BRPI0810043B1 - processo para produção de um metal fundido pela redução direta de minério metálico, equipamento para a produção de ferro fundido pela redução direta do minério de ferro e uso do equipamento - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM METAL FUNDIDO PELA REDUÇÃO DIRETA DE MINÉRIO METÁLICO, EQUIPAMENTO PARA A PRODUÇÃO DE FERRO FUNDIDO PELA REDUÇÃO DIRETA DO MINÉRIO DE FERRO E USO DO EQUIPAMENTO".

[001] A presente invenção refere-se a um método e a um dispositivo para preparar um agente de redução que tenha uma temperatura elevada para uso em um processo de produção de metal, e a um processo de produção de metal e a um equipamento que use o mencionado dispositivo.

[002] Processos de produção de metal que usem agentes de redução são muito conhecidos na técnica. A EP 0 936 272 descreve um método e dispositivo para fundir minério metálico, isto é, minério de ferro, onde óxido de ferro e carvão quente como agente redutor são alimentados em um reator primário para reduzir o óxido de ferro e assim formar uma poça de ferro elementar fundido produzindo um óxido de ferro contendo uma camada de escória.

[003] O carvão quente é preparado em um reator secundário a partir de uma substância contendo carbono compreendendo carbono fixo e um hidrocarboneto contendo matéria volátil pela oxidação parcial dos voláteis. Um gás combustível compreendendo hidrocarbonetos, CO, C02, vapor e H2 tendo uma razão CO:C02 de mais de 0,25 é produzido simultaneamente no reator secundário. Esse gás combustível é queimado de forma que seja produzida uma chama projetada, chama essa que é direcionada para a camada de escória consistindo de óxido de ferro.

[004] O reator primário pode compreender um conversor e um ciclone de fusão no topo do mesmo, também conhecido como Forno Conversor de Ciclone (CCF). Finos de minério de ferro são introduzidos no ciclone de fusão. Oxigênio e combustível na forma de um vapor de gás do conversor são também introduzidos no ciclone de fusão. Como resultado, o minério de ferro é pré- reduzido e fundido. Devido à ação do ciclone, a corrente de metal líquido é separada da corrente de gás.

[005] O minério de ferro líquido pré-reduzido flui para baixo ao longo da parede interna do ciclone de fusão no conversor, onde ocorre uma outra redução ou uma redução final. O agente de redução requerido no conversor é introduzido como carvão quente a partir do reator secundário, carvão ou uma combinação dos mesmos. O oxigênio é introduzido no conversor usando-se uma ou mais lanças. No reator secundário o carvão pode ser parcialmente oxidado usando-se um agente de oxidação, tal como ar (enriquecido com oxigênio) ou oxigênio. Exemplos de reator secundário compreendem um leito fluidizado para alimentação de carvão granular com uma estreita distribuição de tamanho de partículas, um reator com leito com esguichos para alimentação de carvão granular com uma distribuição de tamanho de partículas mais ampla e um reator de fluxo arrastado com alimentação de carvão pulverizado.

[006] A EP 0 726 326 descreve um processo e um equipamento para produzir metal fundido, isto é, ferro gusa, pela redução direta de minério de ferro em um estágio de pré-redução em um ciclone de fusão seguido de uma etapa de redução final em um conversor como um recipiente metalúrgico. Esse processo conhecido compreende as etapas de transportar o minério de ferro para o ciclone de fusão no estágio de pré-redução e pré-reduzindo-o por meio de um gás do processo de redução originado na etapa de redução final no recipiente metalúrgico.

[007] É também executada a pós-combustão do gás do processo de redução no ciclone de fusão pelo oxigênio fornecido de modo que o minério de ferro no ciclone de fusão seja pelo menos parcialmente fundido. O minério de ferro pré-reduzido e pelo menos parcialmente fundido passa para baixo a partir do ciclone de fusão para o recipiente metalúrgico situado abaixo. A redução final no recipiente metalúrgico é efetuada na camada de escória fornecendo-se carvão em forma de partículas finas diretamente na camada de escória e oxigênio ao recipiente metalúrgico formando assim o gás do processo de redução. Esse gás do processo de redução é parcialmente pós-queimado pelo oxigênio fornecido. A pós-combustão parcial é pelo menos parcialmente efetuada na camada de escória, de forma que a razão de pós-combustão é de não mais que 0,55. O gás do processo de redução remanescente é consumido no ciclone de fusão. É dito que não obstante o baixo grau de pós-combustão no recipiente metalúrgico, resulta um baixo consumo de carvão. Esse processo conhecido produz mais gás de saída com um maior teor de energia química quanto menor for o ajuste da razão de pós-combustão. Esse processo também permite o uso de carvão alto volátil mais econômico.

[008] A WO 2004/031324 descreve um método e um equipamento para o tratamento de um material sob condições pirolíticas. Esse equipamento conhecido compreende uma carcaça, na qual é fornecido um parafuso de extrusão. Um exemplo de material de partida a ser tratado compreende carvão resultando em carvão animal ou coque. O arranjo do parafuso reduz os problemas relacionados à fase plástica durante a reação, tais como pegajosidade, propriedades pobres de mistura que afetam a transferência de calor e capacidade de processamento. É também dito que esse equipamento conhecido pode ser usado para reduzir minério de ferro em aço usando-se um agente de redução.

[009] Enquanto a técnica anterior discutia sobre ilustrar várias tentativas de melhorar o processo de produção do ferro, há ainda a necessidade de otimizar esses processos, particularmente em vista do consumo de carvão, o consumo de energia e emissão de sub-produtos prejudiciais ao meio ambiente tais como dióxido de carbono.

[0010] Um primeiro objetivo da invenção é preparar um agente de redução tal como carvão parcialmente queimado de uma maneira eficiente em energia.

[0011] Um objetivo da invenção é reduzir o consumo de carvão na produção de metais. Um outro objetivo é reduzir a emissão de C02 na produção de metais.

[0012] Ainda um outro objetivo é permitir a substituição (parcial) do carvão por uma ou mais fontes alternativas de energia, permitindo assim uma outra redução das emissões de C02.

[0013] Ainda outro objetivo é fazer com que os gases de expulsão produzidos tenham um alto teor de C02, que possam ser usados novamente ou armazenados sem necessidade de medidas caras de captura de C02.

[0014] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é fornecido um método de preparação de um agente de redução que tenha uma temperatura elevada para uso em um processo de produção de metais compreendendo a) uma etapa de pirólise de aquecimento de um material carbonáceo de partida usando-se uma fonte de calor em que o material de partida é pirolisado até um grau de pirólise de no máximo 80% em um produto carbonáceo parcialmente queimado tendo uma temperatura elevada e produzindo um gás de escape de pirólise compreendendo substâncias voláteis do material carbonáceo de partida. b) uma etapa de combustão para queimar o gás de escape da pirólise, produzindo assim um gás de escape queimado, em que a energia térmica do gás de escape queimado é usada como fonte de calor na etapa a) trazendo-se o gás de escape queimado ao contato direto com o material carbonáceo de partida e/ou em que a energia térmica do fluxo de gás de escape queimado é usada como fonte de calor na etapa a) aquecendo o material carbonáceo de partida sem contatar diretamente o material carbonáceo de partida. O material carbonáceo de partida é parcialmente queimado pela piróli-se parcial para formar o agente de redução. O produto carbonáceo parcialmente queimado é o agente de redução.

[0015] No método conforme o primeiro aspecto da invenção, um material carbonáceo de partida é pirolisado apenas parcialmente pelo aquecimento na etapa a). O gás de escape dessa etapa de pirólise parcial compreende componentes voláteis tais como hidrocarbonetos. Esse gás de escape da pirólise é queimado na etapa b). A etapa de combustão b) produz um gás de escape queimado. Esse gás de escape queimado é usado para aquecer o material carbonáceo de partida recém alimentado e o material carbonáceo de partida já parcialmente queimado na etapa a) para fornecer o calor necessário para a pirólise parcial. O aquecimento pode ser efetuado diretamente, isto é, pelo contato direto do gás de escape queimado com o material a ser aquecido, ou indiretamente isto é, não pelo contato direto do gás de expulsão queimado com o material a ser aquecido, ou direta e indiretamente. Dessa forma, um agente de redução para uso em um processo de produção de ferro é preparado de maneira altamente suficiente de energia, o que permite uma eficiência melhorada em um processo de produção de ferro. O método da invenção pode ser considerado como um processo de pré-tratamento do material carbonáceo de partida em um agente de redução que tenha uma temperatura elevada para ser usado diretamente no processo de produção de ferro, permitindo uma maior eficiência do carbono e de energia e um gás de escape tendo um alto PCR, por exemplo, na saída do ciclone, quando se usa um equipamento CCF para produção de metais, particularmente para a produção de ferro. Os inventores descobriram que a otimização da pi-rólise em combinação com a produção do metal gera uma melhoria na eficiência da energia potencial de mais de 25% por tonelada de metal produzido. Esse potencial é alcançado pela substituição do carvão frio por carvão quente, e pelo aumento inerente da eficiência devido ao menor consumo de carvão significa que é produzido menos gás que precise ser aquecido resultando em menos perdas de calor por tonelada de metal quente. Esse carvão frio, caso contrário, seria aquecido em um processo que usa apenas parcialmente o carvão que está sendo alimentado (razão de pós-combustão de cerca de 45%) e perde seu gás de escape a uma alta temperatura de cerca de 1700*0. Ambos os fatores significam que o banho fundidor não é quimicamente e termi-camente um reator eficiente para aquecer materiais frios. O aquecimento simultâneo direto e indireto do material carbonáceo de partida pode ser alcançado dividindo-se o fluxo de gás de escape queimado em pelo menos um primeiro e um segundo fluxos de gás de escape queimado, e em que a energia térmica do primeiro fluxo de gás de escape queimado é usada como fonte de calor na etapa a) levando-se o fluxo ao contato direto com o material carbonáceo de partida e em que o segundo fluxo de gás de escape queimado é usado como fonte de calor na etapa a) pelo aquecimento do material carbonáceo de partida sem contatar diretamente o material carbonáceo de partida.

[0016] A quantidade máxima de pirólise do carvão é controlada pelo desejo de criar quantidades suficientes de gás para ela para ser usada como gás de escape da pirólise para aquecer o material carbonáceo de partida. Os inventores descobriram que um grau adequado de pirólise é de no máximo 50%. Preferivelmente o grau de pirólise está entre 5 e 50% e mais preferivelmente entre 10 e 40%. Dependendo do tipo de carvão e do nível de umidade, um grau preferível de pirólise está entre 15 e 25% e uma temperatura de entre 400 e 900Ό.

Uma faixa de temperatura preferível foi descoberta ser entre 600 e 800Ό.

[0017] É notado que no contexto desta invenção a expressão "pi-rolisado" significa que o material carbonáceo de partida é aquecido até uma temperatura predefinida essencialmente na ausência de quaisquer quantidades substanciais de oxigênio (atmosfera livre de oxigênio ou baixa pressão parcial de oxigênio). Como resultado desse aquecimento, uma ampla variedade de reações ocorre formando assim uma pluralidade de produtos. Os produtos sólidos são indicados pelo termo "carvão", enquanto os produtos fluidos, em particular os componentes gasosos, são os assim chamados "voláteis". Preferivelmente, as etapas a) e b) são executadas em zonas distintas separadas umas das outras para minimizar o risco de oxigênio ou outro oxidante estar presente na zona da etapa a) a um nível inaceitável. A pirolização parcial significa que o produto carbonáceo parcialmente queimado resultante ainda contém quantidades significativas de voláteis que estão subsequentemente disponíveis durante o uso posterior do produto carbonáceo parcialmente queimado. É preferível que apenas voláteis suficientes sejam retirados do material carbonáceo de partida para sustentar o processo de pirolização e permitir a queima para atingir a desejada temperatura elevada. Preferivelmente, no máximo 50% da quantidade total de voláteis foram liberados do material carbonáceo de partida.

[0018] O tratamento do carvão sob condições pirolíticas é um processo conhecido de per se para preparar carvão ou coque. Vide, por exemplo, a W0-A-2004;031324. Geralmente tal processo compreende três etapas. Primeiramente o carvão é aquecido, após o que o carvão torna-se pelo menos parcialmente plástico e perde voláteis (enquanto está ainda aquecido). Após um certo período de tempo o carvão plástico perdeu uma certa quantidade de voláteis. Assim a composição química do carvão muda com o tempo. Como resultado, o carvão tor- na-se frágil e se transforma em carvão ou coque, enquanto ainda está perdendo voláteis.

[0019] Exemplos de material carbonáceo de partida adequado compreendem todo tipo de carvão. O método conforme a invenção permite o uso de carvão normal e alto volátil como material de partida, que custam menos que carvão baixo volátil. A invenção pode também processar fontes carbonáceas alternativas tais como biomassa, permitindo assim a substituição parcial do carvão como material carbonáceo de partida. Durante a partida do processo de pirolização, uma quantidade significativa, até 100% de gás combustível fornecido externamente, tais como CO ou gás natural, podem ser necessários para iniciar a pirolização parcial dos materiais carbonáceos de partida e a resultante geração de voláteis. Uma vez que a pirolização tenha sido iniciada, a quantidade de gás combustível fornecida externamente pode ser reduzida, preferivelmente até um nível onde nenhuma fonte externa é necessária, e o processo torna-se auto-sustentável a esse respeito. A quantidade de fontes externas também depende do tipo de material carbonáceo de partida que é usado. Na invenção os voláteis, principalmente hidrocarbonetos, são vaporizados a partir do material carbonáceo de partida durante o aquecimento e a queima parcial do material de partida na etapa a). Os voláteis são usados como combustível na etapa b) de combustão subsequente. O calor gerado pela combustão é contido no gás de escape quente queimado, e subsequentemente transferido para o novo material carbonáceo de partida e o produto já parcialmente queimado. Como resultado a temperatura desse produto é também aumentada, enquanto o gás de escape queimado resfria.

[0020] Em uma modalidade preferida, a zona da etapa a) compreende um reator de tubo direto, mais preferivelmente um reator do tipo de extrusão, em particular um que tenha um parafuso duplo interpene-trante de extrusão. O parafuso duplo interpenetrante de extrusão pode ser do tipo de contra rotação. Tal reator é benéfico para esses tipos de materiais, porque as propriedades desfavoráveis de adesão do produto de carvão resultante são mecanicamente neutralizadas. Tal reator preferido é conhecido de per se da WO 2004/031324, cuja descrição está aqui incorporada em sua totalidade como referência.

[0021] Preferivelmente o gás contendo oxigênio usado no método conforme a invenção para queimar o gás de escape da pirólise é pré-aquecido, aumentando assim a eficiência da combustão. Preferivelmente a temperatura do gás contendo oxigênio após o pré-aquecimento está entre 400 e 700*0.

[0022] Para aumentar a eficiência da transferência de calor, o gás de escape queimado e o material carbonáceo de partida que está sendo parcialmente queimado são alimentados em contra-fluxo. Por exemplo, o gás de escape queimado quente da etapa b) é resfriado até cerca de 5000, enquanto o produto finalmente resultante da etapa a) tem uma temperatura de cerca de 7000.

[0023] Em uma outra modalidade preferida, a etapa a) é executada de tal forma que o gás de escape resultante da pirólise compreende uma quantidade de voláteis que é suficiente para fornecer o calor necessário para o aquecimento e a pirólise parcial do material carbonáceo de partida após a combustão do gás de escape da pirólise, enquanto o produto carbonáceo parcialmente queimado compreende os voláteis remanescentes. De fato, esse modo de operação é auto-sustentável: o calor gerado pela combustão do gás de escape da pirólise e transferido para o "novo" material de partida é apenas suficiente para permitir que uma quantidade adequada de gás de escape da pirólise seja produzido pelo aquecimento desse "novo" material. Apenas durante a partida, um gás combustível fornecido externamente ao processo, tal como gás natural ou CO, pode ser necessário. Para esse propósito, meios para fornecer tal gás combustível fornecido externa- mente podem ser fornecidos.

[0024] De acordo com um segundo aspecto da invenção, é fornecido um método para produção de metal fundido por redução direta do minério metálico em uma etapa de pré-redução seguido por um estágio de redução final, compreendendo as etapas de: (a) na mencionada etapa de pré-redução, alimentar um minério metálico em uma zona de pré-redução e pré-reduzi-lo ali por meio de um gás do processo de redução originado a partir de uma zona de redução final, (b) efetuar uma pós-combustão no mencionado gás do processo de redução na mencionada zona de pré-redução pelo fornecimento de oxigênio de modo que o mencionado minério metálico na mencionada zona de pré-redução seja pelo menos parcialmente fundido, (c) permitir que o minério metálico pré-reduzido e pelo menos parcialmente fundido passe da mencionada zona de pré-redução para a zona de redução final situada posteriormente conforme visto na direção do fluxo do minério de ferro no qual a mencionada redução final ocorre, e (d) efetuar a mencionada redução final na mencionada zona de redução final em uma camada de escória pelo fornecimento de um agente de redução e de um gás contendo oxigênio para a mencionada zona de redução final formando assim o mencionado gás do processo de redução, e (e) efetuar a pós-combustão parcial do mencionado gás do processo de redução na zona de redução final por meio do mencionado gás contendo oxigênio fornecido ali, em que o agente de redução é alimentado na zona de redução final, o mencionado agente de redução tendo sido preparado conforme o método da invenção.

[0025] Nesse processo conforme a invenção, um minério metálico, tal como minério de ferro, é alimentado à zona de pré-redução em que uma pré-redução é executada usando-se um gás de processo de redução derivado de uma zona de redução final. Vantajosamente, a zona de pré-redução é um ciclone de fusão. O minério metálico, tal como o minério de ferro, é alimentado no topo da zona de pré-produção. Caso a zona de pré-redução seja um ciclone de fusão, o minério é alimentado tangencialmente no ciclone. O gás do processo de redução é introduzido na extremidade inferior da zona de pré-redução, isto é, a extremidade inferior aberta no caso de a zona de pré-redução ser um ciclone de fusão. O gás do processo de redução é queimado com um gás contendo oxigênio que é injetado separadamente na zona de pré-redução. Em um ciclone de fusão, isto inicia um movimento de ciclone. No contexto desta invenção, o gás contendo oxigênio compreende pelo menos 30% de oxigênio, e preferivelmente pelo menos 90% ou mesmo 95%. É também possível usar gás oxigênio industrialmente puro ou gás oxigênio ainda mais puro. O minério de ferro é fundido durante a operação pelo calor gerado na zona de pré-redução e o minério líquido é coletado nas paredes da periferia. Como o gás do processo de redução compreende CO e H2, o minério líquido é parcialmente reduzido durante sua descida devido à gravidade ao longo das paredes internas do ciclone. Uma redução final é executada na zona de redução final usando-se um agente de redução preparado conforme a invenção, produzindo assim uma poça de ferro líquido e um gás do processo de redução compreendendo CO e H2. A reação de redução endotérmica ocorre predominantemente em uma camada líquida de escória que flutua no topo da poça de ferro fundido. O calor necessário é fornecido pela combustão parcial dos gases de redução com oxigênio injetando-se gás contendo oxigênio, tal como um oxigênio industrialmente puro, através de lanças na camada de escória. Em uma mo- dalidade preferida, a zona de redução final é um conversor.

[0026] Embora o processo conforme descrito possa ser usado para reduzir qualquer minério metálico que possa ser reduzido usando-se um material carbonáceo como material de partida, tais como minério de níquel, minério de cobre, minério de cobalto, minério de zinco, o dispositivo é particularmente aplicável à produção de ferro a partir de minério de ferro.

[0027] Em adição aos benefícios e vantagens descritos acima, o uso de um material carbonáceo parcialmente pirolisado tendo uma temperatura elevada nesse tipo de processo de produção de metal, tal como um processo de produção de ferro, permite uma oxidação dirigida, mas no final oxidação completa do material carbonáceo conforme minado em um gás de escape de processo completamente queimado, por exemplo, tendo um teor de C02 de até 96%. Simultaneamente o presente processo permite um menor consumo de carvão (cerca de 550 kg por tonelada de ferro produzida ou menos) e uma diminuição na emissão de gases de expulsão do processo (da ordem de 20 a 30%). Vantajosamente, as etapas da queima parcial do carvão, pré-redução e redução final são todas unidas a quente, evitando assim uma armazenagem temporária e reduzindo as perdas de calor.

[0028] Em uma modalidade preferida desse processo conforme a invenção, o processo de saída de gás de escape da zona de pré-redução tem uma razão de pós-combustão definida como no qual C02, CO, H20 e H2 são as concentrações em percentual em volume desses gases na saída da zona de pré-redução tal como um ciclone de fusão, em que o PCR é maior que 0,60 , preferivelmente maior que 0,75 , mais preferivelmente pelo menos 0,90 , e mais prefe- rivelmente ainda pelo menos 0,95.

[0029] Em uma outra modalidade preferida o gás contendo oxigênio é fornecido à zona de redução final como um recipiente metalúrgico por meio de um arranjo múltiplo de lanças de modo a aumentar a transferência de calor, reduzir as perdas de calor e suprimir as perdas de poeira. Preferivelmente as lanças são arranjadas em relação à zona de redução final de tal forma que os gases queimados fluem na direção do eixo central da zona de redução final, de modo a direcionar os gases quentes para longe das paredes da zona de redução final. Dessa forma os gases quentes não entram em contato com as paredes da zona de redução final tal como um recipiente metalúrgico que prolonga a vida útil das paredes e fornece uma boa mistura. Além disso, os gases que fluem na direção do eixo central são empurrados para cima, isto é, na direção da corrente conforme visto na direção do fluxo do minério de ferro, alcançando assim o uso eficiente da energia térmica no processo, os inventores descobriram que em caso de uso de uma zona de redução final substancialmente simétrica, é preferível o uso de pelo menos 3 lanças distribuídas substancialmente a ângulos iguais ao longo da circunferência da zona de redução final. O uso de 3 lanças fornece um fluxo bom e estável dentro do recipiente metalúrgico. Mais lanças fornecem um fluxo ainda mais estável, e fornece redundância de processo.

[0030] Embora o método conforme descrito possa ser usado para reduzir qualquer minério metálico que possa ser reduzido usando-se um material carbonáceo como material de partida, tal como minério de níquel, minério de cobre, minério de cobalto, minério de zinco, o equipamento é particularmente adequado para a produção de ferro a partir de minério de ferro.

[0031] A invenção também fornece modalidades preferidas de um dispositivo e um equipamento para execução do método de prepara- ção do agente de redução e do processo de produção metálica discutidos acima.

[0032] De acordo com um terceiro aspecto a invenção refere-se a um dispositivo para preparação de um agente de redução tendo uma temperatura elevada para uso em um processo de produção de metal, compreendendo - pelo menos uma câmara de aquecimento tendo uma entrada para alimentar um material carbonáceo de partida e uma saída para descarregar um material de partida parcialmente queimado tendo uma temperatura elevada e tendo também uma saída para descarregar o gás de escape da pirólise compreendendo substâncias voláteis originárias dos materiais carbonáceos de partida, - meios de transporte arranjados na mencionada câmara de aquecimento para transportar o material carbonáceo de partida da entrada para a saída, - uma câmara de combustão para queimar o gás de escape da pirólise, a câmara tendo uma entrada para o gás de escape da pirólise conectada à saída para descarga do gás de escape da pirólise da câmara de aquecimento, e tendo uma saída para o gás de escape queimado, - meios para transferir o calor contido no gás de escape queimado para o material carbonáceo de partida na câmara de aquecimento pelo contato direto e/ou indireto do gás de escape queimado com o material carbonáceo de partida.

[0033] Durante a operação desse dispositivo conforme a invenção, o material carbonáceo de partida carregado na entrada é aquecido na câmara de aquecimento até uma temperatura suficiente para pirólise parcial da mesma, enquanto é transportado para a saída da câmara de aquecimento. O gás de escape da pirólise é coletado e subsequentemente queimado na câmara de combustão, que é preferivelmente se- parado da câmara de aquecimento. O gás de escape queimado produzido é usado na câmara de aquecimento. As vantagens discutidas acima em relação ao método conforme a invenção são igualmente aplicáveis a esse dispositivo conforme a invenção. Em particular o dispositivo conforme a invenção permite que seja feito um uso eficiente do calor que está presente no gás de escape da combustão, conforme explicado acima.

[0034] Preferivelmente o dispositivo conforme esse aspecto da invenção é um reator de tubo direto, mais preferivelmente um reator do tipo de extrusão. O meio de transporte do reator do tipo de extrusão conforme a invenção compreende preferivelmente um parafuso duplo interpenetrante de extrusão, o qual pode ser um parafuso duplo inter-penetrante de extrusão do tipo de contra-rotação.

[0035] De acordo com um quarto aspecto a invenção refere-se a um equipamento para a produção de ferro fundido pela redução direta de minério de ferro, compreendendo (a) um dispositivo conforme a invenção para preparação de um agente de redução que tenha uma temperatura elevada; (b) um recipiente metalúrgico para executar a redução final do minério de ferro; (c) fornecimento de meios para fornecer material carboná-ceo de partida parcialmente queimado derivado do mencionado dispositivo em uma camada de escória formada, na operação do equipamento, acima de um banho de metal fundido originado do minério metálico reduzido no recipiente metalúrgico; (d) fornecimento de meios para fornecer oxigênio ao mencionado recipiente metalúrgico; (e) meios de descarga para descarregar o metal fundido e a escória do mencionado recipiente metalúrgico; (f) um ciclone de fusão localizado acima e em conexão aberta com o mencionado recipiente metalúrgico de modo a formar com isto um reator único, o gás de processo passando em operação do mencionado recipiente metalúrgico diretamente para o mencionado ciclone de fusão e pelo menos minério metálico pré-reduzido parcialmente fundido que passa do mencionado ciclone de fusão diretamente para o mencionado recipiente metalúrgico; (g) fornecer meios para fornecimento de minério metálico ao mencionado ciclone de fusão; (h) fornecer meios para fornecimento de oxigênio ao mencionado ciclone de fusão; (i) meios de descarga para descarregar o gás de processo em uma corrente de fluxo do mencionado ciclone de fusão.

[0036] Embora o dispositivo conforme descrito possa ser usado para reduzir qualquer minério metálico que possa ser reduzido usando-se um material carbonáceo como material de partida, tal como minério de níquel, minério de cobre, minério de cobalto, minério de zinco, o dispositivo é particularmente adequado para a produção de ferro a partir de minério de ferro.

[0037] A invenção é também ilustrada por meio dos desenhos anexos, em que: [0038] A Figura 1 mostra esquematicamente uma modalidade preferida de um reator do tipo de extrusão para executar um método de preparação de um agente de redução que tenha uma temperatura elevada para uso em um processo de produção de ferro conforme a invenção. A Figura 2 mostra esquematicamente uma modalidade de um equipamento para a produção de ferro fundido pela redução direta de minério de ferro conforme a invenção.

[0039] Uma modalidade preferida de um dispositivo para preparar um agente de redução que tenha uma temperatura elevada é mostrada na Figura 1. O dispositivo do tipo de extrusão é indicado em sua totalidade pelo numeral de referência 10. O dispositivo 10 compreende uma carcaça de paredes duplas 12. Dois parafusos de extrusão 14 são arranjados paralelos entre si no interior da carcaça 12. Em vista da Figura 1 apenas um parafuso de extrusão é visível. O interior da carcaça 12 define uma câmara de aquecimento 16. A carcaça 12 é fornecida com uma entrada 18 para materiais carbonáceos de partida a serem queimados próximos a uma primeira extremidade 20 da carcaça 12, que está em comunicação fluida com a câmara de aquecimento 16. Uma saída de produto 22 para descarregar o material de partida parcialmente pirolisado é posicionada na segunda extremidade oposta 24 da carcaça 12. A parede superior 26 da carcaça 12 é também fornecida com uma ou mais saídas de gás de escape da pirólise 28 que estão também em comunicação fluida com a câmara de aquecimento 16, para descarregar os produtos gasosos da pirólise parcial que ocorre na câmara de aquecimento 16 e outros voláteis. As saídas 28 são conectadas através de tubulação de coleta adequada 30 até um dispositivo queimador - indicado geralmente pelo numeral 32 - para queimar o gás de escape da pirólise. No dispositivo queimador 32 o gás de escape da pirólise coletado compreendendo hidrocarbonetos e outros voláteis é queimado pelo menos parcialmente com gás contendo oxigênio, tal como o ar (não-mostrado), preferivelmente ar pré-aquecido, e é obtido um gás de escape queimado. Esse gás de escape queimado é retornado ao dispositivo 10. Na modalidade mostrada o gás de escape da combustão é dividido em dois fluxos separados. Um primeiro fluxo de gás de escape queimado passa na segunda extremidade 24 da carcaça 12 para os eixos vazados 34 dos parafusos 14 e sai na primeira extremidade 20. Um segundo fluxo de gás de escape queimado é introduzido na segunda extremidade 24 através da entrada 36 em um espaço anular 38 entre as paredes interna e externa da carcaça de paredes duplas 12. Na primeira extremidade da carcaça 20 esse se- gundo fluxo é descarregado através da saída 40. Assim ambos os fluxos de gás de escape queimado estão em contra-fluxo ao material carbonáceo de partida na câmara de aquecimento 16. Assim o calor é transferido de ambos os fluxos para o material carbonáceo de partida. O gás queimado resfria até aproximadamente 500Ό ou menos, enquanto o produto parcialmente pirolisado deixa a saída 22 tendo uma temperatura de cerca de 700Ό. O tempo de residênci a no reator do tipo de extrusão 10 pode variar, tipicamente cerca de 5-10 minutos, serão suficientes para se obter uma reação autossustentável. Os dois parafusos 14 têm cada um eixo vazado 34, que é fornecido com uma lâmina configurada em espiral 42. Essas lâminas 42 podem também ser vazadas para circulação de um fluido de aquecimento como o gás de escape queimado. As lâminas 42 dos dois parafusos 14 são penetrado com pouca folga mecânica. Durante a partida do processo de pirólise, pode ser necessário um gás combustível fornecido externamente, tal como gás natural ou CO. Para esse propósito, meios para fornecimento de tal gás combustível fornecido externamente (não-mostrados) ao dispositivo 10 podem ser fornecidos. Se o valor calórico do gás de escape da pirólise for maior que o necessário para manter o processo de queima parcial, o valor calórico em excesso pode ser usado para outros propósitos. Para esse propósito, uma saída adicional (não-mostrada) para conduzir parte do gás de escape da pirólise pode ser fornecido ao dispositivo 10.

[0040] Em uma experiência envolvendo um reator do tipo de extrusão compreendendo um único parafuso de extrusão o método conforme a invenção foi testado experimental mente e foi descoberto que a uma temperatura de 700Ό uma quantidade de voláteis foi liberada do carvão antes que o carvão parcialmente queimado fosse liberado na extremidade do reator o que é suficiente para manter o processo em termos de calor necessário. Do trabalho de equilíbrio entre calor e massa foi concluído que a quantidade de voláteis liberados, mesmo por carvão baixo volátil, é capaz de dirigir o processo em termos de calor necessário. Este resultado surpreendente permite evitar uso de combustíveis externos para fornecer o calor necessário ao processo.

[0041] A Figura 2 mostra diagramaticamente uma modalidade de um equipamento de produção de metal, tal como um equipamento de produção de ferro 100 do tipo CCF conforme a invenção. O equipamento compreende um ou mais dispositivos de preparação de agentes de redução 10 conforme mostrado esquematicamente na Figura 1 e detalhado acima. Além disso o equipamento de produção de ferro 100 compreende um ciclone de fusão 102 como zona de pré-redução para pré-reduzir e fundir minérios de ferro finos que são alimentados tan-gencialmente em 104. Abaixo do ciclone de fusão 102 é arranjado um recipiente conversor 106 como zona de redução final, cujo topo aberto 108 do recipiente 106 é conectado ao fundo aberto 112 do ciclone de fusão 102 para permitir que o gás do processo de redução passe do recipiente 106 para o ciclone de fusão e permitir que o minério de ferro parcialmente reduzido e fundido flua para baixo para o recipiente 106. Uma poça 114 de metal líquido está presente no fundo do recipiente 106 tendo uma camada de escória 116 flutuando no topo. Oxigênio é alimentado ao ciclone 102 e ao conversor 106, por exemplo, por linhas de fornecimento adequadas 122 ao ciclone 102. Geralmente o oxigênio será injetado na camada de escória 116 no recipiente conversor 106 por meio de um conjunto de lanças múltiplas do qual apenas duas lanças 118 estão mostradas na Figura 2. O carvão parcialmente queimado tendo uma temperatura elevada derivado dos dispositivos de preparação do agente de redução 10 é também entregue ao conversor através da entrada 124 para reduzir o minério de ferro parcialmente reduzido e fundido derivado do ciclone 102 conforme a reação FexOy + C (carvão) -» Fe + CO. Um gás, tal como nitrogênio, pode ser borbu- Ihado através da poça de metal fundido 114 pelos bocais do fundo (não-mostrados) para agitação da área inferior da camada de escória 116. O gás do processo de redução compreendendo CO e evoluindo da camada de escória 116 é parcialmente queimado com o oxigênio fornecido. Um PCR de cerca de 45% no gás do processo de redução ao sair do conversor 116 é vantajoso. O gás do processo de redução é também queimado no ciclone 102 pelo oxigênio fornecido, bem como para pré-reduzir o minério de ferro fundido durante operação para Fe-xOy. O minério de ferro fundido que flui para baixo nas paredes pode também ser reduzido para FeO. No topo 110 os gases de combustão que saem têm um PCR de 100% a uma temperatura de cerca de 1800*0. Os gases de combustão totalmente queimados podem, após limpeza, secagem e compressão, serem usados diretamente para armazenagem de C02. O metal quente e a escória podem ser sangrados usando-se os furos convencionais de sangria 120.

REIVINDICAÇÕES

Claims (15)

1. Processo para produção de um metal fundido pela redução direta de minério metálico em uma etapa de pré-redução seguida por uma etapa de redução final, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) na mencionada etapa de pré-redução alimentar o minério metálico em uma zona de pré-redução e pré-reduzindo-o ali por meio de um gás de processo de redução originado em uma zona de redução final, (b) efetuar uma pós-combustão do mencionado gás do processo de redução na mencionada zona de pré-redução pelo fornecimento de um gás contendo oxigênio de forma que o mencionado minério metálico na mencionada zona de pré-redução seja fundido, (c) permitir que o minério de ferro pré-reduzido fundido passe da mencionada zona de pré-redução para a zona de redução final situada posteriormente conforme visto na direção do fluxo do minério de ferro no qual a mencionada redução final ocorre, e (d) efetuar a mencionada redução final na mencionada zona de redução final em uma camada de escória pelo fornecimento de um agente de redução e de um gás contendo oxigênio até a mencionada zona de redução final formando assim o mencionado gás de processo de redução, e (e) efetuar uma pós-combustão parcial do mencionado gás do processo de redução na mencionada zona de redução final por meio do mencionado gás contendo oxigênio fornecido ali, sendo que um agente de redução é alimentado na zona de redução final, o mencionado agente de redução tendo uma temperatura elevada produzido por: i) uma etapa de pirólise de aquecimento de um material carbonáceo de partida usando uma fonte de calor em que o material de partida é pirolisado a uma temperatura de entre 400 e 90013 até um grau de pirólise entre 5 e 50% em um produto carbonáceo parcialmente queimado tendo uma temperatura elevada e produzindo um gás de escape de pirólise compreendendo substâncias voláteis a partir do material carbonáceo de partida, ii) uma etapa de combustão do gás de escape de pirólise, produzindo assim um gás de escape queimado, sendo que a energia térmica do gás de escape queimado é usada como fonte de calor na etapa i) trazendo-se o gás de escape queimado ao contato direto com o material carbonáceo de partida e/ou em que a energia térmica do gás de escape queimado é usada como fonte de calor na etapa i) pelo aquecimento do material carbonáceo de partida sem contatar diretamente o material carbonáceo de partida, sendo que na etapa de pirólise para produzir produto carbonáceo parcialmente queimado, o estágio de pre-redução e o estágio final de redução são acoplados a quente para reduzir a perda de calor.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a zona de pré-redução é um ciclone de fusão, e em que o minério é alimentado tangencialmente no ciclone.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o minério é fundido durante a operação pelo calor gerado na zona de pré-redução e o minério líquido é coletado nas paredes periféricas, e em que o minério líquido é parcialmente reduzido pelo gás do processo de redução compreendendo CO e H2 durante sua descida devido à gravidade ao longo das paredes internas do ciclone.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa a) é executada em um reator de tubo direto (10), preferivelmente um reator do tipo ex-trusão, mais preferivelmente um reator do tipo extrusão compreenden- do um parafuso duplo interpenetrante de extrusão (14).

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa b) é executada com um gás contendo oxigênio pré-aquecido, preferivelmente tendo uma temperatura entre 400 e 700*0.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que na etapa a) o gás de escape queimado é alimentado no contra-fluxo ao material carbonáceo de partida.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa a) é executada de tal maneira que o gás de escape resultante da pirólise compreenda uma quantidade de voláteis que seja suficiente para fornecer o calor necessário para aquecer e pirolisar parcialmente o material carbonáceo de partida após a combustão do gás de escape da pirólise, enquanto o produto carbonáceo parcialmente queimado compreende os voláteis remanescentes.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material carbonáceo de partida compreende carvão.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o gás de escape que sai da zona de pré-redução tem uma razão de pós-combustão definida como em que C02, CO,H20 e H2 são as concentrações em % em volume desses gases na saída da mencionada zona de pré-redução, que é mais de 0,60.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindica- ções precedentes, caracterizado pelo fato de que o gás contendo oxigênio é fornecido à zona de redução final por meio de um arranjo de lanças múltiplas, arranjado de forma tal que os gases queimados quentes fluem na direção do eixo central da zona de redução final, de modo a direcionar os gases quentes para fora das paredes da zona de redução final.

11. Equipamento (100) para a produção de ferro fundido pela redução direta do minério de ferro, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) pelo menos um dispositivo para preparar um agente de redução tendo uma elevada temperatura compreendendo: - pelo menos uma câmara de aquecimento (16) tendo uma entrada (18) para alimentar um material carbonáceo de partida e uma saída (22) para descarregar um material de partida parcialmente queimado tendo uma temperatura elevada e tendo também uma saída (28) para descarregar um gás de escape de pirólise compreendendo substâncias voláteis originadas do material carbonáceo de partida; - meios de transporte (14) arranjados na mencionada câmara de aquecimento (16) para transportar o material carbonáceo de partida da entrada (18) para a saída (22); - uma câmara de combustão (32) para queimar o mencionado gás de expulsão da pirólise tendo uma entrada para o mencionado gás de escape da pirólise em combinação fluida com a saída (28) para descarregar um gás de escape da pirólise na mencionada câmara de aquecimento e tendo uma saída para gás de escape queimado; - meios (34, 38, 42) para transferir o calor contido no gás de escape queimado para o material carbonáceo de partida. (b) um recipiente metalúrgico (106) para executar uma redução final do minério de ferro. (c) meios de fornecimento (124) para fornecimento de ma- terial carbonáceo de partida parcialmente queimado derivado do dispositivo (10), em uma camada de escória (116) formada, na operação do equipamento, acima de um banho de ferro fundido (114) no recipiente metalúrgico (106); (d) meios de fornecimento (118) para fornecer gás contendo oxigênio ao mencionado recipiente metalúrgico (106); (e) meios de descarga (120) para descarregar ferro fundido e escória a partir do mencionado recipiente metalúrgico (106); (f) um ciclone de fusão (102) localizado acima e em uma conexão aberta com o mencionado recipiente metalúrgico (106) de modo a formar com isto um único reator, o gás de processo passando em operação do mencionado recipiente metalúrgico (106) diretamente no mencionado ciclone de fusão (102) e pelo menos minério de ferro pré-reduzido parcialmente fundido que passa do mencionado ciclone de fusão (102) diretamente no mencionado recipiente metalúrgico (106); (g) meios de fornecimento (104) para fornecer minério de ferro ao mencionado ciclone de fusão; (h) meios de fornecimento (122) para fornecer oxigênio ao mencionado ciclone de fusão; (i) meios de descarga (110) para descarregar gás de processo em uma corrente de fluxo a partir do mencionado ciclone de fusão (102).

12. Equipamento de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o mencionado meio de transporte compreende um parafuso duplo interpenetrante de extrusão.

13. Equipamento de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que os meios de fornecimento (118) compreendem um arranjo de múltiplas lanças, arranjado de tal maneira que os gases queimados quentes fluem na direção do eixo central do recipiente metalúrgico, de modo a direcionar os gases quentes para fora das paredes da zona do recipiente metalúrgico.

14. Equipamento de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que são usadas pelo menos três lanças distribuídas em ângulos substancialmente iguais.

15. Uso do equipamento como definido em qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que se destina a reduzir minério de níquel, minério de cobre, minério de cobalto ou minério de zinco.