BRPI0702906A2 - método de integração de um alto-forno e instalação para preparação do referido método - Google Patents

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BRPI0702906-3A
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Michel Devaux
Richard Dubettier-Grenier
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Air Liquide
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Abstract

METODO DE INTEGRAçãO DE UM ALTO-FORNO E INSTALAçãO PARA PREPARAçãO DO REFERIDO METODO A invenção refere-se a um método de integração de uma pluralidade de alto-fornos e uma pluralidade de separação de gases do ar, no qual se utiliza o soprador de substituição disponível sobre o local dos alto-fornos para alimentar em ar comprimido uma unidade de separação de gases do ar que permitem enriquecer em oxigênio o vento dos alto-fornos, esta unidade estando parada quando um dos sopradores dos alto-fornos necessita ser substituído pelo soprador utilizado pela unidade de separação de gases do ar.

Description

MÉTODO DE INTEGRAÇÃO DE UM ALTO-FORNO E INSTALAÇÃO PARAPREPARAÇÃO DO REFERIDO MÉTODO
A presente invenção refere-se a um método deintegração de pelo menos um alto-forno e pelo menos umaunidade de separação de gases do ar, método no qual η alto-fornos e pelo menos uma unidade de separação de gases do arsão alimentadas em ar por pelo menos n+1 compressores comn > 1, e preferivelmente > 1.
O alto-forno é equipamento mais utilizado paraproduzir ferro fundido essencialmente composto de ferro (de92 para 95% em peso) , carbono (de 3 para 5% em peso) , eoutros elementos em pouca quantidade como o silício, omanganês, o fósforo, enxofre etc.
Este ferro fundido é em seguida convertido em aço emum conversor a oxigênio por injeção de oxigênio no ferrofundido ao estado líquido que permite principalmente umaoxidação do carbono.
O aço obtido será, em seguida, refinado e colocado natonalidade desejada (silício, manganês etc...) antes de sermoldado em lingotes, placas, tarugos, ou biletes).
Um alto-forno é alimentado essencialmente por minériode ferro (em geral de 1,3 a 1,6 toneladas por tonelada deferro fundido produzido) sob a forma de aglomerados ou"pellets" (em língua inglesa) enfornadas pelo bocal doalto-forno, o coque (entre 250 e 500 kg por tonelada deferro fundido) igualmente enfornado pelo bocal, o carvãopulverizado e injetado a nível dos jatos, com umaquantidade injetada que pode variar entre 0 e 250 kg portonelada de ferro fundido, ou qualquer outro combustívelcomo gás natural, óleo combustível, gás de coqueria,matérias plásticas, e ar que será determinado "vento" paraum débito que pode variar de 800 para 1200 Nm3 por toneladade ferro fundido produzido enriquecido ou não em oxigênio,este enriquecimento que pode variar de 0 a 15% em volume,ou seja de 0 a 150 Nm3 de oxigênio por tonelada de ferrofundido produzido.
Graças a este alto-forno, produz-se principalmenteferro fundido, a escória (de 200 para 4 00 kg por toneladade ferro fundido produzido), a escória que pode servalorizada também em diferentes aplicações, os gases,contendo principalmente nitrogênio (4 0 ã 60% em volume), omonóxido de carbono CO (de 20 a 25% em volume) , o dióxidode carbono CO2 (de 2 0 a 25% em volume) e o hidrogênio (de 1a 7% em volume).
Pode igualmente existir diversos outros elementos emteor inferior à 1%.
O gás ou mistura de gás procedente do alto-forno érecuperado geralmente e utilizado pelo seu valor térmico,seja em troca direta para baixar a sua temperatura eaumentar a do gás ou do líquido com o qual está em trocatérmica, seja por combustão, por exemplo CO com o oxigênioa fim de produzir calorias adicionais.
O vento do alto-forno enriquecido ou não em oxigênio éinjetado na base do alto-forno a nível dos jatos que sãorepartidos em todo o redor da circunferência do alto-forno.
Este vento é injetado sob uma pressão que pode variarde 1 a 7xl05 Pa, para vencer a perda de carga no alto-fornobem como a pressão que existe acima da carga no alto-forno.
As vazões de ar necessárias são muito elevadas,variando de 5.000 Nm3/hora para os alto-fornos muitopequenos (por exemplo, os alto-fornos que se vê hoje naChina principalmente) até 500.000 Nm3 para os alto-fornosindustriais muito grandes.
Para conduzir o ar ambiente a esta pressão, utilizam-se compressores de ar ou "sopradores" muito potentes, umsoprador (ou vários) é dedicado a um alto-forno.
Em uma fábrica que produz ferro fundido e que possuimais de um alto-forno, dispõe-se geralmente para η alto-fornos de pelo menos n+1 sopradores, e algumas vezes de n+2sopradores a fim de assegurar uma produção contínua deferro fundido quando um destes sopradores é eventualmentedanificado (ou deve ser parado para manutenção ou qualqueroutra causa).
Atualmente, os sopradores redundantes (ainda chamadossegundos sopradores) em relação ao número de alto-fornossão montados geralmente ao lado dos outros sopradores emfuncionamento, e estão em posição de espera, prontos parainiciar de maneira a assegurar a continuidade da produçãode ferro fundido, mesmo quando se detecta uma pressão e/ouvazão de ar sobre um soprador inferior a um valorpredeterminado, abaixo da qual é necessária para substituireste soprador por um dos sopradores em espera.
Geralmente, para o enriquecimento de oxigênio do ventode ar, prevê-se sobre o local de produção de ferro fundido,perto do alto-forno, ou ligado a este por canalizações, umaou várias unidades de produção de oxigênio de grandecapacidade, geralmente unidades de separação criogênica doar que produz um oxigênio de pureza industrial, ou sejageralmente superior a 80% vol. preferivelmente superior a90% vol., mais preferivelmente superior a 95% vol., ealgumas vezes de pureza superior a 99% vol.
0 aumento das necessidades de oxigênio de um local deprodução de ferro fundido pode intervir, seja no caso doaumento da produção de ferro fundido nos alto-fornosexistentes, seja por adição de um ou vários novos alto-fornos sobre o local, seja por aumento do consumoespecifico de oxigênio em cada alto forno, por exemplo, daadição de mais combustível como o carvão, o gás natural, oóleo combustível, o gás de coqueria, as matérias plásticas,etc... (Esta adição faz-se geralmente a nível dos jatos).Este aumento pode resultar da utilização de oxigênio paraum outro objetivo técnico, como por exemplo, oenriquecimento de ar dedicado ao pré-aquecimento dasestufas.
Neste caso, o aumento das necessidades de oxigêniopode conduzir a construção de uma nova unidade de produçãode oxigênio, que seja uma unidade de separação criogênicado ar, ou por métodos referidos de VPSA.
Quando é necessário fazer tal investimento em uma novaunidade de separação de gases do ar, tendo em conta o custoelevado de tal unidade, pode ser necessário ou preferívelutilizar elementos já existentes sobre o local.
O método de acordo com a invenção permite responder aeste problema assim colocado.
Ele é caracterizado pelo fato de que, cada alto fornoé alimentado pelo menos por um compressor entre os n+1 doscompressores disponíveis, pelo menos um dos compressoresque não alimentam um alto forno (a seguir chamado segundocompressor) é utilizado para alimentar a unidade deseparação de gases do ar enquanto, logo que um doscompressores (a seguir chamado primeiro compressor) quealimentam um alto-forno produza uma vazão de ar inferior auma vazão predeterminado Dmin, o referido primeirocompressor é desconectado do referido alto-forno, e osegundo compressor é conectado ao referido alto-forno epreferivelmente desconectado da unidade de separação degases do ar.
A vazão Dmin corresponde tipicamente a vazão mínimarequerida de modo que o alto-forno ao qual ele está ligadofuncione corretamente.
Desta maneira, utiliza-se um dos sopradores oucompressores disponíveis (segundo compressor) , quando osoutros sopradores (primeiros compressores) estão no estadode funcionamento normal e alimentam normalmente o seu alto-forno respectivo, para alimentar em ar comprimido a unidadede separação de gases do ar (com geralmente um pequenocompressor suplementar de maneira a aumentar a pressão doar fornecido ã unidade de separação de gases do ar até umvalor de pelo menos cerca de 5xl05 kPa e/ou para completaro volume de ar fornecido a unidade de separação) e, quandoum problema ê detectado a nível de um dos primeiroscompressores que alimentam o alto-forno, para-se o primeirocompressor tendo um problema e substitui-se pelo compressorcarregado a tempo de alimentar em ar comprimido a unidadede separação de gases do ar, esta unidade, durante estetempo, fica em período de espera, até que um (outro)segundo compressor torne-se disponível (após reparar oprimeiro compressor) para alimentar em ar comprimido aunidade de separação de gases do ar. Preferivelmente, umcompressor complementar, dedicado à unidade de separação degases do ar está previsto de maneira a fornecer uma partede pelo menos ar comprimido necessário a esta unidade e/oua sobrepressão necessária.
No presente contexto, um compressor é dito "conectado"ou "ligado" a um alto-forno ou a uma unidade de separaçãode gases do ar quando o referido compressor alimenta oalto-forno, respectivamente a unidade de separação de gasesdo ar em ar comprimido. De maneira análoga, um compressor édito "desconectado" de um alto-forno ou de uma unidade deseparação de gases do ar quando não alimenta o alto-forno,respectivamente a unidade de separação de gases do ar em arcomprimido.
De acordo com a vazão de ar necessária para o alto-forno e uma unidade de separação de gases do ar, e a vazãomáxima que pode fornecer o soprador (segundo compressor)disponível, será possível, em certas circunstâncias,continuar a fazer funcionar a unidade de separação de gasesdo ar durante o período de espera, com uma vazão reduzidade ar comprimido, (diminuída a vazão necessária para oalto-forno ao qual este soprador agora é conectado).
Diferentes alternativas da invenção são possíveis:um ou vários sopradores presentes sobre o local eprevistos (s) para a compressão do ar ou vento enviado aoalto-forno, principalmente os sopradores em espera, podemser utilizados para comprimir pelo menos uma parte do arnecessário para a fabricação do oxigênio por uma ou váriasunidades de separação dos gases de ar.
As características de um ou vários sopradoresinicialmente previstos para trabalhar em faixas defuncionamento adaptadas às necessidades próprias de pressãoe de vazão para o alto-forno poderão ser adaptadas àsnecessidades próprias de pressão e de vazão para a unidadede produção de oxigênio.
O ar comprimido a uma pressão em todos os casossuperior a 200 KPa absolutos, produzido por um dossopradores inicialmente dedicado a um alto-forno, poderáser enviado à unidade de produção de oxigênio ou ao alto-forno.
Em funcionamento "normal", ou seja quando todos ossopradores estão em estado de funcionamento, o ar dosoprador em espera (segundo compressor) será integralmenteou em parte apenas, enviado à entrada da unidade deseparação de gases do ar.
Em contrapartida, no caso de urgência, ou seja quandoum número insuficiente de sopradores estiver em estado defuncionamento normal para assegurar a injeção do vento nosalto-fornos, o ar deste soprador adicional poderá então serenviado outra vez ao alto-forno, o funcionamento da unidadede produção de oxigênio parado ou adaptado a umfuncionamento degradado, compatível com o funcionamentodesejado dos alto-fornos.
Poderá prever-se um sistema de canalizações quepermitem enviar o ar comprimido para um ou outro destino(alto-forno ou unidade de separação de gases do ar).
Preferivelmente, se utilizará um sistema de regulaçãopara otimizar a adaptação, enquanto a faixa defuncionamento do ou dos sopradores inicialmente em posiçãode espera será estudada para permitir uma flexibilidade deadaptação às diferentes situações possíveis.
O funcionamento da unidade de separação de gases do are produção de oxigênio poderá ser parado totalmente se anecessidade de produção de ferro fundido pelo alto-fornorequê-lo e for escolhida pelo operador como prioridade.
Preferivelmente, a unidade de separação de gases do arproduz o oxigênio a uma pureza superior a 90% vol. (diz-seainda oxigênio impuro) e de preferência uma pureza superiora 95% em volume de oxigênio.
Preferivelmente igualmente, preverá-se um compressorcomplementar dedicado ã unidade de separação de gases do ara fim de fornecer uma parte do ar necessário para a unidadede separação de gases do ar (se uma forte quantidade de aré necessária, muito importante para a capacidade de umsoprador). Além disso, este compressor complementar poderáser utilizado para fazer funcionar a unidade de separaçãoquando o soprador (segundo compressor) seja recuperado porum alto-forno. Este compressor complementar poderá serutilizado igualmente como soprador de substituição no casode dois danos simultâneos, neste caso a unidade deseparação será parada.
O oxigênio produzido pela unidade de separação degases do ar poderá ser destinado em parte ao alto-forno ouem parte a outras instalações geralmente presentes sobre olocal como os conversores. Assim, uma parte do oxigênioproduzido pela unidade de separação dos gases do ar éutilizada em pelo menos um dos conversores presentes sobreo local de integração.
De acordo com uma alternativa, a unidade de separaçãode gases do ar apresenta dois modos de funcionamento, ummodo de operação dita regular e um modo de operação ditadegradado.Tipicamente, a unidade de separação de gases do arfunciona em modo de operação regular quando é alimentada emar pelo segundo compressor, e em modo de operação degradadoquando o segundo compressor é conectado a um alto-forno, ouseja durante o período de espera da unidade de separação degases do ar.
De acordo com uma primeira forma de realização, aunidade de separação de gases do ar produz o oxigênio depureza superior a 90% vol. em modo de operação regular e depureza inferior ou igual a 90% em modo de operaçãodegradado. De acordo com outra forma utilizada, a unidadede separação de gases do ar produz o oxigênio de purezasuperior a 95% vol. em modo de operação regular e inferiorou igual a 95% em modo de operação degradado. A unidade deseparação de gases do ar pode igualmente gerar uma primeiravazão de oxigênio em modo de operação regular e uma segundavazão de oxigênio inferior a primeira vazão em modo deoperação degradado.
Assim, a unidade de separação de gases do ar podefornecer o oxigênio e em especial alimentar em oxigênio ascanalizações de ar comprimido ligadas ao alto-forno, mesmodurante o período de espera.
De acordo com outra alternativa, a unidade deseparação comporta as canalizações (18, 19) e as válvulas(7, 8, 13) permitindo ligar o segundo compressor (16) sejaa pelo menos uma das canalizações (5, 6) de alimentação emar do alto-forno, seja a unidade de separação dos gases noar (20), seja ao dois.
A invenção será mais bem compreendida com a ajuda doexemplo de realização de acordo conforme descrito na únicafigura que representa um exemplo de realização da invençãoatravés de dois alto-fornos, uma unidade de separação degases do ar e três compressores.
Os alto-fornos respectivamente 1 e 2 são ligadosrespectivamente aos compressores 3 e 4 pelo intermédio daslinhas de alimentação em ar comprimido 5 e 6.
Sobre a linha 5, encontra-se um detector de vazão 9que mede a vazão mínima sobre a linha 5 e um detector devazão 10 que controla a vazão do ar comprimido docompressor 3 .
Encontra-se a mesma função com os detectores 11 devazão mínima sobre a linha 6 e 12 de regulação docompressor 4.
Os compressores 3 e 4 são os sopradores normalmenteutilizados para alimentar respectivamente seus alto-fornos.
Sobre o local, dispõe-se de um compressor ou sopradorsuplementar destinado a nivelar as insuficiências doscompressores 3 ou 4.
Este compressor suplementar 16 é ligado pela linha dealimentação 19 e pela válvula 13 à unidade de separação degases do ar 20, por um lado, e pela linha 18 às válvulas 7e 8, elas mesmas ligadas respectivamente às linhas dealimentação 5 e 6.
Sobre a linha de alimentação 19, encontra-se umdetector de vazão 17 encarregado de controlar a vazão de arenviada a unidade de separação de gases do ar 2 0 pelocompressor 16 quando este está em funcionamento.
A unidade de separação de gases do ar 20 está ligadarespectivamente pelas linhas de alimentação 21 e 22 àsválvulas 14 e 15 que alimentam respectivamente as linhas 6e 5.
O funcionamento deste sistema é o seguinte: emfuncionamento normal, ou seja quando os compressores 3 e 4funcionam normalmente, ou seja que a vazão do ar enviadarespectivamente aos alto-fornos 1 e 2 é superior ao mínimorequerido para o funcionamento normal destes alto-fornos, emedido respectivamente pelos detectores 9 e 11, as válvulas14 e 15 estão em posição aberta bem como a válvula 13.
Neste caso, o compressor de substituição 16 alimentaatravés da válvula 13 em posição aberta, a unidade deseparação de gases do ar que ela mesma debita o seuoxigênio através das válvulas respectivamente 14 e 15 àslinhas de alimentação de vento dos alto-fornos 6 e 5 demaneira a enriquecer este vento da quantidade de oxigêniodesejada.
Quando, em contrapartida, um e/ou o outro dos doisdetectores 9 ou 11 detectam uma anomalia de vazão naslinhas 5 ou 6, a válvula 13 que estava aberta é entãofechada ou parcialmente fechada na linha 19, os detectores9 e/ou 11 que comandam simultaneamente a abertura dasválvulas 7 e/ou 8 (normalmente fechadas durante o períodode funcionamento "normal") de maneira a poder alimentar emar comprimido as linhas 5 e/ou 6 através destas válvulas 7 e 8.
De acordo com a escolha feita pelo operador oupermitida pela instalação, as válvulas 14 e 15 estarão sejafechadas completamente (modo preferencial), sejaparcialmente fechadas se a unidade de separação de gases doar 20 puder continuar a funcionar em modo degradado.

Claims (9)

1. Método de integração de η > 1 alto-fornos e de pelomenos uma unidade de separação de gases do ar no qual os ηalto-fornos e a unidade de separação de gases do ar queproduz o oxigênio são alimentados em ar por pelo menos n+1compressores, cada alto-forno sendo alimentado por pelomenos um compressor dentre pelo menos n+1 compressoresdisponíveis, pelo menos um dos compressores que nãoalimentam um alto-forno ("segundo compressor") e utilizadopara alimentar a unidade de separação de gases do ar,caracterizado pelo fato de que logo que um dos compressores("primeiro compressor") que alimenta um alto-forno produziruma vazão inferior a uma vazão Dmin predeterminada, oreferido primeiro compressor é desconectado do referidoalto-forno e o segundo compressor é conectado ao referidoalto-forno e de preferência desconectado da unidade deseparação de gases do ar.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que um compressor complementarfornece o ar comprimido e/ou a sobrepressão a unidade deseparação de gases do ar.
3. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que oalto-forno é alimentado com oxigênio pela unidade deseparação de gases do ar.
4. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de quepelo menos uma parte do oxigênio produzido pela unidade deseparação de gases do ar é utilizada em pelo menos umconversor.
5. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de quea unidade de separação de gases do ar produz oxigênio depureza superior a 90% vol., preferivelmente superior a 95%vol. de oxigênio.
6. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de quea unidade de separação de gases do ar apresenta dois modosde operação, um modo de operação regular que produz ooxigênio de pureza superior a 90% vol. e um modo deoperação degradado que produz o oxigênio de pureza inferiorou igual a 90% vol.
7. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, ou 4, caracterizado pelo fato deque a unidade de separação de gases do ar apresenta doismodos de operação, um modo de operação regular que produz ooxigênio de pureza superior a 95% vol. e um modo deoperação degradado que produz o oxigênio de pureza inferiorou igual a 95% vol.
8. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelofato de que a unidade de separação de gases do ar apresentadois modos de operação, um modo de operação regular queproduz uma primeira vazão de oxigênio e um modo de operaçãodegradado que produz uma vazão de oxigênio inferior aprimeira vazão de oxigênio.
9. Instalação para implementação do método conformedefinido nas reivindicações de 1 a 8 caracterizada pelofato de que ele comporta η > 1 alto-fornos (1, 2), umaunidade de separação de gases do ar (20) e pelo menos n+1compressores (3, 4, 16), cada alto-forno está ligado a pelomenos um compressor por canalizações de alimentação em ar(5, 6) , e a instalação comporta canalizações (18, 19) quepermitem ligar um dos compressores, o segundo compressor(16) , sendo a canalização de alimentação em ar (5, 6) depelo menos um dos alto-fornos (1, 2) , ou a unidade deseparação de gases do ar (20), ou os dois.
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