ES3033551T3

ES3033551T3 - Direct reduction process utilizing hydrogen

Info

Publication number: ES3033551T3
Application number: ES20797244T
Authority: ES
Inventors: Keith Marshall Bastow-Cox; Enrique Jose Cintron; Gregory Darel Hughes
Original assignee: Midrex Technologies Inc
Current assignee: Midrex Technologies Inc
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2025-08-05
Anticipated expiration: 2040-09-24
Also published as: MY207754A; PL4034682T3; AR120100A1; EP4034682B1; CA3151730A1; WO2021061896A1; US20210095354A1; BR112022005716A2; CA3151730C; MX2022003488A; CN114423875A; EP4034682A1; EP4034682C0; US11952638B2; UA127675C2

Abstract

Un método/sistema de reducción directa que incluye: añadir cantidades variables de gas natural, hidrógeno y un gas oxidante libre de carbono a una corriente de gas de alimentación aguas arriba de un reformador; reformar la corriente de gas de alimentación en el reformador para formar una corriente de gas reformado, y suministrar esta corriente a un horno de cuba, donde se utiliza para reducir un mineral metálico a un material metálico de reducción directa. La corriente de gas de alimentación incluye una corriente de gas de cabeza reciclada del horno de cuba. Opcionalmente, el gas oxidante libre de carbono incluye vapor, y el método incluye además controlar el caudal de vapor para mantener un valor máximo del factor k de la corriente de gas de alimentación de 0,74 o inferior. Opcionalmente, la cantidad variable de hidrógeno se selecciona para reemplazar entre el 20 % y el 90 % del gas natural por valor de combustible. La cantidad variable de hidrógeno se selecciona en función del suministro de hidrógeno disponible. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso de reducción directa que utiliza hidrógeno

CAMPO TÉCNICO

La presente divulgación se refiere de manera general a los campos de la reducción directa (DR) y la fabricación de acero. Más particularmente, la presente divulgación se refiere a un método y un sistema para convertir un proceso de DR, como un proceso MIDREX o similar, que utiliza gas natural en un proceso de DR que utiliza una mezcla variable de gas natural (NG) e hidrógeno (H2), lo que da como resultado hierro de reducción directa (DRI) que tiene un contenido reducido de carbono y menores emisiones totales de dióxido de carbono (CO2).

ANTECEDENTES

El proceso actual MIDREX NG y otros procesos similares utilizan un reformador altamente optimizado para generar gas de síntesis a partir de NG para la reducción de mineral de hierro. Estos procesos emiten una gran cantidad de CO2 debido a la presencia de carbono en el NG. Se están realizando esfuerzos específicos para descarbonizar partes de la industria siderúrgica, ya que las diferentes regiones tratan de reducir sus emisiones de CO22. Uno de tales esfuerzos consiste en sustituir la alimentación de NG por H2. Aunque existen otros métodos y sistemas para hacer esto, la mayoría requiere una sustitución total por adelantado tanto de la fuente de gas reductor como del equipo. Esto pone límites considerables a la adopción del H2 como fuente de gas reductor, ya que el H2 todavía no es económicamente viable y existen incertidumbres significativas en cuanto a los plazos y el crecimiento del suministro de H2. Un desafío clave es que el suministro de H2 puede estar sujeto a las fluctuaciones de las fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica. En estas condiciones, los diagramas de flujo estándar de las plantas MIDREX y similares son incapaces de funcionar con H2 sin afectar drásticamente a la calidad del DRI, limitar la vida útil del reformador y degradar la estabilidad del catalizador. Por tanto, los problemas a resolver incluyen: el funcionamiento de una planta convencional de DR NG con un suministro intermitente de H2; la transición eficaz de las plantas existentes de DR NG a la reducción basada en H2; y la protección de los equipos durante dichas transiciones. Ejemplos de procesos y aparatos de reducción directa de los presentados son los documentos WO 2013/093640 A2, US 2013/205951 A1 y WO 2014/040990 A2.

SUMARIO

La presente divulgación proporciona un método de reducción directa de acuerdo con la reivindicación 1. La corriente de gas de alimentación incluye una corriente de gas superior reciclada del horno de cuba. Opcionalmente, el método también incluye uno o más de depuración húmeda y compresión de la corriente de gas superior. Como parte de la invención, el método incluye la adición de cantidades variables de gas natural, el hidrógeno y el gas oxidante libre de carbono a la corriente de gas de alimentación en sentido ascendente del reformador y de un precalentador dispuesto en sentido ascendente del reformador. Opcionalmente, el gas oxidante libre de carbono incluye vapor. Opcionalmente, el método incluye además controlar un caudal de vapor para mantener un valor máximo de factor k de la corriente de gas de alimentación de 0,74 o menor. Opcionalmente, la cantidad variable de hidrógeno se selecciona para sustituir el 20-90% del gas natural por valor de combustible. Alternativamente, la cantidad variable de hidrógeno se selecciona para sustituir el 30-70% del gas natural por valor de combustible. La cantidad variable de hidrógeno se selecciona sobre la base del suministro de hidrógeno disponible. Opcionalmente, la cantidad variable de hidrógeno se selecciona sobre la base del suministro disponible de hidrógeno procedente de una fuente de hidrógeno renovable.

La presente divulgación proporciona un sistema de reducción directa de acuerdo con la reivindicación 10. Opcionalmente, el sistema también incluye uno o más de un depurador húmedo que puede manejarse para la depuración húmeda y un compresor que puede manejarse para comprimir la corriente de gas superior. Como parte de la invención, pueden manejarse fuentes de gas externas para añadir las cantidades variables del gas natural, el hidrógeno, y el gas oxidante libre de carbono a la corriente de gas de alimentación en sentido ascendente del reformador y un precalentador dispuesto en sentido ascendente del reformador. Opcionalmente, el gas oxidante libre de carbono incluye vapor. Opcionalmente, el sistema incluye además un controlador de flujo que puede manejarse para controlar un caudal del vapor para mantener un valor máximo del factor k de la corriente de gas de alimentación de 0,74 o menor. Opcionalmente, la cantidad variable de hidrógeno se selecciona para sustituir el 20-90% del gas natural por valor de combustible. Alternativamente, la cantidad variable de hidrógeno se selecciona para sustituir el 30-70% del gas natural por valor de combustible. La cantidad variable de hidrógeno se selecciona sobre la base del suministro de hidrógeno disponible. Opcionalmente, la cantidad variable de hidrógeno se selecciona sobre la base del suministro disponible de hidrógeno procedente de una fuente de hidrógeno renovable.

Las proporciones de hidrógeno y gas natural vienen determinadas por los requisitos totales de energía para producir DRI con una calidad de producto especificada y la disponibilidad de hidrógeno. Las calidades del producto típicas que se controlan son el porcentaje de metalización, es decir, la cantidad de hierro metálico como porcentaje en peso del hierro total, y el carbono del producto, es decir, la cantidad de carbono en el producto como porcentaje en peso. Se requiere un caudal suficiente de gas en la alimentación de entrada para garantizar que se mantiene la calidad del gas reductor y que se satisfacen los requisitos de energía en el horno para impulsar las reacciones de reducción y lograr la metalización. El porcentaje de metalización es el factor principal, ya que determina la cantidad de reductor requerido para eliminar el oxígeno del óxido de hierro. Los requisitos totales de energía del proceso, incluyendo la adición de carbono, representan el ~70% de la energía requerida. El ~30% restante corresponde principalmente a las pérdidas de calor sensible en las varas fases del proceso, como en el depurador de gases superior o en la chimenea de gases de combustión. La combinación y selección del caudal de gas natural e hidrógeno dependerá de la disponibilidad de hidrógeno, de los costes asociados a las emisiones de CO2 y del carbono del producto deseado.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO

La presente divulgación se ilustra y describe con referencia a los varios dibujos, en los que se usan números de referencia similares para denotar componentes del sistema/pasos del método similares, según corresponda, y en los que:

La FIG. 1 es un diagrama esquemático que ilustra una realización del proceso de reducción directa basado en H2 de la presente divulgación; y

La FIG. 2 es una curva de factor k para una reacción agua-carbono.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES ILUSTRATIVAS

La presente divulgación se refiere de manera general a una mejora de los procesos Midrex NG y similares para la reducción de minerales de hierro. El proceso general descrito en la presente presenta modificaciones en las plantas asociadas que permiten la variación en flujo de la fuente de gas combustible para la alimentación de gas reductor. En una realización ilustrativa, el gas H2 se alimenta al proceso indistintamente con NG, dependiendo de los cambios horarios en la disponibilidad de H2. Este proceso contrasta con otros procesos diseñados para composiciones de combustible específicas.

En referencia ahora específicamente a la FIG. 1, en una realización ilustrativa, se proporciona un diagrama de flujo del proceso de DR 110 de la presente divulgación. El óxido de hierro 11 se introduce por la parte superior del horno de cuba 120, donde se reduce a DRI a partir de reacciones con H2 y monóxido de carbono (CO). El DRI sale del horno de cuba por gravedad como DRI frío (CDRI), DRI caliente (HDRI), hierro briqueteado en caliente (HBI), etc.

50. Estos procesos son bien conocidos por los expertos en la técnica y no se describen con mayor detalle en la presente. El gas reductor gastado a baja presión 12 (también denominado gas superior), con una temperatura de aproximadamente 350°C, sale por la parte superior del horno de cuba 120 y se envía a un depurador húmedo 130 para eliminar el polvo y los finos arrastrados. Después del desempolvado, el gas superior 12 se divide en dos corrientes: gas de proceso 13 y combustible de gas superior 16. El gas de proceso 13 se recicla y se comprime en un compresor 140, a una presión de aproximadamente 2,0 bar g con una temperatura de aproximadamente 150°C. A continuación, al gas de proceso 13, se le añaden NG 14, H2 22 y vapor 21. El NG 14 tiene una temperatura de aproximadamente 25°C, el H2 22 tiene una temperatura de aproximadamente 25°C, y el vapor 21 tiene una temperatura de aproximadamente 300°C. Este gas de alimentación 15 se precalienta a una temperatura de aproximadamente 560°C en una unidad de recuperación de calor 150 y el gas de alimentación precalentado 17 se envía al reformador 160. El gas reformado 19, con una presión de aproximadamente 1,8 bar g y una temperatura de aproximadamente 950°C, se envía al horno de cuba 120. El combustible de gas superior 16 se usa como combustible de quemador 18 para el reformador 160 u opcionalmente para la caldera de vapor 170. En esta realización ilustrativa, los gases externos 14, 22 y 21 se añaden al gas de alimentación 15 y se mezclan en el gas de alimentación 15 en sentido ascendente de la unidad de recuperación de calor 150, pero también pueden alimentarse a la corriente de gas de alimentación precalentado 17 en sentido descendente de la unidad de recuperación de calor 150 y en sentido ascendente del reformador 160. El flujo de vapor 21 se controla basándose en la química de entrada de la corriente de gas de alimentación precalentado 17 en la entrada del reformador 160 y se ajusta dependiendo de la disponibilidad de H222.

En este caso, la química preferida de la corriente de gas de alimentación precalentado 17 en la entrada del reformador 160 es una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, agua y gas natural, con una temperatura de aproximadamente 450-600°C y una presión de aproximadamente 1,6-1,9 bar g. La química preferida del gas reformado 19 a la salida del reformador 160 es predominantemente hidrógeno y monóxido de carbono, con una calidad de gas > 10, una temperatura de aproximadamente 850 - 1000°C y una presión de aproximadamente 1,7 - 2,0 bar g. La cantidad de NG 14 añadida al gas de alimentación 15 se basa en los requisitos totales de energía para producir DRI a la velocidad y con la calidad de producción especificadas. De igual manera, la cantidad de H2 22 añadida al gas de alimentación 15 se basa en la disponibilidad de la fuente de hidrógeno y en los requisitos de energía para producir DRI a la velocidad y con la calidad de producción especificadas. De igual manera, la cantidad de vapor 21 añadida al gas de alimentación 15 se basa en los requisitos de la química para evitar la degradación del carbono en la entrada del reformador. Estas adiciones de gases externos 14, 22 y 21 son variables y pueden fluctuar sobre la base de las preferencias químicas y de la disponibilidad de H2 22 en general. La composición de la mezcla de alimentación de gas natural 14 e hidrógeno 22 viene determinada por los requisitos de energía totales del proceso de reducción y, en menor medida, por los flujos necesarios para adaptar el carbono del producto. Para el proceso convencional a base de gas natural, la energía necesaria es de aproximadamente 2,5 Gcal netas por tonelada de producto. Para variaciones pequeñas de entrada de hidrógeno, un mol de hidrógeno sustituye aproximadamente a 0,3 moles de gas natural debido a sus diferentes valores caloríficos netos de 2500 kcal / Nm3 para el hidrógeno y 8500 kcal / Nm3 para el gas natural. Sin embargo, a medida que aumenta el aporte de hidrógeno en todo el intervalo sustitución, ya no es necesaria energía para el reformado del gas natural y el requisito total se aproxima a aproximadamente 1,8 Gcal netas por tonelada de producto con sustitución completa. Por ejemplo, un flujo de 440 Nm3 de hidrógeno por tonelada de producto es capaz de suministrar ~50% del nuevo requisito de energía total para producir una tonelada de DRI. El ~50% restante de la energía es suministrada por el gas natural a razón de ~140 Nm3 de gas natural por tonelada de producto. Pueden seleccionarse otras proporciones mediante medios similares dependiendo de la disponibilidad horaria de hidrógeno. Además de los requisitos energéticos de reducción, hay algunos subsistemas que usan gas natural. El más importante es el gas natural añadido para lograr el carbono de producto deseado. Un subsistema de ejemplo es la adición de gas natural en la zona de transición, es decir, el gas natural que se añade directamente al horno de cuba por debajo de la cámara de acumulación. El caudal de gas natural de la zona de transición puede variar en gran medida, de 10 - 60 Nm3 de gas natural por tonelada de producto dependiendo del carbono del producto deseado, las características de carburización del material de alimentación sólido y el funcionamiento del horno. Para mantener el carbono de producto deseado, se requiere un intervalo similar de gas natural incluso cuando se añade hidrógeno al proceso. Como el depósito de carbono depende de las concentraciones de metano y CO, en algunos casos la alimentación de gas natural puede aumentar en estos sistemas para mantener el mismo carbono del producto. En general, este efecto se produce típicamente en las tasas de sustitución de gas natural más elevadas. La eficacia de la recuperación de calor también influye en la energía total requerida y, por tanto, influye en la selección de la mezcla de gas de alimentación. En general, debido al equipo fijo in situ, la eficiencia de la recuperación de calor cambia a medida que una mayor adición de hidrógeno sustituye a la alimentación de gas natural. El impacto de la adición de hidrógeno al proceso MIDREX NG convencional se analiza con detalle más adelante en la divulgación del método.

El proceso de la presente divulgación tiene ventajas clave sobre los procesos de reducción convencionales. El proceso de NG convencional requiere un control estricto del flujo y la composición de la alimentación. Los cambios bruscos pueden tener efectos nefastos en la planta: aglomeración en el horno de cuba, degradación de los tubos del reformador, etc. El más significativo de estos es la desactivación catastrófica del catalizador que se produce cuando se deposita el carbono en el catalizador y lo rompe físicamente.

En la presente divulgación, la introducción controlada de vapor de agua en el gas de alimentación mitiga los efectos anteriores a la vez que minimiza la alteración de la calidad del producto de hierro. Esto, en efecto, permite que se usen simultáneamente múltiples fuentes de gas de alimentación reductoras variables, por ejemplo NG y H2, cuando la disponibilidad no es constante para uno o ambos. Los efectos positivos de esto incluyen ayudar a las tecnologías existentes de reducción basadas en NG a realizar la utilización de H2 de fuentes renovables como método para reducir las emisiones de CO2. La presente divulgación puede usarse en diferentes escenarios, como: fuentes de H2 que tienen tasas de producción variables, como la generación de H2 basada en energía solar o eólica; o la implementación escalonada de una producción fija de H2, como la electrólisis. Esto permite una flexibilidad en la fuente de combustible que pueden usar las plantas existentes basadas en NG; específicamente, el H2 procedente de fuentes verdes cuyo suministro variará en función de los cambios diarios, como la solar o la eólica.

En los procesos de reducción de hierro basados en NG, el NG se reformará generalmente en gas de síntesis, que reaccionará a su vez con óxido de hierro para producir DRI. Las reacciones básicas de reformado del metano son:

CH4+H2O^CO+3H2 (1)

CH4+CO2^2CO+2H2 (2)

En principio, esto significa que el H2 puede sustituir directamente al NG en el gas de alimentación del proceso. Sin embargo, hay que tener en cuenta la afinidad por el depósitos de carbono en el reformador. Los gases con mayor contenido de carbono pueden dar lugar a más posibilidades de depósitos, pero esto por sí solo no es suficiente para determinar la formación de carbono. De las diferentes reacciones del carbono, las siguientes son las más relevantes a tener en cuenta:

2CO^C(s)+CO2 (3) CO+H2^C(s)+H2O (4)

Debido a la ecuación (4), la presencia de H2 o CO aumenta la favorabilidad del carbono. El agua, por otro lado, evita la formación de carbono. El CO2 tiende a tener poco efecto sobre el cambio de favorabilidad del carbono porque reacciona con el metano para producir CO, anulando de este modo su respuesta como oxidante. La constante de equilibrio, definida por la actividad, para la ecuación (4) es:

A partir de la experiencia comercial, MIDREX ha desarrollado una versión simplificada de la constante de equilibrio definida en la ecuación (6). Esta ecuación, denominada factor k, se define de la siguiente manera, donde xi es la fracción molar respectiva del gas i en la composición del gas y excluye los términos de presión del sistema:

factor k =X c ° XH?(6)

X h 20

Esta ecuación ayuda a determinar la probabilidad de depósitos de carbono. En general, gracias a la experiencia comercial y a la investigación, las plantas han podido funcionar con factores k de alrededor de 0,5, siendo el máximo teórico 0,74.

Para la tecnología convencional, la entrada del reformador funciona dentro de la región donde se favorecen termodinámicamente los depósitos de carbono. Este método de funcionamiento requiere un control preciso de la temperatura y la composición del gas de entrada para evitar que se produzcan depósitos de carbono. El catalizador se somete a un proceso de pasivación del azufre para disminuir su actividad en la entrada del tubo, donde las reacciones del carbono se ven muy favorecidas debido a la temperatura más baja. La menor actividad permite que el gas de alimentación permanezca fuera de equilibrio hasta que el gas se haya calentado lo suficiente como para dejar de favorecer los depósitos de carbono. Como el sistema está fuera de equilibrio, para el funcionamiento seguro del reformador cada reacción del carbono debe evaluarse por separado. Según la experiencia comercial, la ecuación (4) es la más restrictiva. Como ya se ha mencionado anteriormente, y como se ilustra en la FIG. 2, el reformador MIDREX funciona con un factor k de 0,5 (línea discontinua) para el diagrama de flujo basado en NG. La región de depósito de carbono se ve favorecida por el equilibrio en la región <650°C de la FIG. 2, que es una región de temperatura típica de los precalentamientos del gas de alimentación.

La combinación de estos factores significa que se debe tener especial consideración cuando se añade H2 con sustitución parcial de NG. La adición de H2 externo empuja aún más la reacción hacia la formación de depósitos de carbono. La única manera de contrarrestar esto es con un mayor contenido de agua en la entrada del reformador.

En el proceso convencional, el contenido de agua se determina por la condición de saturación en el depurador de gases de proceso. Allí, el agua de proceso se utiliza para desempolvar, enfriar y condensar el exceso de agua del gas superior. Debido a las limitaciones del sistema, la temperatura de funcionamiento se encuentra típicamente en el intervalo de 55-65°C. Esto limita la cantidad de agua presente en el gas de proceso, lo que a su vez limita la cantidad de H2 que puede añadirse y alcanzar factores k de menos de 0,7. Para funcionar con seguridad en todos los intervalos de adición de H2, es necesario añadir más agua de la que puede conseguirse con las condiciones de funcionamiento del depurador convencional. Por tanto, el diagrama de flujo convencional de MIDREX NG puede manejar un máximo de 200 Nm3 de H2 por tonelada de DRI producida en el circuito del proceso sin efectos adversos en el reformador. Esto representa sólo una sustitución de aproximadamente el 20% de NG por valor de combustible en el proceso tradicional. La tecnología convencional también puede funcionar en el lado rico de H2, sustituyendo 550 - 650 Nm3 de H2 por tonelada de DRI, o aproximadamente el 70% del NG por H2 por valor de combustible. Sin embargo, esto sólo puede hacerse después de una larga parada para modificar el equipo existente. El 30% restante del combustible de la planta se usa para alimentar los quemadores del reformador, pero este combustible es difícil de sustituir. Los quemadores usados en el horno son sensibles al peso molecular del gas y difíciles de reducir, limitando la flexibilidad del combustible en este ámbito.

En una realización ilustrativa de la presente divulgación, el sistema de generación de vapor añade corriente directamente al gas de proceso. Esta adición de vapor permite mantener directamente la composición de agua del gas de alimentación, independientemente de los requisitos de eliminación de polvo del depurador de gas superior. Con esta inclusión, la presente divulgación puede cambiar libremente entre adición baja, media y alta de H2 dependiendo de la disponibilidad de un suministro externo, a diferencia del proceso convencional. Esto se ilustra en la FIG. 1, con el sistema de generación de vapor. Los requisitos de vapor son vapor a baja presión, 5 bar g, con una temperatura de >160°C. Si se dispone de fuentes externas de dicho vapor, no es necesario el sistema de generación de vapor. La ubicación en la FIG. 1 es la ubicación preferida para la adición de vapor; en sentido descendente del compresor de gas de proceso y en sentido ascendente del reformador, pero siempre que el vapor se añada en sentido ascendente del reformador y se consiga una buena mezcla, entonces la adición es aceptable. La adición de vapor permite que esta realización proporcione suficiente agua para crear un valor estable para el factor k incluso con adiciones de hidrógeno superiores a 200 Nm3 de hidrógeno por tonelada de producto. Además, la acción de control de las válvulas de vapor permite un control rápido y preciso del contenido de agua para aprovechar al máximo los cambios en la disponibilidad de H2 a lo largo del día.

La presente divulgación requiere cambios adicionales en el diseño de los equipos y en los requisitos de control. Específicamente, el compresor de gas de proceso y la unidad de recuperación de calor se ven afectados en gran medida. Las soluciones a estos problemas ya existen en la técnica y merece la pena mencionarlas aquí. A medida que se añade H2, las reacciones de reducción se vuelven más endotérmicas. Con un requisito de energía fijo para lograr la misma calidad de DRI (metalización, carbono, etc.), las reacciones endotérmicas del H2 en el horno requieren más calor sensible del que normalmente proporcionaría el calor de reacción debido a las reacciones de reducción del CO. Esto significa que es necesario que aumente el caudal de gas reductor a medida que se añade H2, ya que la temperatura del gas reductor está limitada por lo que el material sólido (DRI) puede soportar (normalmente <900°C es la temperatura máxima del lecho que puede lograrse antes de que la formación de grumos se convierta en un problema). Esto, a su vez, significa que el compresor de gas de proceso deberá gestionar el mayor caudal de gas reductor, así como los cambios en el peso molecular del gas de proceso a medida que se añade H2 al diagrama de flujo. Además, también es necesario considerar la gran variación entre pesos moleculares, especialmente para el funcionamiento de compresores de tipo centrífugo. El vapor añadido en sentido descendente del compresor de gas de avance descargaría los requisitos totales de flujo de gas de la unidad.

La recuperación de calor de la planta se ve afectada debido a los gases de combustión disminuidos del reformador. El principal impulsor de este efecto es que, a medida que se añade hidrógeno externo, se requiere menos reformado. El resultado neto es que el caudal de gas combustible (combustible de gas superior de postcombustión y gas natural del quemador) disminuye a medida que se añade hidrógeno. Esto tiene un gran impacto sobre la cantidad de calor residual recuperable que puede recuperar la unidad de recuperación de calor. La unidad de recuperación de calor es una serie de intercambiadores de calor tubulares, cada uno con coeficientes y áreas de transferencia de calor fijos. A medida que disminuye el caudal de gases de combustión, también disminuye la cantidad de calor residual recuperable, por lo que, debido a la geometría fija de transferencia de calor, también disminuyen los precalentamientos de las distintas corrientes de proceso, como el gas de alimentación. Una consideración importante en el proceso MIDREX NG convencional y en el diseño de la recuperación de calor es mantener una temperatura de chimenea de los gases de combustión de >180°C, idealmente por encima de 250°C, para proteger los equipos en sentido descendente, como los ventiladores calientes, de los efectos perjudiciales de los gases ácidos, como el H2SO4, que pueden desarrollarse a estas temperaturas más bajas. Esta consideración sigue siendo necesaria, ya que el H2 se añade al diagrama de flujo porque el azufre se elimina del producto sólido en el proceso de reducción, por lo que estas reacciones de gases ácidos pueden seguir produciéndose. La solución al cambio de fuente de combustible para el equipo de recuperación de calor incluye la derivación individual del haz o el aire de dilución para mantener las temperaturas adecuadas del haz y de la chimenea.

El periodo de transición entre la reducción basada en NG y la reducción basada en H2 requiere consideraciones únicas si las instalaciones existentes quieren aprovechar la reducción de emisiones de CO2 mediante H2 externo. La realización actual tiene en cuenta este tipo de limitaciones de procesos y equipos para utilizar completamente la adición de H2 en una planta convencional de MIDREX NG o similar. La presente divulgación permite que el diagrama de flujo de MIDREX NG convencional o similar funcione con una disponibilidad de hidrógeno intermitente, con la posibilidad de convertirlo en capacidades completas de reducción basadas en H2.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de reducción directa, que comprende:

añadir, a través de corrientes separadas, cantidades variables de gas natural (14), hidrógeno (22) y un gas oxidante libre de carbono (21) a una corriente de gas de alimentación en sentido ascendente de un reformador (160) y un precalentamiento (150) dispuesto en sentido ascendente del reformador;

reformar la corriente de gas de alimentación en el reformador para formar una corriente de gas reformado, y suministrar la corriente de gas reformado a un horno de cuba (120),

donde la corriente de gas reformado se usa para reducir un material mineral metálico (11) a una materia metálica reducida directa (50)

2. El método de reducción directa de la reivindicación 1, en donde la corriente de gas de alimentación comprende una corriente de gas superior reciclada del horno de cuba.

3. El método de reducción directa de la reivindicación 2, que comprende además uno o más de depuración húmeda y compresión de la corriente de gas superior.

4. El método de reducción directa de la reivindicación 1, en donde el gas oxidante libre de carbono comprende vapor.

5. El método de reducción directa de la reivindicación 4, que comprende además mantener un caudal de vapor del vapor a un valor máximo del factor k de la corriente de gas de alimentación de 0,74 o menor.

6. El método de reducción directa de la reivindicación 1, en donde la cantidad variable de hidrógeno se selecciona para sustituir el 20-90% del gas natural por valor de combustible.

7. El método de reducción directa de la reivindicación 1, en donde la cantidad variable de hidrógeno se selecciona para sustituir el 30-70% del gas natural por valor de combustible.

8. El método de reducción directa de la reivindicación 1, en donde la cantidad variable de hidrógeno se selecciona sobre la base de un suministro disponible de hidrógeno.

9. El método de reducción directa de la reivindicación 8, en donde la cantidad variable de hidrógeno se selecciona sobre la base del suministro disponible de hidrógeno procedente de una fuente de hidrógeno renovable.

10. Un sistema de reducción directa (110), que comprende:

fuentes externas de gas que pueden manejarse para añadir en corrientes separadas cantidades variables de gas natural (14), hidrógeno (22) y un gas oxidante libre den carbono (21) a una corriente de gas de alimentación (15) en sentido ascendente de un reformador (160) que puede usarse para reformar la corriente de gas de alimentación para formar una corriente de gas reformado (19), y

un precalentador (150) dispuesto en sentido ascendente del reformador, y

un horno de cuba (120) que puede usarse para recibir la corriente de gas reformado (19) y usar la corriente de gas reformado para reducir un material mineral metálico (11) a un material metálico reducido directo (50).

11. El sistema de reducción directa de la reivindicación 10, que comprende además un controlador de flujo que puede usarse para controlar un caudal de gas oxidante libre de carbono del gas oxidante libre de carbono para mantener un valor máximo del factor k de la corriente de gas de alimentación de 0,74 o menos.

12. El método de reducción directa de la reivindicación 1, en donde el hidrógeno se alimenta indistintamente con el gas natural al método dependiendo de los cambios horarios en la disponibilidad de hidrógeno.