ES3045795T3 - Induction heating of dri - Google Patents

Abstract

1. La invención se refiere a un proceso para la fabricación de hierro briqueteado en caliente (HBI) a partir de hierro de reducción directa (DRI), en el que el mineral de hierro se reduce directamente en un reactor mediante un gas reductor compuesto por gas natural, hidrógeno o monóxido de carbono a temperaturas elevadas, y el hierro de reducción directa se descarga en al menos un dispositivo de briquetado, donde se prensan las briquetas a partir del hierro de reducción directa, caracterizado porque el hierro de reducción directa, después de salir del reactor y antes del briquetado, se calienta a una temperatura de briquetado objetivo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Calentamiento por inducción del DRI

[0003] Debido a problemas ambientales y especialmente debido a la liberación de dióxido de carbono en los procesos de fabricación de acero convencionales, evitar la liberación de dióxido de carbono se vuelve cada vez más interesante para la industria del acero.

[0004] Un enfoque radica en la producción del llamado hierro de reducción directa(Direct Reduced Iron,DRI). Este hierro de reducción directa se produce a partir de la reducción directa de un mineral de hierro por un gas reductor o carbono elemental producido a partir de gas natural o carbón. La reducción directa del hierro es un proceso de estado sólido que funciona por debajo del punto de fusión del hierro. Un ejemplo es una reducción directa de un mineral de hierro en presencia de un gas reductor, el llamado Syngas, que es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. Esto tiene lugar a temperaturas de 800 - 1200 °C.

[0005] Estos procesos de producción directa pueden dividirse en procesos a base de gas y a base de carbón donde en ambos casos, como en la fabricación de acero convencional, el objetivo es eliminar el oxígeno contenido en diversas formas como óxido de hierro.

[0006] Además de evitar la liberación de dióxido de carbono, el proceso de reducción directa es relativamente eficiente desde el punto de vista energético. Por ejemplo, el proceso de DRI requiere significativamente menos combustible que un alto horno tradicional. A través del uso del proceso de reducción directa, es posible evitar una planta de acero integrada típica. Para el envío, manipulación y almacenamiento, el hierro de reducción directa puede llevarse a una forma briqueteada que normalmente se realiza en un proceso de alta temperatura llamado briqueteado en caliente que proporciona hierro briqueteado en caliente(Hot Briquetted Iron,HBI). Para la producción de HBI, el mineral de hierro se reduce con hidrógeno o con gas natural, que es mucho más respetuoso con el medio ambiente que el uso de coque. El proceso de reducción se lleva a cabo en una torre de reducción. La torre es el corazón de la planta. El proceso de reducción directa es bastante complejo e incluye las etapas de granular mineral de hierro o usar mineral de hierro granulado y rellenarlos en el reactor. Convertir el gas natural en un gas reductor y a continuación inyectar el gas reductor en el sistema y hacerlo circular en un sistema cerrado. El gas reductor caliente se conduce a través del mineral de hierro desde la parte inferior hasta la parte superior del horno de reducción usando un principio de contraflujo. El mineral de hierro se reduce y se produce hierro esponjoso. Después, el hierro esponjoso se prensa en briquetas en un proceso de alta temperatura que da como resultado hierro briqueteado en caliente(Hot Briquetted Iron,HBI).

[0007] Para lograr una densidad adecuada y las propiedades físicas deseadas del HBI, es importante la temperatura del material de alimentación a la prensa de briqueteado. La temperatura del material que llega a la prensa está determinada por el calor en el horno sobre ella, que está influenciado principalmente por el flujo de gas y la temperatura requerida para la reducción. La cantidad de gas natural inyectado por debajo de la zona de reducción enfría el material y añade carbono. Para aumentar la temperatura del lecho, puede inyectarse oxígeno, pero su uso está limitado por la temperatura a la que se produce la agrupación del material.

[0008] Además, el monóxido de carbono combinado con la inyección de gas natural en el fondo del horno puede usarse para limitar la caída de temperatura cuando se añade carbono, pero requiere un diagrama de flujo complejo que incluye la separación de hidrógeno a través de procedimientos tales como absorción por oscilación de presión(Pressure Swing Absorption,PSA), absorción por oscilación de vacío(Vacuum Swing Absorption,VSA) u otros procedimientos conocidos en la técnica.

[0009] Por ejemplo, la temperatura de la zona del reactor en el horno de reducción es de aproximadamente 850 °C, donde la temperatura HDRi después de la inyección de gas natural y el enfriamiento es de aproximadamente 650-680 °C. Después de la inyección de gas natural y el enfriamiento, varios canales de alimentación distribuyen el material a las máquinas de briqueteado.

[0010] La técnica anterior se ocupa de varios problemas, por ejemplo, desequilibrios de temperatura que pueden resultar en que cada máquina de briqueteado reciba material a diferentes temperaturas. La calidad de los gránulos influye en la formación de briquetas y, por lo tanto, en la calidad final del HBI. Además, la temperatura máxima del material de alimentación está relacionada con el funcionamiento del horno.

[0011] El documento US 2021/301360 A1 describe un procedimiento de calentamiento de hierro de reducción directa entre una fuente de hierro de reducción directa y un equipo de procesamiento para el hierro de reducción directa.

[0012] El documento CN 1042 346 C describe un proceso de reducción directa o calcinación de bolas de mineral carbonífero prensado en caliente.

[0013] Un objeto de la invención es producir hierro briqueteado en caliente con propiedades más uniformes y proporcionar un proceso que permita un mejor control de la temperatura del hierro producido directamente. Un objeto adicional es permitir propiedades uniformes del material antes de alimentarlo al proceso de briqueteado en caliente.

[0014] Los objetos se consiguen por medio del proceso reivindicado en la reivindicación 1.

[0015] En las reivindicaciones dependientes se reivindican características ventajosas.

[0016] Los inventores descubrieron que, debido a problemas de flujo dentro del sistema de descarga, surgen desequilibrios de temperatura que tienen un impacto en la formación de briquetas. Parte del material puede tener una temperatura muy baja, lo que causa problemas con la densidad de briqueteado y da como resultado muchas partículas finas y astillas.

[0017] Además, el reciclaje de finos calientes a las máquinas de briqueteado enfría significativamente el DRI debido a las operaciones de cribado.

[0018] Además, los inventores vieron un problema en las operaciones futuras con el uso parcial de hidrógeno de que el carbono formado en la propia zona de reducción disminuirá sustancialmente debido a las condiciones termodinámicas. Esto, en combinación con las reacciones de reducción endotérmica que enfrían los lechos, delimita la cantidad de carbono que puede añadirse al producto, ya que la cantidad máxima de carbono que puede añadirse a través de la inyección de gas natural en la zona inferior del horno está limitada por la temperatura requerida para la formación de briquetas. Una pequeña cantidad de carbono en el producto es importante para la operación de EAF aguas abajo para asegurar una escoria espumante y, por lo tanto, se desea tener un contenido de carbono residual en el producto, especialmente cuando se usa un gas de reducción que contiene hidrógeno.

[0019] Además, los inventores tuvieron en cuenta que no hay forma de controlar de manera independiente la temperatura del material en el reactor y la temperatura del material que va del reactor a la prensa de briqueteado. Si es necesario aumentar la temperatura del material que llega a la prensa de briqueteado, según el estado de la técnica, debe aumentarse la temperatura de todo el reactor. Sin embargo, esto aumenta el riesgo de aglomeración dentro del horno y disminuye la eficiencia energética.

[0020] Por lo tanto, los inventores descubrieron que es ventajoso aumentar la temperatura del DRI antes de que alcance la prensa de briqueteado, por lo que no requiere el ajuste de la temperatura en el reactor. Además, los inventores identificaron la necesidad de medios para equilibrar las temperaturas entre los canales de alimentación, así como medios para calentar las partículas finas recicladas antes de entrar en la prensa de briqueteado.

[0021] Para lograr lo anterior y evitar las desventajas en el estado de la técnica, los canales de alimentación y/o las partículas finas calientes se modifican de tal manera que el calentamiento por inducción de estos materiales se lleva a cabo en los canales de alimentación para controlar la temperatura antes de entrar en la prensa de briqueteado.

[0022] Debido a este control de temperatura, la temperatura DRI se desacopla de la temperatura en el reactor, lo que permite que el reactor funcione en las condiciones óptimas para la reducción directa. La temperatura del briqueteado en caliente puede elegirse independientemente con la temperatura óptima para este proceso.

[0023] La temperatura del DRI se controla y ajusta en un proceso de inducción que permite un aumento controlado de la temperatura del DRI a una temperatura objetivo independientemente del canal de alimentación específico. Por lo tanto, las prensas de briqueteado se alimentan con DRI de la misma temperatura, lo que da como resultado propiedades uniformes de las briquetas.

[0024] Se descubrió que al aumentar la temperatura del DRI en 25 °C, la aparición de chips y finos HDI puede disminuirse en varios por ciento. Esto conduce a un mayor rendimiento que proporciona un mayor valor a los clientes.

[0025] Como efecto secundario notable, se descubrió que operar a una temperatura de briqueteado más alta permite usar una mayor cantidad de minerales de menor ley que pueden volverse más importantes en el futuro. El uso de mineral de menor ley ahorra aún más costes.

[0026] Además, ser capaz de recalentar el carbono adicional de DRI puede añadirse en la zona de transición a través de gas natural y/u otros gases que contienen carbono como el biogás, compensando así tanto la pérdida de carbono en el reactor como el enfriamiento debido al uso de hidrógeno.

[0027] Se prefiere usar fuentes de energía sostenibles para el proceso de inducción, por ejemplo, energía eólica y/o solar y/o energía de celdas de combustible de óxido sólido. En períodos con poca energía sostenible, puede usarse hidrógeno almacenado para estas celdas de combustible y para la reducción directa del mineral de hierro.

[0028] [0025] En una realización, se instala un dispositivo de calentamiento por inducción alrededor de cada canal de alimentación.

[0029] En una realización ventajosa, se recomienda que el sistema o dispositivo de calentamiento por inducción para cada canal de alimentación esté diseñado para permitir un aumento de temperatura de hasta 100 °C del material DRI. Típicamente, se usa un aumento de temperatura de 20 °C del material DRI.

[0030] En una realización ventajosa adicional, el dispositivo de calentamiento por inducción para cada sistema de cada canal de alimentación está diseñado para una entrada de energía específica de entre 2 y 18 kWh/t de HBI, preferiblemente entre 2 y 8 kWh/t de HBI durante la operación convencional con minerales de mayor ley y entre 8 y 18 kWh/t de HBI cuando se opera con minerales de menor ley o en un modo híbrido de operación con hidrógeno.

[0031] En particular, la invención se refiere a un proceso para la fabricación de hierro briqueteado en caliente(Hot Briquetted Iron,HBI) a partir de hierro de reducción directa(Direct Reduced Iron,DRI), donde el mineral de hierro se reduce directamente en un reactor a través de un gas reductor que consiste en gas natural y/o hidrógeno y/o monóxido de carbono a temperaturas elevadas y descargando el hierro de reducción directa a al menos un dispositivo de briqueteado donde las briquetas se presionan a partir del hierro de reducción directa, donde el hierro de reducción directa es después de salir del reactor y antes de que el briqueteado se caliente a una temperatura de briqueteado objetivo.

[0032] Los finos después de la formación de briquetas se recuperan aguas abajo de la prensa de formación de briquetas y se calientan a una temperatura de formación de briquetas objetivo antes de reintroducirse en la prensa de formación de briquetas.

[0033] El DRI y/o los finos se calientan por calentamiento por inducción.

[0034] En una realización, el DRI y los finos se calientan por separado o se mezclan y se calientan juntos después de la mezcla.

[0035] En una realización, el calentamiento por inducción se coloca alrededor de un canal de conducto que transporta el DRI o los finos o ambos a la prensa de briqueteado.

[0036] En una realización, el DRI y/o los finos se calientan a una temperatura superior a 700 °C y preferentemente entre 700 °C y 800 °C antes de la formación de briquetas.

[0037] En una realización, se usan fuentes de energía sostenibles para el proceso de inducción y, preferentemente, se usa energía eólica o energía de celdas de combustible de óxido sólido, donde el hidrógeno usado para estas celdas de combustible proviene de la misma fuente que el hidrógeno usado para la reducción directa del mineral de hierro.

[0038] En una realización, el dispositivo de calentamiento por inducción está diseñado para una entrada de energía en el material de entre 2 a 18 kWh/t de HBI y preferentemente entre 2 a 8 kWh/t de HBI cuando se tratan materiales de mayor ley y 8 a 18 kWh/t de HBI cuando se tratan minerales de menor ley o se opera en un modo híbrido de operación con hidrógeno.

[0039] Por lo tanto, para un horno de reducción con una capacidad de 2 millones de toneladas por año y 7 patas de alimentación, se requeriría una entrada de energía nominal en el material de 75-700 kW por pata de alimentación.

[0040] En una realización, el dispositivo de calentamiento por inducción para cada canal de alimentación está diseñado para permitir un aumento de temperatura de al menos 100 °C o más del material DRI, donde preferiblemente está diseñado para un aumento de temperatura de 20-50 °C del material DRI cuando se tratan minerales de alta ley en un proceso convencional y entre 50 -100 °C cuando se tratan materiales de menor ley u operan en un modo híbrido de operación con hidrógeno.

[0041] La invención se explica a continuación a modo de ejemplos y los dibujos adjuntos, donde los dibujos muestran:

[0042] figura 1: la temperatura del canal de alimentación en grados Fahrenheit en relación con la densidad de las briquetas; figura 2: la resistencia relativa de las briquetas en relación con la temperatura;

[0043] figura 3: la temperatura decreciente del material con mayor contenido de carbono;

[0044] figura 4: una vista esquemática en un canal de alimentación modificado;

[0045] figura 5: el porcentaje de chips y finos de HBI en relación con la temperatura del canal de alimentación;

[0046] figura 6a: la densidad de la briqueta en relación con el contenido de Fe en el gránulo antes de la reducción a 700 °C; figura 6b: la densidad de la briqueta en relación con el contenido de Fe en el gránulo antes de la reducción a 800 °C; figura 7: la comparación de la técnica anterior con 100 % de gas natural en comparación con la operación de gas natural de hidrógeno con contenido de carbono reducido y con un contenido de carbono deseado en la operación de hidrógeno/gas natural según la invención;

[0047] figura 8: posibles posiciones de instalación, para plantas de briqueteado, donde los finos resultantes del proceso de briqueteado se retroalimentan al DRI.

[0048] En la Figura 1 se muestra la temperatura del canal de alimentación en grados Fahrenheit y el porcentaje de briquetas con una densidad superior a 5 t/m3. A partir del gráfico puede deducirse que cuanto mayor es la temperatura del canal de alimentación, mayor es la densidad de las briquetas, donde el aumento de la densidad no es lineal, pero puede disminuirse mucho a través de un aumento de temperatura de 17 °C (30 °F). Además, en la Figura 2, la resistencia relativa de las briquetas se muestra en relación con la temperatura del canal de alimentación, y muestra que las temperaturas más altas conducen a una mayor resistencia relativa.

[0049] En un proceso donde se introduce gas natural que conduce al uso parcial de hidrógeno, la cantidad de carbono formado en la propia zona de reducción disminuirá sustancialmente debido a las condiciones termodinámicas. Esto, combinado con la reacción de reducción endotérmica que enfría el lecho, limitará la cantidad de carbono que puede añadirse al producto, ya que la cantidad máxima de carbono que puede añadirse a través del gas natural inyectado en la zona inferior del horno estará limitada por la temperatura requerida para la formación de briquetas.

[0050] En la Figura 3, esto puede verse claramente como cuanto mayor es el contenido de carbono, menor es la temperatura del material en el canal de alimentación, que es inferior a los valores mostrados en las Figuras 1 y 2 para una densidad suficiente y una resistencia relativa suficiente de las briquetas.

[0051] La invención tiene como objetivo resolver el problema de las diferentes temperaturas que se originan a partir de, por un lado, el reactor de DRI que funciona de la mejor manera, con un mayor contenido de hidrógeno en el gas reductor e introduciendo carbono por inyección de gas natural y, por otro lado, haciendo funcionar el briqueteado para que puedan formarse briquetas con suficiente resistencia y densidad.

[0052] Según la Figura 4, esto se logra a través del calentamiento por inducción del DRI o esponja de hierro en el canal de alimentación a la máquina de briqueteado para que la esponja de hierro o DRI pueda ajustarse a una temperatura ideal que normalmente se encuentra por encima de 704,4 °C (1300 °F).

[0053] Como puede observarse en la Figura 5, la cantidad de chips y finos en la producción de las briquetas puede disminuirse considerablemente a través de un aumento de temperatura de solo 25 °C. Esto se debe al hecho de que, al aumentar la temperatura, puede mejorarse la densidad y la resistencia de las briquetas.

[0054] La limitación del grado de gránulos con las temperaturas actuales del canal de alimentación se muestra en comparación con las temperaturas más altas del canal de alimentación según la invención. Como ventaja adicional se descubrió que un mineral de hierro con un contenido de Fe en los gránulos de mineral antes de la reducción de aproximadamente 66,5 % conduce a la densidad de briquetas requerida de 5 toneladas por m3. Esto se logra normalmente a una temperatura de briqueta de 700 °C (1292 °F) (Fig. 6a). Se descubrió que al aumentar la temperatura de briqueteado de 100 °C a 800 °C (1472 °F) (Fig. 6b), puede lograrse la misma densidad con un mineral de hierro con un contenido de Fe notablemente menor que permite el uso de una mayor cantidad de minerales de menor ley que pueden ser importantes en el futuro y proporcionan ventajas de costo.

[0055] En la Figura 7 se muestran tres sistemas operativos diferentes para operar el reactor. En el lado izquierdo se muestra la situación actual donde el 100 % de gas natural se usa para reformar para producir un gas de síntesis para la reducción en el reactor. Como puede observarse, el producto tiene un contenido de carbono de alrededor de 1,5 % en peso y la temperatura de funcionamiento del DRI es de alrededor de 670 - 700 °C. En el medio se muestra una operación mixta de hidrógeno/gas natural con un contenido máximo de carbono mientras se mantiene la temperatura de DRI a un mínimo de aproximadamente 670 °C. En este caso, el producto tiene un contenido de carbono inferior al 1 % en peso.

[0056] A la derecha se muestra una operación mixta de hidrógeno/gas natural. Las condiciones de operación se muestran en el medio, pero el contenido de carbono debe mantenerse en aproximadamente 1,5 % en peso, lo que se requiere para el producto. Las condiciones de funcionamiento que se muestran en la imagen central no logran un contenido de carbono lo suficientemente alto. Es posible lograr un contenido de carbono de aproximadamente 1,2­ 1,5 % en peso a una temperatura del DRI de 600 °C que es demasiado frío para briquetear.

[0057] [0048] Según la presente invención, puede elegirse la ruta de operación que se muestra a la derecha, de modo que se obtenga un producto con un contenido de carbono suficiente. La temperatura de salida más baja del reactor se compensa según la invención a través del calentamiento por inducción del DRI antes del briqueteado. En una realización preferida, el calentamiento por inducción del DRI se realiza en el canal de alimentación desde el reactor a la máquina de briqueteado. Resulta ventajoso diseñar el sistema de calentamiento por inducción para permitir un aumento de temperatura de al menos 100 °C o más del material de DRI. Puede ser suficiente para permitir un aumento de la temperatura de hasta 100 °C del material DRI. Se espera que, durante el funcionamiento típico, el aumento de la temperatura del material en 20 °C sea suficiente.

[0058] Con el fin de un calentamiento suficiente del DRI, la temperatura del DRI puede controlarse antes de alcanzar la zona de calentamiento por inducción y, si es necesario, calentarse hasta una temperatura predeterminada. Esto permite que todos los materiales de todos los canales de alimentación lleguen a las máquinas de briqueteado a la temperatura predeterminada.

[0059] La Figura 8 muestra diferentes posibilidades de instalación de calentamiento por inducción para plantas de briqueteado donde los finos se retroalimentan a la máquina de briqueteado. Debido a las diferencias de temperatura entre el DRI (Temperatura T1) y los finos (Temperatura T2), la temperatura resultante de la mezcla DRI/finos (Temperatura T3) depende de las cantidades relativas de finos reciclados y la temperatura tanto del DRI entrante como de los finos. En el primer ejemplo, solo se ajusta la temperatura del DRI (2) para controlar la temperatura de la mezcla de DRI y finos que se alimenta a la prensa de briqueteado. En el segundo ejemplo, se instala una fuente de calentamiento adicional (5) en la línea de reciclaje de finos para permitir el control de la temperatura del DRI y los finos de manera independiente.

[0060] El calentamiento por inducción es el procedimiento de calentamiento, ya que el calentamiento por inducción tiene un alto grado de eficiencia. Además, un alto flujo másico de DRI o material de hierro esponjoso puede tratarse de manera muy efectiva. La energía eléctrica necesaria para ese calentamiento por inducción puede derivarse de fuentes de energía sostenibles, de modo que el proceso general ya es más respetuoso con el medio ambiente que la fabricación de acero convencional.

[0061] Por ejemplo, para la producción de la energía eléctrica para el calentamiento por inducción puede usarse la misma fuente de hidrógeno que para la reducción o puede usarse energía eléctrica a partir de energía eólica o similares. Además, las tuberías del canal de alimentación pueden adaptarse fácilmente a un proceso de calentamiento por inducción a través de la disposición de bobinas de inducción en las tuberías, lo que es mucho más fácil de lograr y más seguro que, por ejemplo, el calentamiento a través de fuentes de energía combustibles.

[0062] La entrada de energía esperada en el material para el aumento de temperatura requerido puede estar entre 2-18 kWh/t de HBI, con un intervalo esperado de 2 - 8 kWh/t de HBI cuando se tratan materiales de mayor ley y un intervalo de 8 a 18 kWh/t de HBI cuando se tratan minerales de menor ley o se opera en un modo de operación mixto de hidrógeno/gas natural.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

1. Proceso para la fabricación de hierro briqueteado en caliente(Hot Briquetted Iron,HBI) a partir de hierro de reducción directa(Direct Reduced Iron,DRI), donde el mineral de hierro se reduce directamente en un reactor a través de un gas reductor que consiste en gas natural y/o hidrógeno y/o monóxido de carbono a temperaturas elevadas y el hierro de reducción directa se descarga a al menos un dispositivo de briqueteado donde las briquetas se prensan a partir del hierro de reducción directa,

donde el hierro de reducción directa se calienta a una temperatura de formación de briquetas objetivo después de salir del reactor y antes de la formación de briquetas, y donde los finos después de la formación de briquetas se recuperan aguas abajo de la prensa de formación de briquetas y se calientan a una temperatura de formación de briquetas objetivo antes de reintroducirse en la prensa de formación de briquetas, y donde el DRI y/o los finos se calientan a través de calentamiento por inducción.

2. Proceso según la reivindicación 1, donde el DRI y los finos se calientan por separado o se mezclan entre sí y se calientan entre sí después de la mezcla.

3. Proceso según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde el calentamiento por inducción se coloca alrededor de un conducto o canal que transporta el DRI o los finos o ambos a la prensa de briqueteado.

4. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde se usan fuentes de energía sostenibles para el proceso de inducción y preferentemente se usa energía eólica y/o solar y/o energía de celdas de combustible de óxido sólido donde el hidrógeno usado para estas celdas de combustible es de la misma fuente que el hidrógeno usado para la reducción directa del mineral de hierro.

5. Proceso según una de las reivindicaciones 1 a 4, donde el dispositivo de calentamiento por inducción está diseñado para una entrada de energía en el DRI de aproximadamente 2-18 kWh/t HBI.

6. Proceso según una de las reivindicaciones 1 a 5, donde el dispositivo de calentamiento por inducción para cada canal de alimentación está diseñado para permitir un aumento de temperatura de hasta 100 °C del material DRI.

7. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el dispositivo de calentamiento por inducción para cada canal de alimentación está diseñado para un aumento de temperatura de 20 °C del material DRI cuando se tratan materiales de mayor ley y para un aumento de temperatura de 50 a 100 °C cuando se tratan minerales de menor ley o se opera en un modo híbrido de operación con hidrógeno.

8. Proceso según una de las reivindicaciones anteriores, donde el DRI se calienta a una temperatura superior a 700 °C y preferentemente entre 700 y 750 °C cuando se procesan minerales de mayor ley durante la operación convencional y entre 750 y 800 °C cuando se usan materias primas de menor ley o se opera en un modo híbrido de operación con hidrógeno.