ES2296193T3 - Un procedimiento y aparato para reduccion directa. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de reducción directa para un material metalífero que comprende: suministrar un material carbonáceo sólido (43) y un gas que contiene oxígeno (45) a un lecho fluidizado en un primer recipiente (3) y generar calor mediante reacciones entre el gas que contiene oxígeno y el material carbonáceo sólido y cualquier otro sólido y gases oxidables en el lecho fluidizado y descargar una corriente de gas residual caliente que contiene sólidos arrastrados; y suministrar el material metalífero (29) a un lecho fluidizado en un segundo recipiente (5) y suministrar el gas residual caliente que contiene sólidos arrastrados (7) del primer recipiente (3) al lecho fluidizado en el segundo recipiente (5) y al menos reducción parcial del material de alimentación metalífero en el estado sólido en el lecho fluidizado y descargar una corriente de producto de material metalífero (9) al menos parcialmente reducido y una corriente de gas residual que contiene sólidos arrastrados (61).
Description
Un procedimiento y aparato para reducción
directa.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y aparato para reducción directa para un material de
alimentación metalífero, de forma particular, si bien no de forma
exclusiva, a un procedimiento y aparato de reducción directa para
un material de alimentación que contiene hierro, tal como mineral de
hierro.
La presente invención también se refiere a un
procedimiento para la reducción de un material de alimentación
metalífero que comprende un procedimiento de reducción directa para
reducir parcialmente material de alimentación metalífero en estado
sólido y a un procedimiento de fusión para fusión y reducción
adicional del material de alimentación metalífero parcialmente
reducido a un metal fundido.
Una técnica de reducción directa conocida es la
denominada "tecnología CIRCOFER" que es capaz de reducir
mineral de hierro en el estado sólido hasta una metalización del
50% o más.
La tecnología CIRCOFER se basa en el uso de
lechos fluidizados. Los materiales de alimentación principales para
los lechos fluidizados son gas de fluidización, óxidos de metal (de
forma típica, finos de mineral de hierro), material carbonáceo
sólido (de forma típica, carbón) y gas que contiene oxígeno (de
forma típica, gas oxígeno). El producto principal producido en los
lechos fluidizados es óxidos de metal metalizados, es decir, óxidos
de metal que han sido reducidos al menos parcialmente.
El solicitante ha concluido que es posible
reducir de forma efectiva y eficiente óxidos de hierro en el estado
sólido en un procedimiento en dos fases en el que se genera calor
mediante reacciones entre material carbonáceo sólido y gas que
contiene oxígeno en un primer lecho fluidizado y se reduce material
de alimentación metalífero en un segundo lecho fluidizado,
suministrándose calor al segundo lecho fluidizado mediante una
corriente de gas residual caliente y sólidos arrastrados desde el
primer lecho fluidizado.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona un procedimiento de reducción directa para un material
metalífero que comprende:
suministrar un material carbonáceo sólido y un
gas que contiene oxígeno a un lecho fluidizado en un primer
recipiente y generación de calor mediante reacciones entre el gas
que contiene oxígeno y el material carbonáceo sólido y cualesquiera
otros sólidos y gases oxidables al lecho fluidizado y descargar una
corriente de gas residual caliente que contiene sólidos
arrastrados; y
suministrar el material metalífero a un lecho
fluidizado en un segundo recipiente y suministrar al corriente de
gas residual caliente que contiene sólidos arrastrados desde el
primer recipiente al lecho fluidizado en el segundo recipiente y al
menos reducción parcial del material de alimentación metalífero en
el estado sólido al lecho fluidizado y descargar una corriente de
producto de material metalífero al menos parcialmente reducido y
una corriente de gas residual que contiene sólidos arrastrados.
El procedimiento anteriormente descrito separa
las funciones de generación de calor y reducción del procedimiento
en dos recipientes separados y hace posible optimizar cada una de
estas funciones.
De forma particular, separar las funciones de
generación de calor y reducción significa que es posible operar el
primer recipiente a una temperatura elevada para generar calor y
asegurar la destrucción de alquitranes y otros productos de
desvolatilización que sería aceptable en una situación en la que la
generación de calor y la reducción tuvieran lugar en un recipiente.
De forma específica, en una situación en la que la generación de
calor y la reducción tienen lugar en un recipiente el potencial de
problemas de acumulación con materiales metalíferos limita las
temperaturas de operación máximas que se pueden usar.
Preferiblemente el procedimiento comprende la
generación de temperaturas en el primer recipiente que sean mayores
que las temperaturas de operación en el segundo recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende
operar el primer recipiente a temperaturas por encima de 1000ºC.
Preferiblemente el procedimiento comprende
operar el segundo recipiente a temperaturas por debajo de
1000ºC.
Preferiblemente el procedimiento comprende
suministrar el gas que contiene oxígeno en el primer recipiente de
modo que haya un flujo descendente del gas en el primer
recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende
suministrar un gas que contiene oxígeno en el segundo
recipiente.
Más preferiblemente la introducción de gas que
contiene oxígeno en el segundo recipiente se lleva a cabo en
condiciones controladas tales que tiene lugar una aglomeración
deseable de partículas de mineral reducido menores con otras
partículas de material de alimentación para formar mayores
partículas de mineral reducido.
Preferiblemente el procedimiento comprende
suministrar el gas que contiene oxígeno al segundo recipiente de
modo que haya un flujo descendente del gas en el segundo
recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende
inyectar el gas que contiene oxígeno en el primer recipiente y/o en
el segundo recipiente mediante al menos una lanza que tenga una
punta de lanza con una salida posicionada en el recipiente hacia el
interior de la pared lateral del recipiente en una región central
del recipiente.
Preferiblemente la punta de lanza está dirigida
hacia abajo.
Más preferiblemente la punta de lanza está
dirigida verticalmente hacia abajo.
La posición de la lanza y, de forma más
particular, la altura de la salida de la punta de la lanza están
determinadas en referencia a factores tales como la velocidad de
inyección del gas que contiene oxígeno, la presión del recipiente,
la selección y cantidades de los otros materiales de alimentación al
recipiente, y la densidad del lecho fluidizado.
Preferiblemente el procedimiento comprende el
enfriamiento con agua de la punta de la lanza para minimizar la
posibilidad de acumulaciones que se formen en la punta de la lanza
que podrían bloquear la inyección del gas que contiene oxígeno.
Preferiblemente el procedimiento comprende el
enfriamiento con agua en la superficie exterior de la punta de la
lanza.
Preferiblemente el procedimiento comprende la
inyección del gas que contiene oxígeno a través del conducto
central de la lanza.
Preferiblemente el procedimiento comprende la
inyección del gas que contiene oxígeno con velocidad suficiente
para formar una zona sustancialmente libre de sólidos en la región
de la punta de la lanza para reducir la posibilidad de
acumulaciones que se formen sobre la punta de la lanza que podrían
bloquear la inyección del gas que contiene oxígeno.
Preferiblemente el procedimiento comprende la
inyección de nitrógeno y/o vapor y/o otro gas de apantallamiento
adecuados y apantallar un extremo inferior del conducto central para
minimizar la oxidación del metal que podría dar lugar a
acumulaciones que se forman sobre la punta de la lanza que podrían
bloquear la inyección del gas que contiene oxígeno.
Preferiblemente el procedimiento comprende
suministrar por separado el material metalífero y la corriente de
gas residual caliente que contiene sólidos arrastrados desde el
primer recipiente al lecho fluidizado en el segundo recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende
controlar que la diferencia de temperatura entre la temperatura
aparente en el lecho fluidizado en el segundo recipiente y la
temperatura media de la superficie que da hacia el interior de una
pared lateral del segundo recipiente no sea mayor de 100ºC.
El término "temperatura aparente" se
entiende en esta invención que significa la temperatura media en
todo el lecho fluidizado.
Más preferiblemente la diferencia de temperatura
no es mayor de 50ºC.
En el caso de reducción del material de
alimentación metalífero en la forma de finos de mineral de hierro,
preferiblemente la temperatura aparente en el lecho fluidizado en el
segundo recipiente se encuentra en el intervalo de 850º a
1000ºC.
Preferiblemente la temperatura aparente en el
lecho fluidizado en el segundo recipiente es al menos 900ºC, más
preferiblemente al menos 950ºC.
Preferiblemente el procedimiento comprende
controlar que la variación de temperatura dentro del lecho
fluidizado en el segundo recipiente sea inferior a 50ºC.
La diferencia de temperatura se puede controlar
controlando un número de factores que incluyen, a título de
ejemplo, las cantidades de los sólidos y los gases suministrados al
segundo recipiente y la selección de los sólidos y los gases.
Además, preferiblemente el procedimiento
comprende controlar que la presión en al menos el segundo recipiente
esté en el intervalo de 100 a 1000 kPa absolutos y más
preferiblemente de 400 a 800 kPa absolutos.
En el caso de reducción de material metalífero
en la forma de finos de mineral de hierro, preferiblemente los
finos se tamizan a menos de 6 mm.
Preferiblemente los finos tienen un tamaño de
partícula medio en el intervalo de 0,1 a 0,8 mm.
Una de las ventajas del procedimiento es que
puede aceptar una cantidad sustancia de material de alimentación
metalífero con un tamaño de partícula inferior a 100 micrómetros sin
que salga del proceso una cantidad significativa de este material
arrastrado en el gas residual. Se cree que esto es debido a un
mecanismo de aglomeración que actúa dentro del lecho fluidizado que
promueve un nivel deseable de aglomeración entre partículas de
materiales de alimentación, en particular partículas por debajo de
100 micrómetros, sin que parezca que promueva la aglomeración
incontrolada capaz de interrumpir la operación del lecho fluidizado.
De forma similar, se puede procesar minerales desmenuzables que
tienen una tendencia a romperse durante el procesamiento y con ello
a aumentar la proporción de partículas en el lecho fluidizado con
un tamaño inferior a 100 micrómetros sin pérdida significativa de
material de alimentación en gas residual del proceso.
Preferiblemente el material carbonáceo sólido es
carbón. En una situación como esta, el procedimiento desvolatiliza
el carbón en coque y al menos parte del coque reacciona con oxígeno
y forma CO en el lecho fluidizado en el primer recipiente.
El carbón puede ser cualquier carbón adecuado. A
título de ejemplo, el carbón puede ser carbón de contenido en
volátiles medio-alto triturado a menos de 6 mm.
Preferiblemente el gas de fluidización comprende
un gas no oxidante.
Preferiblemente el gas de fluidización en el
segundo recipiente comprende un gas reductor, tal como CO e
H_{2}.
Preferiblemente el procedimiento comprende
seleccionar la cantidad de H_{2} en el gas de fluidización en el
segundo recipiente para que sea al menos el 10% en volumen del
volumen total de CO e H_{2} en el gas.
Preferiblemente el procedimiento comprende
separar material de alimentación metalífero al menos parcialmente
reducido y la menos una parte de otros sólidos (por ejemplo, coque)
de la corriente de producto del segundo recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende
devolver al menos una parte de los otros sólidos separados de la
corriente de producto al primer recipiente y/o al segundo
recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende
separar al menos una parte de los sólidos de la corriente de gas
residual del segundo recipiente.
Preferiblemente el procedimiento el
procedimiento comprende suministrar los sólidos separados de la
corriente de gas residual de salida al primer recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende
precalentar el material de alimentación metalífero con el gas
residual del segundo recipiente.
Preferiblemente el procedimiento comprende el
tratamiento del gas residual tras la etapa de precalentamiento y
devolver al menos una parte del gas residual tratado al primer
recipiente y/o al segundo recipiente como gas de fluidización.
Preferiblemente el tratamiento del gas residual
comprende uno o más de (a) eliminación de sólidos, (b) enfriamiento,
(c) eliminación de H_{2}O; (d) eliminación de CO_{2}, (e)
compresión, y (f) recalentamiento.
Preferiblemente el tratamiento de gas residual
comprende devolver al menos una parte de los sólidos separados al
primer recipiente y/o al segundo recipiente.
El gas que contiene oxígeno puede ser cualquier
gas adecuado.
Preferiblemente el gas que contiene oxígeno
comprende al menos 90% en volumen de oxígeno.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona también un aparato de reducción directa para un material
metalífero que comprende:
(a) un primer recipiente para generar una
corriente de gas residual caliente que contiene sólidos arrastrados,
comprendiendo el primer recipiente un medio de entrada para
suministro de un material carbonáceo sólido, un gas de
fluidización, y un gas que contiene oxígeno al primer recipiente y
mantener un lecho fluidizado en el recipiente y producir la
corriente de gas residual caliente que contiene sólidos arrastrados,
y un medio de salida para descargar la corriente de gas residual
caliente que contiene sólidos arrastrados del recipiente; y
(b) un segundo recipiente para reducir al menos
parcialmente material metalífero en un estado sólido en un lecho
fluidizado en el segundo recipiente, comprendiendo el segundo
recipiente un medio de entrada para suministro del material
metalífero, conteniendo la corriente de gas residual caliente
sólidos arrastrados del primer recipiente, y un gas de fluidización
en el segundo recipiente y mantenimiento del lecho fluidizado en el
recipiente, un medio de salida para descargar una corriente
predominantemente de sólidos de material de alimentación metalífero
al menos parcialmente reducido del segundo recipiente, y un medio de
salida para descargar una corriente de un gas residual y sólidos
arrastrados del segundo recipiente.
Preferiblemente el primer recipiente comprende
medios de entrada separados para suministrar el material carbonáceo
sólido, el gas de fluidización y el gas que contiene oxígeno al
primer recipiente.
Preferiblemente los medios de entrada para
suministro del gas que contiene oxígeno al primer recipiente
comprenden una lanza que tiene una punta de lanza con una salida
posicionada en el recipiente hacia dentro de la pared lateral del
recipiente en una región central del recipiente.
Preferiblemente la punta de la lanza está
dirigida hacia abajo en una región central del recipiente para
inyección del gas que contiene oxígeno en un flujo descendente.
Preferiblemente la punta de la lanza está
dirigida verticalmente hacia abajo.
Preferiblemente el segundo recipiente comprende
medios de entrada separados para suministrar el material de
alimentación metalífero, la corriente de gas residual caliente que
contiene sólidos arrastrados del primer recipiente, y el gas de
fluidización al segundo recipiente.
Preferiblemente el segundo recipiente comprende
un medio de entrada para suministrar el gas que contiene oxígeno al
segundo recipiente.
Preferiblemente los medios de entrada para
suministrar gas que contiene oxígeno al segundo recipiente
comprenden una lanza que tiene una punta de lanza con una salida
posicionada en el recipiente hacia dentro de la pared lateral del
recipiente en una región central del recipiente.
Preferiblemente la punta de la lanza está
dirigida hacia abajo en una región central del segundo recipiente
para inyección del gas que contiene oxígeno en un flujo
descendente.
Preferiblemente la punta de la lanza está
dirigida verticalmente hacia abajo.
Preferiblemente el aparato comprende un medio
para separar sólidos arrastrados de la corriente de gas residual
del segundo recipiente.
Preferiblemente el primer recipiente comprende
además un medio de entrada para suministrar sólidos separados de
los medios de separación de gas residual al primer recipiente.
Preferiblemente el aparato comprende un medio
para procesar la corriente de gas residual del segundo recipiente y
producir al menos parte del gas de fluidización para el primer
recipiente y/o el segundo recipiente.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona también un procedimiento para reducir un material
metalífero que comprende (a) un procedimiento de reducción directa
para reducir parcialmente material metalífero en el estado sólido
como se describe anteriormente y (b) un procedimiento de fusión para
fundir y reducir adicionalmente el material metalífero parcialmente
reducido a metal fundido.
La presente invención se describe además en
referencia a los dibujos acompañantes, de los cuales:
la figura 1 es un diagrama de una realización de
un aparato para reducción directa de un material de alimentación
metalífero de acuerdo con la presente invención, y
la figura 2 es un diagrama de otra realización
de un aparato para reducción directa de un material de alimentación
metalífero de acuerdo con la presente invención.
La siguiente descripción se encuentra en el
contexto de reducción directa de un material metalífero en la forma
de mineral de hierro en un estado sólido. La presente invención no
se limita a esto y se extiende a reducción directa de otros
materiales que contienen hierro (tales como ilmenita) y más en
general a otros materiales metalíferos.
La siguiente descripción se encuentra también en
el contexto de una reducción directa de mineral de hierro con
carbón como un material carbonáceo sólido, oxígeno como un gas que
contiene oxígeno y gas residual reciclado que contiene una mezcla
de CO e H_{2} como un gas de fluidización. La presente invención
no sólo se limita a esto y se extiende al uso de cualquier otro
material carbonáceo sólido adecuado, gas que contiene oxígeno y gas
de fluidización.
En referencia a la figura 1, el aparato
comprende un primer recipiente 3 que contiene un lecho fluidizado
de gas y sólidos arrastrados y un segundo recipiente 5 que contiene
un lecho fluidizado de gas y sólidos arrastrados.
El primer recipiente 3 funciona como un
generador de calor y genera una corriente de gas residual caliente
que contiene sólidos arrastrados, predominantemente coque, que se
transfieren al segundo recipiente 5 mediante una conducción 7. La
finalidad de la corriente de gas residual caliente es proporcionar
al menos parte del calor requerido para reacciones en el segundo
recipiente.
El segundo recipiente 5 funciona como un reactor
de reducción directa y al menos reduce parcialmente finos de
mineral de hierro en el estado sólido.
El segundo recipiente produce dos corrientes de
salida.
Una corriente de salida que se descarga desde el
segundo recipiente 5 mediante una salida 9 en la base del segundo
recipiente 5, comprende una corriente predominantemente de sólidos
de finos de mineral de hierro al menos parcialmente reducidos y
otros sólidos, de forma típica coque.
La corriente de sólidos se puede procesar
mediante separación de los finos de mineral de hierro al menos
parcialmente reducidos y al menos una parte de los otros sólidos.
Los otros sólidos, predominantemente coque, separados de la
corriente de producto se pueden devolver al primer recipiente y/o al
segundo recipiente como una parte de la alimentación de sólidos
para los recipientes. El mineral de hierro al menos parcialmente
reducido se procesa adicionalmente como se requiera. A título de
ejemplo, el mineral de hierro al menos parcialmente reducido se
puede suministrar a un recipiente de fusión basado en un baño
fundido y se funde en hierro fundido, por ejemplo, mediante un
procedimiento tal como el denominado "procedimiento
HIsmelt".
La otra corriente de salida del segundo
recipiente 5, que se descarga mediante una salida 61 en una sección
superior del segundo recipiente 5, comprende gas residual caliente y
sólidos arrastrados.
La corriente de gas residual se transfiere a un
ciclón 13 por una conducción 11. El ciclón 13 separa al menos parte
de los sólidos arrastrados de la corriente de gas residual. Los
sólidos separados fluyen hacia abajo desde el ciclón 13 por una
conducción 15 al primer recipiente 3. La corriente de gas residual
fluye hacia arriba desde el ciclón 13 a una cámara de mezcla
17.
El gas residual del ciclón 13 se mezcla y
calienta los sólidos que pasaron a la cámara de mezcla 17 desde un
ciclón 21 adicional por una conducción 23. La mayoría de los sólidos
en la cámara de mezcla 17 son arrastrados en el gas residual y
pasan al ciclón 27 por el conducción 25.
Hay separación sólido/gas en el ciclón 27. Los
sólidos separados fluyen hacia abajo desde el ciclón 27 por una
conducción 29 al segundo recipiente 5. El gas residual desde el
ciclón 27 junto con cualquier sólido restante fluye hacia arriaba
desde el ciclón 27 a una cámara de mezcla 31 adicional.
La corriente de gas residual del ciclón 27 se
mezcla y calienta el mineral de hierro en la cámara de mezcla 31.
El mineral de hierro se suministra a la cámara de mezcla 31 por un
ensamblaje de tolva con esclusa 33. La mayor parte del material en
la cámara de mezcla 31 es traspasado al ciclón 21 por una conducción
35. Como se detalla anteriormente, una gran parte del material que
pasó al ciclón 21 pasa a la cámara de mezcla 17, desde la que pasa
al ciclón 27 y el segundo recipiente 5 por la conducción 29.
El gas residual del ciclón 21 es transferido por
una conducción 37 a una unidad de procesamiento de gas residual 39
y se trata en la unidad como se describe a continuación. De forma
específica, el gas residual es tratado por una serie de etapas que
incluyen (a) eliminación de sólidos, (b) enfriamiento del gas
residual, (c) eliminación de H_{2}O, (d) eliminación de CO_{2},
(e) compresión y (f) recalentamiento.
El gas residual tratado de la unidad de la
unidad de procesamiento de gas residual 39 llega a ser un gas de
fluidización para los recipientes 3 y 5 y se transfiere a los
recipientes mediante una conducción de transferencia 41. El gas de
fluidización es inyectado a la base de cada uno de los recipientes 3
y 5.
Se suministra carbón con contenido en volátiles
medio-alto que tiene un tamaño de partícula de menos
de 6 mm en una sección inferior del primer recipiente 3 mediante un
dispositivo de alimentación de sólidos tal como una alimentación
por tornillo sinfín o una lanza 43 que se extiende a través de una
pared lateral del primer recipiente 3.
Además se suministra oxígeno al primer
recipiente 3 mediante una lanza 45 que tiene una punta de lanza 47
que se extiende hacia abajo con una salida que dirige el oxígeno
hacia abajo a una región central del primer recipiente 3.
Como se describe anteriormente, se suministra
mineral de hierro precalentado al segundo recipiente 5 por la
conducción 29 y se suministra la corriente de gas residual caliente
que contiene sólidos arrastrados del primer recipiente 3 al segundo
recipiente por la conducción 7.
Además se inyecta oxígeno al segundo recipiente
5 mediante una lanza 49 que tiene una punta de lanza 51 que se
extiende hacia abajo con una salida que dirige el oxígeno hacia
abajo a una región central del segundo recipiente 5.
El suministro de carbón anteriormente descrito,
que devuelve sólidos y gas de fluidización al primer recipiente 3
produce un flujo ascendente de gas de fluidización y carbón
arrastrado y otros sólidos devueltos a una región central del
primer recipiente 3. De forma creciente, cuando las partículas de
carbón y otros sólidos retenidos se mueven hacia arriba, las
partículas se desprenden de la corriente ascendente de gas de
fluidización y fluyen hacia abajo de forma predominante a una
región anular entre la región central y la pared lateral del primer
recipiente 3. En última instancia estos sólidos retenidos son
arrastrados de nuevo a la corriente ascendente del gas de
fluidización.
La corriente ascendente de gas de fluidización y
sólidos arrastrados en la región central del primer recipiente 3 es
en contracorriente con el flujo descendente de gas de oxígeno.
Algunos sólidos cercanos al flujo de gas que contiene oxígeno
pueden llegar a ser arrastrados en el gas que contiene oxígeno y
como consecuencia llegar a ser pegajosos. La interacción de flujos
en contracorriente de gas de fluidización y gas que contiene oxígeno
se cree que limita la extensión en la que los sólidos que han
llegado a ser arrastrados o que han pasado a través del flujo de
oxígeno, pueden entrar en contacto con superficies del recipiente y
provocar acumulaciones. La formación de acumulaciones se cree que
es limitada adicionalmente debido a la localización central del
flujo de gas de oxígeno dentro del recipiente.
En el primer recipiente los finos de carbón se
desvolatilizan para formar coque y los compuestos volátiles de
carbón se descomponen en productos gaseosos (tal como CO e H_{2}).
Al menos parte del coque y de los compuestos volátiles reaccionan
con oxígeno y forman CO y productos de reacción de los volátiles.
Estas reacciones generan calor sustancial y, como se describe
anteriormente, el calor se transfiere al segundo recipiente 5
mediante la corriente de gas residual de salida caliente que
contiene sólidos arrastrados que fluye al segundo recipiente por la
conducción 7.
El suministro descrito anteriormente de los
finos de mineral de hierro precalentados, la corriente de gas
residual caliente que contiene sólidos arrastrados desde el primer
recipiente 3, el gas que contiene oxígeno y el gas de fluidización
en el segundo recipiente produce un flujo hacia arriba del gas y
sólidos arrastrados en una región central del segundo recipiente 5.
De forma creciente, cuando las partículas sólidas se mueven hacia
arriba, las partículas sólidas se desprenden de la corriente
ascendente de gas y fluyen hacia debajo de forma predominante a una
región anular entre la región central y la pared lateral del segundo
recipiente 5. Tales sólidos recirculados bien son arrastrados de
nuevo a la corriente ascendente del gas de fluidización o bien son
descargados del recipiente.
El gas de fluidización y flujo ascendente de
sólidos fluidizados por el gas de fluidización en el segundo
recipiente 5 está en contracorriente con el flujo descendente de gas
que contiene oxígeno. Como se describe anteriormente en relación
con el primer recipiente, este flujo en contracorriente de gas de
fluidización y gas que contiene oxígeno se cree que ayuda a reducir
la extensión en la que los sólidos han llegado a ser arrastrados o
pasan a través de las superficies del recipiente en contacto con el
flujo de oxígeno y forman acumulaciones.
El suministro anteriormente descrito de los
finos de mineral de hierro precalentados, la corriente de gas
residual caliente que contiene sólidos arrastrados del primer
recipiente 3, el gas que contiene oxígeno, y el gas de fluidización
en el segundo recipiente 5 producto las siguientes reacciones en el
segundo recipiente.
Reacción de al menos parte del CO_{2} (formado
durante la reducción del mineral de hierro) con carbono para formar
CO (reacción de Boudouard).
Reducción directa de finos de mineral de hierro
en hierro al menos parcialmente reducido por CO, e H_{2}, tales
reacciones forman CO_{2} y H_{2}O.
Oxidación de sólidos y gases tales como coque y
partículas de material de alimentación metalífero parcialmente
reducido, compuestos volátiles de carbón trasladados desde el primer
recipiente 3, H_{2} y CO a una sección superior del segundo
recipiente 5 que genera calor y promueve la aglomeración controlada
de partículas de mineral menores parcialmente reducidas con otras
partículas dentro del lecho fluidizado para formar mayores
partículas de mineral reducidas.
El solicitante no tiene un entendimiento
totalmente claro en esta fase del mecanismo o mecanismos que
permiten que se consiga la aglomeración controlada del material
metalífero citado en el último punto anterior. Sin embargo, sin
pretender ligarse a los siguientes comentarios, en un proyecto de
investigación el solicitante observó que los aglomerados que se
forman comprenden partículas menores, de forma particular finos que
se adhieren unos con otros y en partículas mayores. El solicitante
especula que las condiciones en la sección superior del recipiente
son tales que (a) partículas de mineral de hierro de tamaño
micrométrico, parcial y completamente reducidas, es decir,
metalizadas, reaccionan con oxígeno y generan calor y las partículas
oxidadas resultantes se vuelven pegajosas (b) las partículas de
carbón finas reaccionan con oxígeno y se oxidan y la ceniza
resultante se vuelve pegajosa; y (c) las partículas de mineral de
hierro finas se vuelven pegajosas como consecuencia de ser
tratadas. El solicitante especula también que estas partículas
menores pegajosas se adhieren a partículas mayores que tienen una
mayor capacidad de disipar calor, con el resultado beneficioso
general de haber una reducción en la proporción de partículas
menores en el recipiente que se pueden adherir a superficies del
aparato y ser llevadas desde el recipiente a una corriente de
gas
residual.
residual.
El aparato mostrado en la figura 2 es
sustancialmente idéntico al mostrado en la figura 1 y se usan las
mismas referencias numéricas para describir los mismos
elementos.
La diferencia principal entre las dos
disposiciones es que el aparato mostrado en la figura 2 no tiene una
lanza de inyección de oxígeno en el segundo recipiente 5.
Las razones para omitir la lanza de oxígeno en
el segundo recipiente 5 podrían ser que (a) se puede conseguir
suficiente aglomeración controlada únicamente mediante inyección de
oxígeno al primer recipiente 3 o (b) el mineral de hierro de
alimentación no contiene una gran cantidad de partículas
ultrafinas.
Se pueden realizar muchas modificaciones en las
realizaciones de la presente invención mostradas en las figuras 1 y
2 sin apartarse del espíritu y alcance de la invención.
A título de ejemplo, aunque el primer recipiente
3 de cada una de las realizaciones comprende una lanza 45 que tiene
una punta de lanza 47 que se extiende hacia abajo que inyecta
oxígeno hacia abajo en contracorriente con un flujo ascendente de
sólidos y gas de fluidización, la presente invención no se limita a
esto y se extiende a otras disposiciones. De forma específica la
presente invención no se limita a inyectar oxígeno hacia abajo por
una o más de una lanza 45 que tiene una punta de lanza 47 que se
extiende hacia abajo.
Además, la presente invención no se limita a
flujos en contracorriente de oxígeno y sólidos y gas de
fluidización.
Claims (47)
1. Un procedimiento de reducción directa para un
material metalífero que comprende:
suministrar un material carbonáceo sólido (43) y
un gas que contiene oxígeno (45) a un lecho fluidizado en un primer
recipiente (3) y generar calor mediante reacciones entre el gas que
contiene oxígeno y el material carbonáceo sólido y cualquier otro
sólido y gases oxidables en el lecho fluidizado y descargar una
corriente de gas residual caliente que contiene sólidos
arrastrados; y
suministrar el material metalífero (29) a un
lecho fluidizado en un segundo recipiente (5) y suministrar el gas
residual caliente que contiene sólidos arrastrados (7) del primer
recipiente (3) al lecho fluidizado en el segundo recipiente (5) y
al menos reducción parcial del material de alimentación metalífero
en el estado sólido en el lecho fluidizado y descargar una
corriente de producto de material metalífero (9) al menos
parcialmente reducido y una corriente de gas residual que contiene
sólidos arrastrados (61).
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque se generan
temperaturas en el primer recipiente que son mayores que las
temperaturas de operación en el segundo recipiente.
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se opera el primer
recipiente a temperaturas superiores a 1000ºC.
4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
opera el segundo recipiente a temperatura inferior a 1000ºC.
5. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
suministra el gas que contiene oxígeno al primer recipiente de modo
que hay un flujo descendente del gas en el primer recipiente.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
introducción del gas que contiene oxígeno al segundo recipiente se
lleva a cabo en condiciones controladas tales que tiene lugar una
aglomeración deseable de partículas de mineral reducido menores con
otras partículas de material de alimentación para formar mayores
partículas de mineral reducido.
7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
suministra un gas que contiene oxígeno al segundo recipiente,
preferiblemente de modo que haya un flujo descendente del gas en el
segundo recipiente.
8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
inyecta el gas que contiene oxígeno en el primer recipiente y/o en
el segundo recipiente mediante al menos una lanza que tiene una
punta de lanza con una salida posicionada en el recipiente hacia
dentro de la pared lateral del recipiente en una región central del
recipiente.
9. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8, caracterizado porque la punta de la lanza
está dirigida hacia abajo, preferiblemente verticalmente hacia
abajo.
10. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8 ó 9, caracterizado porque la posición de la
lanza y, de forma más particular, la altura de la salida de la
punta de la lanza, están determinadas en referencia a factores
tales como la velocidad de inyección de gas que contiene oxígeno, la
presión del recipiente, la selección y cantidades de los otros
materiales de alimentación en el recipiente, y la densidad del lecho
fluidizado.
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por el
enfriamiento con agua de la punta de la lanza.
12. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado por el
enfriamiento con agua de una superficie exterior de la punta de la
lanza.
13. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado por la inyección
del gas que contiene oxígeno a través del conducto central de la
lanza.
14. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 13, caracterizado por la inyección
del gas que contiene oxígeno con velocidad suficiente para formar
una zona sustancialmente libre de sólidos en la región de la punta
de la lanza para reducir la posibilidad de acumulaciones que se
forman sobre la punta de la lanza que podrían bloquear la inyección
del gas que contiene oxígeno.
15. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado por la
inyección de nitrógeno y/o vapor y/o otro gas de apantallamiento
adecuado y apantallamiento de un extremo inferior del conducto
central.
16. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
suministra el material metalífero y la corriente de gas residual
caliente que contiene sólidos arrastrados del primer recipiente al
lecho fluidizado en el segundo recipiente.
17. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
controla que la diferencia de temperatura entre la temperatura
aparente en el lecho fluidizado en el segundo recipiente y la
temperatura media de la superficie que da hacia el interior de una
pared lateral del segundo recipiente no sea mayor de 100ºC,
preferiblemente no más de 50ºC.
18. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes en el que el material metalífero
está en la forma de finos de mineral de hierro, caracterizado
porque la temperatura aparente en el lecho fliudizado en el lecho
fluidizado en el segundo recipiente está en el intervalo de 850ºC a
1000ºC, preferiblemente al menos 900ºC, y más preferiblemente al
menos 950ºC.
19. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
controla que la variación de temperatura dentro del lecho
fluidizado en el segundo recipiente sea inferior a 50ºC.
20. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
controla que la presión en al menos el segundo recipiente esté en
el intervalo de 100 a 1000 kPa absolutos y más preferiblemente de
400 a 800 kPa absolutos.
21. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes en el que el material metalífero
está en la forma de finos de mineral de hierro, caracterizado
porque los finos se tamizan a menos de 6 mm.
22. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
finos tienen un tamaño de partícula medio en el intervalo de 0,1 a
0,8 mm.
23. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
material carbonáceo sólido es carbón, preferiblemente carbón de
contenido en volátiles medio-alto triturado a menos
de 6 mm.
24. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas
de fluidización comprende un gas no oxidante.
25. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas
de fluidización en el segundo recipiente comprende un gas reductor,
tal como CO y H_{2}.
26. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 25, caracterizado porque se selecciona la
cantidad de H_{2} en el gas de fluidización en el segundo
recipiente para ser al menos 10% en volumen del volumen total de CO
y H_{2} en el gas.
27. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
separa el material de alimentación metalífero al menos parcialmente
reducido y al menos una parte de otros sólidos de la corriente de
producto del segundo recipiente.
28. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 27, caracterizado porque se devuelve al menos
una parte de los otros sólidos separados de la corriente de
producto al primer recipiente y/o al segundo recipiente.
29. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
separa al menos una parte de los sólidos de la corriente de gas
residual del segundo recipiente.
30. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 29, caracterizado porque se suministra los
sólidos separados de la corriente de gas residual de salida al
primer recipiente.
31. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
precalienta material de alimentación metalífero con el gas residual
del segundo recipiente.
32. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 31, caracterizado porque se trata el gas
residual después de la etapa de precalentamiento y se devuelve al
menos una parte del gas residual tratado al primer recipiente y/o
al segundo recipiente como gas de fluidización.
33. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 32, caracterizado porque el tratamiento de gas
residual comprende uno o más de (a) eliminación de sólidos, (b)
enfriamiento, (c) eliminación de H_{2}O, (d) eliminación de
CO_{2}, (e) compresión y (f) recalentamiento.
34. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 32 ó 33, caracterizado porque el tratamiento
del gas residual comprende devolver al menos de una parte de los
sólidos separados al primer recipiente y/o al segundo
recipiente.
\newpage
35. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el gas
que contiene oxígeno comprende al menos 90% en volumen de
oxígeno.
36. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un
proceso de fusión adicional para fusión y reducción adicional del
material metalífero parcialmente reducido en metal fundido.
37. Un aparato de reducción directa para un
material metalífero que comprende:
(a) un primer recipiente (3) para generar una
corriente de gas residual caliente que contiene sólidos arrastrados
(7), comprendiendo el primer recipiente un medio de entrada para
suministrar un material carbonáceo sólido, un gas de fluidización,
y un gas que contiene oxígeno (45) al primer recipiente y mantener
un lecho fluidizado en el recipiente y producir la corriente de gas
residual caliente que contiene sólidos arrastrados (61), y un medio
de salida para descargar la corriente de gas residual caliente que
contiene sólidos arrastrados del recipiente; y (b) un segundo
recipiente (5) para reducir al menos parcialmente material
metalífero en un estado sólido en un lecho fluidizado en el segundo
recipiente, comprendiendo el segundo recipiente un medio de entrada
para suministrar el material metalífero, conteniendo la corriente de
gas residual caliente sólidos arrastrados del primer recipiente, y
un gas de fluidización en el segundo recipiente y mantenimiento del
lecho fluidizado en el recipiente, un medio de salida para
descargar una corriente predominantemente de sólidos de material de
alimentación metalífero al menos parcialmente reducido del segundo
recipiente, y un medio de salida para descargar una corriente de un
gas residual y sólidos arrastrados del segundo recipiente.
38. Aparato de acuerdo con la reivindicación 37,
caracterizado porque el primer recipiente comprende medios
de entrada separados para suministrar material carbonáceo sólido, el
gas de fluidización, y el gas que contiene oxígeno al primer
recipiente.
39. Aparato de acuerdo con la reivindicación 38,
caracterizado porque los medios de entrada para suministrar
gas que contiene oxígeno al primer recipiente comprende una lanza
que tiene una punta de lanza con una salida posicionada en el
recipiente hacia dentro de la pared lateral del recipiente en una
región central del recipiente.
40. Aparato de acuerdo con la reivindicación 39,
caracterizado la punta de la lanza está dirigida hacia abajo
en una región central del recipiente para inyección del gas que
contiene oxígeno en un flujo descendente.
41. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 37 a 40, caracterizado porque el segundo
recipiente comprende medios de entrada separados para suministro de
material de alimentación metalífero, la corriente de gas residual
caliente que contiene sólidos arrastrados del primer recipiente, y
el gas de fluidización al segundo recipiente.
42. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 37 a 41, caracterizado porque el segundo
recipiente comprende un medio de entrada para suministro del gas
que contiene oxígeno al segundo recipiente.
43. Aparato de acuerdo con la reivindicación 42,
caracterizado porque los medios de entrada para suministro
del gas que contiene oxígeno al segundo recipiente comprende una
lanza que tiene una punta de lanza con una salida posicionada en el
recipiente hacia dentro de la pared lateral del recipiente en una
región central del recipiente.
44. Aparato de acuerdo con al reivindicación 43,
caracterizado porque la punta de la lanza está dirigida hacia
abajo en una región central del segundo recipiente para inyección
del gas que contiene oxígeno en un flujo descendente.
45. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 37 a 44, caracterizado por un medio para la
separación de sólidos arrastrados de la corriente de gas residual
del segundo recipiente.
46. Aparato de acuerdo con la reivindicación 45,
caracterizado porque el primer recipiente comprende además
un medio de entrada para suministro de sólidos separados del medio
de separación de gas residual al primer recipiente.
47. Aparato de acuerdo con la reivindicación 45
ó 46, caracterizado por un medio para procesamiento de la
corriente de gas residual del segundo recipiente y producción de al
menos parte del gas de fluidización para el primer recipiente y/o
el segundo recipiente.
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