógeno, en base en el volumen del gas superior.

22. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla de gas consiste esencialmente de aproximadamente 35-36% de hidrógeno, aproximadamente 18-19% de monóxido de carbono, aproximadamente 15-16% de dióxido de carbono, aproximadamente 8-10% de metano, aproximadamente 0.5- 2.0% de vapor de agua y aproximadamente 19-20% de nitrógeno y aproximadamente 1% de oxigeno basado en el volumen de la mezcla de gas .