MXPA99002982A - Proceso para la produccion de carburo de hierro a partir de oxido de hierro usando fuentes externas de monoxido de carbono - Google Patents

Abstract

La presente invención es un proceso para la rápida conversión de material que contieneóxido de hierro en carburo de hierro. El proceso incluye un primer paso en el cual el material que contieneóxido de hierro se pone en contacto con un gas reductor que contiene una alta concentración de gas hidrógeno, para formar un producto intermediario que contiene hierro metálico, y un segundo paso en el cual el producto que contiene hierro metálico se pone en contacto con un gas de carburización teniendo altas concentraciones de gas hidrógeno y monóxido de carbono, para producir carburo de hierro. El monóxido de carbono sin usar en el gas de salida del segundo paso, no se recicla al segundo paso, pero se usa como una fuente de combustible.

Description

PROCESO PARA LA PRODUCCIÓN DE CARBU RO DE HIERRO A PARTIR DE OXIDO DE HI ERRO USAN DO FUENTES EXTERNAS DE MONOXIDO DE CARBONO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método para producir carburo de hierro a partir de un material de alimentación conteniendo hierro. Más específicamente, la presente invención utiliza un proceso de dos pasos para convertir óxido de hierro a hierro metálico en el primer paso, e hierro metálico a carburo de hierro en el segundo paso, para usarse en la fabricación de acero.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La industria del acero ha dependido de un proceso, que ha estado en uso durante muchos años, para la conversión de mineral de hierro en acero. El proceso convierte mineral de hierro en lingotes de hierro en un horno de fundición usando coque producido en un horno de coquización.

El proceso convierte a continuación el lingote de hierro o metal caliente en acero en un horno de oxígeno básico o Siemens-Martin. En años recientes, las regulaciones ambientales locales y federales han provocado numerosos problemas para los productores de acero usando este proceso de fabricación de acero. El horno de fundición y los hornos de coquización usados en el proceso no solo gastan mucha energ ía, sino también responsables de la mayoría de las emisiones ambientalm ente dañinas de los productores de acero. Rediseñar o modificar los hornos de fundición y los hornos de coquización para cumplir con los estándares de contaminación es costoso. Los gastos provocarían que el costo de acero producido mediante el proceso de fabricación de acero convencional no fuera competitivo con ei acero producido por competidores extranjeros. Para dirigir estos problemas, se desarrolló un proceso para la producción de acero que elimina ei horno de fundición y el horno de coquización en el proceso de fabricación de acero. En el proceso, un lecho de óxido de hierro es fluidizado mediante una corriente de gas de múltiples componentes, simple y convertido directamente en un producto que contiene carburo de hierro, consistiendo principalmente de Fe3C. El carburo de hierro es adicionado entonces a un horno de arco voltaico u oxígeno básico para producir acero. En el proceso, las reacciones de reducción y carburización ocurren juntas en el mismo lecho fluidizado. Se ha aplicado otro proceso para producir carburos de hierro acicular teniendo características magnéticas deseadas para usarse en registro magnético y como catalizadores para convertir CO y H2 en hidrocarburos alifáticos inferiores. En el proceso, se reduce un lecho de óxido de hierro acicular mediante un gas y un lecho del producto reducido es carburizado entonces por otro gas, para producir carburos de hierro aciculares de la forma Fe5C2. El proceso sufre de cinética de reacción lenta, grandes cantidades de impurezas (incluyendo óxido de hierro, carbono libre e hierro metálico) en el producto de carburo de hierro acicular, y pobre eficiencia de gas (es decir, pobre utilización de reactantes en el gas) . El producto, Fe5C2, es bastante inestable y requiere más reactivo de carbono para formar Fe3C (y por lo tanto, más costoso de producir) . Otras técnicas para convertir un material de alimentación que contiene hierro en un producto que contiene carburo de hiero requieren componentes costosos, sufren de pobre eficiencia de gas, y/o dan lugar a otras complicaciones de operación. Sería ventajoso proporcionar un proceso para convertir materiales que contienen hierro en carburo de hierro que tenga una alta utilización de gas. Además sería ventajoso producir un producto de carburo de hierro con subproductos ambientalmente amigables y/o no peligrosos. Además sería una ventaja optimizar la cinética de la reacción de las reacciones químicas para convertir materiales que contienen hierro a carburo de hierro y producir un producto de carburo de hierro que tenga alta pureza y bajo óxido de hierro residual. Adicionalmente, sería ventajoso desarrollar un proceso ambientalmente amigable, eficiente en energ ía y no costoso para producir acero. Además, sería ventajoso convertir, de manera no costosa y eficiente, materiales que contienen hierro en carburo de hierro para usarse en la producción de acero. Además, sería una ventaja eliminar el horno de fundición y el horno de coquización del proceso de fabricación de acero.

BREVE DESCRI PCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con una modalidad de la presente invención, se proporciona un proceso de dos pasos para producir carburo de hierro a partir de u n material de alimentación que contiene óxido de hierro. Como se usa en la presente, "carburo de hierro" incluye, de preferencia, Fe2C y Fe3C, y "óxido de hierro" incluye, de preferencia, FeO, Fe2O3 y Fe3O . En el primer paso (reducción), se convierte un material de alimentación que contiene óxido de hierro a un producto intermediario al poner en contacto el material de alimentación con un gas reductor, para reducir el óxido de hierro a hierro metálico, y en un segundo paso (carburización), se convierte el hierro metálico en un producto de carburo de hierro. El gas reductor contiene de preferencia suficiente gas hidrógeno, el agente reductor primario, para realizar substancialmente la reducción completa de los óxidos de hierro en el material de alimentación a hierro metálico. Normalmente, el paso reductor es un proceso de circuito cerrado, de manera que virtualmente todo el reactivo reductor es utilizado por el proceso para remover oxígeno del material de alimentación . De preferencia, el componente predominante del gas reductor es gas hidrógeno, y más preferiblemente el gas reductor contiene al menos aproximadamente 80% mol de gas hidrógeno. El agua, el subproducto de la reacción de reducción, se remueve fácilmente del gas de salida del primer paso mediante técnicas adecuadas. Al menos la mayoría del hierro en el producto intermediario está en la forma de hierro metálico. De preferencia, al menos aproximadamente 70 y más preferiblemente al menos aproximadamente 90% mol del hierro en el producto intermediario está en la forma de hierro metálico. El producto intermediario contiene normalmente no más de aproximadamente 35 porciento mol de carburo de hierro, más normalmente no más de aproximadamente 25 porciento mol, y más normalmente no más de aproximadamente 10 porciento mol de carburo de hierro. Se prefiere que el óxido de hierro sea al menos aproximadamente 90 porciento mol del material de alimentación en el primer paso en una base libre de agua. De preferencia, una porción substancial, y más preferiblemente al menos la mayoría, del óxido de hierro en el material de alimentación se convierte a hierro metálico en el primer paso (reducción). No se desea la presencia de óxidos de hierro en el producto intermediario ya que el óxido de hierro puede disminuir la cinética de reacción en el paso de carburización y prolongar el tiempo de residencia necesario del material en el paso de carburización para un grado deseado de carburización . En el paso de carburización , el producto intermediario se pone en contacto con un gas de carburización para producir un producto de carburo de hierro. El gas de carburización incluye monóxido de carbono y gas hidrógeno. De preferencia , el gas de carburización contiene al menos aproximadamente 5 y más preferiblemente al menos aproximadamente 1 5% mol de monóxido de carbono y al menos aproximadamente 80% mol de gas hidrógeno. El gas de carburización también puede incluir otros componentes, tales como, dióxido de carbono, metano, vapor de agua y un diluyente, tal como, nitrógeno u otro gas inerte. De preferencia, el gas de carburización no incluye más de aproximadamente 5, más preferiblemente no más de aproximadamente 3, y más preferiblemente no más de aproximadamente 1 % mol de d ióxido de carbono; de preferencia no más de aproximadamente 1 5, más preferiblemente no más de aproximadamente 10, y más preferiblemente no más de aproximadamente 5% mol de metano; de preferencia no más de aproximadamente 10, más preferiblemente no más de aproximadamente 1 , y más preferiblemente no más de aproximadamente 0.5% mol de vapor de agua; y no más de aproximadamente 10% mol de gases inertes. Como se apreciará, las temperaturas del gas de carburización y del lecho del producto intermediario durante la carburización son importantes para la cinética de reacción. De preferencia, el gas de carburización tiene una temperatura de gas de al menos aproximadamente 550°C y el producto intermediario una temperatura de lecho de al menos aproximadamente 500°C. Debido a la alta concentración de monóxido de carbono en el gas de carburización y el hecho de que el monóxido de carbono convierte directamente hierro metálico en carburo de hierro, se requiere menos gas para la carburización completa que en procesos de dos pasos adecuados y la velocidad de la reacción de carburización es relativamente alta. Comparado con otros procesos de dos pasos, el proceso de la presente invención requiere componentes de capacidad menor para un rendimiento dado de material de alimentación. Los componentes de capacidad red ucida reducen significativamente el capital y los costos de operación y el consumo de ag ua. Al menos la mayoría del monóxido de carbono en el gas de carburización se pasa a través del producto intermediario solo una vez (es decir, el paso de carburización es, de preferencia, un circuito abierto, al tiempo que el paso de reducción es, de preferencia, un circuito cerrado). Dicho de otra manera, al menos la mayoría del monóxido de carbono sin reaccionar en el gas de carburización no se recicla al segundo paso. De preferencia, al menos aproximadamente 30% , más preferiblemente al menos aproximadamente 50% , y muy preferiblemente al menos aproximadamente 65% del monóxido de carbono en el gas de carburización se hace reaccionar con el producto intermediario en el contacto simple del gas de carburización con el producto intermediario. No más de aproximadamente 30, más preferiblemente no más de aproximadamente 20, y más preferiblemente no más de aproximadamente 10% en volumen del gas de salida de carburización es reciclado al paso de carburización, debido a que si se recicla demasiado del gas de salida, se formará metano en el gas de carburización y diluirá la concentración de monóxido de carbono a niveles relativamente bajos. El uso del monóxido de carbono en el gas de carburización solo para un paso simple a través del producto intermediario se hace económico al menos en parte , mediante el uso del gas de salida del segundo paso como una fuente de combustible en otros pasos del proceso, por ejemplo, el calentamiento del material de alimentación y/o los gases de reducción y/o carburización antes de poner en contacto los gases con el material de alimentación y el producto intermediario, respectivamente. De preferencia, al menos aproximadamente 80% , más preferiblemente al menos aproximadamente 90% , y más preferiblemente todo el monóxido de carbono en el g as de salida de carburización es usado como una fuente de com bustible en u no o m ás pasos del proceso. Normalmente, estos porcentajes preferidos de monóxido de carbono no representan más de aproximadamente 50, más normalmente no más de aproximadamente 40, y más normalmente no más de aproximadamente 30% del monóxido de carbono en el gas de carburización. Los costos menores de combustible compensan el gasto mayor asociado con formar más gas de carburización. Adicionalmente, el gas hidrógeno puede separarse del gas de salida del paso de carburización para reconstituir el gas reductor en el paso de reducción. Al menos la mayoría del producto de carburo de hierro es preferiblemente carburo de hierro. Se desea que al menos aproximadamente 90 porciento mol, y más preferiblemente al menos aproximadamente 95 porciento mol del carburo de hierro esté en la forma de Fe3C. No se desea Fe2C ya que, a diferencia de Fe3C, es altamente reactivo y se oxidará sobre la exposición al aire. De preferencia, el producto de carburo de hierro no contiene más de aproximadamente 25 y más preferiblemente no más de aproximadamente 5 porciento mol de im purezas, incluyendo hierro metálico, carbono libre y óxido de hierro. Las impurezas , tales como hierro metálico, carbono libre, y óxido de hierro, pueden provocar problemas sí el producto de carburo de hierro es convertido en acero y el acero es procesado en artículos útiles. A manera de ejemplo, el hierro metálico en el producto de carburo de hierro puede oxidarse para formar óxidos de hierro, ios cuales crean dificultades para convertir el producto de carburo de hierro en acero. El alto nivel de pureza de producto se hace posible al monitorear la composición del gas de carburización . Ya que el metano normalmente está ausente del gas de carburización , es posible tener carburo de hierro que reaccione nuevamente para formar hierro y metano. Cuando o en algún momento antes de que suficiente hierro en el producto intermediario haya formado carburo de hierro, para permitir que el carburo de hierro vuelva a reaccionar para formar metano e hierro metálico, se remueve el producto de carburo de hierro del reactor. En una modalidad, el producto de carburo de hierro es alimentado directamente a un reactor apropiado para la conversión en acero. En una modalidad de la presente invención, el proceso es un proceso continuo. De preferencia, los dos pasos del proceso son conducidos en zonas de reacción separadas para facilitar la continuidad del proceso. De preferencia, en uno o ambos pasos del proceso, la zona de reacción es un lecho fluidizado. La presente invención puede tener numerosas ventajas sobre los métodos existentes además de aquellas ventajas discutidas antes. Una modalidad de la presente invención proporciona ventajosamente un proceso continuo para convertir los materiales que contienen hierro en carburo de hierro. La presente invención evita, con eso, el incremento en los gastos de operación asociados con los procesos en lote. Otra modalidad de la presente invención proporciona ventajosamente un proceso con rápida cinética de reacción . La composición de cada gas puede seleccionarse para optimizar la cinética de la reacción en cada paso del proceso . Las condiciones de reacción , tal como, presión , temperatura y tiempo , también pueden seleccionarse para optimizar la cinética de cada reacción .

Otra modalidad de la presente invención proporciona ventajosamente un proceso que produce un producto de carburo de hierro de alta pureza. El producto de carburo de hierro está substancialmente libre de impurezas, incluyendo carbono libre, óxido de hierro e hierro metálico. Otra modalidad de la presente invención produce convenientemente subproductos que son ambientalmente amigables y no peligrosos. El subproducto principal es vapor de agua. Otra modalidad de la presente invención proporciona ventajosamente un proceso ambientalmente amigable, eficiente en energ ía, y no costoso, para hacer acero. El proceso elimina el horno de fundición y el horno de coquización mediante la conversión directa de materiales que contienen hierro a carburo de hierro, seguido por la producción de acero.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DI BUJOS La Fig. 1 es un esquema de flujo de una modalidad de un proceso de acuerdo a la presente invención, que ilustra el acercamiento de dos pasos para convertir un material de alimentación que contiene hierro en un producto que contiene carburo de hierro.

DESCRI PCIÓN DETALLADA Haciendo referencia a la Fig . 1 , en una modalidad de la presente invención, u n material de alimentación que contiene óxido de hierro 1 0 es transportado de un recipiente de almacenamiento 12 primero por un transportador 1 4 y entonces a través de arrastre en un gas de oxidación a través de primero, segundo y tercero de separadores de partículas (por ejemplo, ciclones) 1 8a-c a una tolva asegurada 1 9 y finalmente a un reactor de reducción 22. El material de alimentación que contiene óxido de hierro 1 0 puede ser seleccionado de un amplio rango de materiales que contienen hierro, incluyendo minerales de hierro y concentrados de minerales de hierro. De preferencia, el material de alimentación es uno de o una mezcla de varios óxidos de hierro, incluyendo magnetita (Fe3O4) , hematita (Fe2O3), limonita (Fe2O3 • H2O), FeO e hidróxidos de hierro, incluyendo Fe(OH)2 y Fe(OH)3. Más preferiblemente, el material de alimentación -es una mezcla de óxidos de hierro y más preferiblemente el material de alimentación contiene al menos aproximadamente 90 porciento mol de óxidos de hierro en una base libre de agua. En algunas aplicaciones, tales como minerales de hierro y concentrados de minerales de hierro, el material de alimentación 1 0 puede incluir pequeñas cantidades de agua. Para oxidar los óxidos de hierro y remover agua libre y otros contaminantes del material de alimentación 1 0, se pasa una hendidura 26 de aire u otro gas oxidante a través de un intercambiador de calor 30 y un quemador 34 donde es calentado a una tem peratura preferida que varía desde aproximadamente 700 hasta aproximadamente 1 , 000°C. El aire calentado 38 se pone en contacto con el material de alimentación 1 0 en los separadores de partículas 1 8a-c para precalentar el material a una temperatura preferida que varía desde aproximadamente 1 50 hasta aproximadamente 800°C. Después de calentar el material de alimentación 1 0, el aire se pasa a través de un alojamiento de bolsa u otra unidad de filtración 42 a partir de la cual es ventilado 46 hacia la atmósfera.

El material de alimentación 10 se calienta de preferencia en una atmósfera oxidante (por ejemplo, aire) a una temperatura suficiente para oxidar el óxido de hierro y otros constituyentes del material de alimentación 1 0. Este paso aumenta la producción de carburo de hierro al convertir magnetita a hematita y azufre de sulfuro en gas de dióxido de azufre o compuestos de azufre más estables (por ejemplo, sulfatos térmicamente estables formados por la reacción de azufre de sulfuro oxidado con óxidos alcalinos y alcalinotérreos) y al remover o eliminar agua como vapor de agua. La conversión de ia magnetita a hematita aumenta la producción de carburo de hierro, ya que la hematita se reduce más fácilmente a hierro metálico en el reactor 22 que la magnetita. El material de alimentación sin calentar 1 0 contiene de preferencia al menos aproximadamente 70, más preferiblemente al menos aproximadamente 85, y más preferiblemente al menos aproximadamente 98 porciento mol de óxidos de hierro en una base libre de agua. Después del calentamiento, el constituyente de óxido de hierro en el material de alimentación debería contener de preferencia más de aproximadamente 50, más preferiblemente más de aproximadamente 75, y más preferiblemente más de aproximadamente 95 porciento mol de hematita y preferiblemente menos de aproximadamente 50, más preferiblemente menos de aproximadamente 25, y más preferiblemente menos de aproximadamente 5 porciento mol de magnetita. De preferencia, al menos aproximadamente 50, más preferiblemente al menos aproximadamente 75, y más preferiblemente al menos aproximadamente 95 porciento mol de la magnetita en el material de hierro es convertido a hematita durante el calentamiento. La producción de carburo de hierro disminuye adicionalmente por la presencia de azufre de sulfuro en el material de alimentación precalentado, debido a que el azufre de sulfuro retarda la conversión de hierro metálico a carburo de hierro. El material de alimentación precalentado debería contener de preferencia menos de aproximadamente 2, más preferiblemente menos de aproximadamente 1 , y más preferiblemente menos de aproximadamente 0.1 porciento mol de azufre de sulfuro. La producción de carburo de hierro disminuye por la presencia de agua o vapor de agua, ya que el vapor de agua, siendo un subproducto de la conversión de óxidos de hierro en hierro metálico, e hierro metálico en carburo de hierro, puede imponer restricciones de equilibrio en la producción de hierro metálico y carburo de hierro. Después del precalentam iento, el material de alimentación debería tener, de preferencia, menos de aproximadamente 2, más preferiblemente menos de aproximadamente 1 , y más preferiblemente menos de aproximadamente 0.5 porciento mol de ag ua. El calentamiento del material de alimentación es discutido en detalle en la solicitud de patente estadounidense codependiente serial no. 08/1 81 , 997, presentada el 14 de enero de 1 994, titulada "TWO STEP PROCESS FOR THE PRODUCTION OF I RON CARBI DE FROM I RON OXI DE" (Proceso de dos pasos para la producción de carburo de hierro a partir de óxido de hierro) ; solicitud de patente estadounidense serial no. 08/596, 954, presentada el 31 de marzo de 1 998 y titulada PROCESS FOR CONVERTI NG I RON OXI DES TO I RON CARBI DE EMPLOYI NG I NTERNALLY GEN ERATED CARBÓN OXI DE AS THE CARBI D1 NG AGENT" (Proceso para convertir óxidos de hierro a carburo de hierro empleando óxido de carbono generado internamente como el agente de carburización) (ahora emitida como patente estadounidense 5,733,357); y solicitud de patente estadounidense serial no. 08/703,981 , presentada el 28 de agosto de 1996 y titulada "METHOD FOR PREHEATI NG FEED MATERIALS FOR THE PRODUCTION OF IRON CARBI DE" (Método para precalentar materiales de alimentación para la producción de carburo de hierro) , cada una de las cuales es incorporada en ia presente por referencia. El material de alimentación oxidado se pone en contacto con un gas reductor 48 en el reactor de reducción 22, para producir un gas de salida reductor 50 y un producto intermediario 54. El gas reductor 48 contiene gas hidrógeno como el agente reductor primario para reducir los óxidos de hierro en el material de alimentación a hierro metálico. Aunq ue no se desea ligar a ninguna teoría, se cree que el gas hidrógeno reduce óxidos e hidróxidos de hierro a hierro metálico de acuerdo a una o más de las siguientes ecuaciones: (1 ) Fe203 + 3 H2 ? 2 Fe + 3 H2O (2) Fe304 + 4 H2 ? 3 Fe + 4 H2O (3) Fe(OH)2 + H2 ? Fe + 2 H2O (4) 2 Fe(OH)3 + 3 H2 ? 2 Fe + 6 H20 Aunque tam bién puede usarse monóxido de carbono para reducir óxidos e hidróxidos de hierro a hierro metálico, se prefiere que el gas reductor esté substan cia lmente libre de monóxido de carbono. Es difícil remover dióxido de carbono, el subproducto de la reacción de reducción, del gas de salida reductor 50 y puede depositarse carbono libre en el producto intermediario 54 por la reacción . Comúnmente, estará presente una pequeña cantidad de monóxido de carbono en el gas reductor porque, cuando el gas hidrógeno es separado el gas de salida de carburización como se discute más adelante, una pequeña cantidad de monóxido de carbono normalmente contamina el gas hidrógeno removido del dispositivo de separación. El gas reductor tiene una concentración relativamente alta de gas hidrógeno para convertir rápidamente los óxidos de hierro en el material de alimentación a hierro metálico. Normalmente, el gas reductor 48 contendrá al menos aproximadamente 1 5 veces y más normalmente al menos aproximadamente 4 veces la cantidad estequiométrica requerida para convertir todos los óxidos de hierro en el material de alimentación a hierro metálico. De preferencia, el gas reductor contiene al menos aproximadamente 80, más preferiblemente al menos aproximadamente 85, y más preferiblemente al menos aproximadamente 95% mol de gas hidrógeno. El gas reductor no contiene de preferencia más de aproximadamente 5, más preferiblemente no más de aproximadamente 2, y más preferiblemente no más de aproximadamente 1 % mol de óxidos de carbono y no más de aproximadamente 1 5, más preferiblemente no más de aproximadamente 1 0, y más preferiblemente no más de aproximadamente 5% mol de metano . Las condiciones de reacción son mantenidas a niveles que promueven una velocidad relativamente alta de conversión de los óxidos e hidróxidos de hierro en hierro metálico. Las reacciones preferidas son: (i) una temperatura del material de alimentación en el reactor reductor que varía desde aproximadamente 500 hasta aproximadamente 800°C y más preferiblemente desde aproximadamente 550 hasta aproximadamente 650°C para producir hierro metálico pirofórico; (ii) una presión en el reactor reductor que varía desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 6 atm; y (iii) una velocidad de gas de al menos aproximadamente 0.1 524 y más preferiblemente al menos aproximadamente 1 .524 m/s. El número de moles de gas hidrógeno que deben ponerse en contacto con cada mol de hierro en el material de alimentación para producir el grado deseado de reducción de óxidos e hidróxidos de hierro a hierro metálico es, de preferencia, al menos aproximadamente 20 y más preferiblemente al menos aproximadamente 10, y más preferiblemente varía desde aproximadamente 8 hasta aproximadamente 4 moles de gas hidrógeno/mol de hierro. Se prefiere q ue al menos aproximadamente 65, más preferiblemente al menos aproximadamente 80 y más preferiblemente al menos aproximadamente 95 porciento mol de los óxidos e hidróxidos de hierro en el material de alimentación se convierta a hierro metálico en el reactor de reducción 22. El com ponente de hierro en el producto intermediario 48 es, de preferencia, al menos aproximadamente 65, más preferiblemente al menos aproximadamente 75, y más preferiblemente al menos aproximadamente 90 porciento mol de hierro metálico. El producto intermed i ario 48 no contiene de preferencia más de aproximadamente 35, más preferiblemente no más de aproximadamente 25, y más preferiblemente no más de aproximadamente 10 porciento mol de carburo de hierro. De preferencia, el producto intermediario 48 no contiene más de aproximadamente 20 porciento mol de óxidos de hierro y más preferiblemente no más de aproximadamente 1 0 porciento mol de óxidos de hierro. La presencia de óxidos de hierro en el producto intermediario 48 disminuye la cinética de la reacción cuando el producto intermediario es convertido posteriormente en un reactor de carburización a carburo de hierro. El reactor de reducción 22 puede ser seleccionado de una variedad de reactores, incluyendo un reactor de lecho fluidizado, horno rotatorio, o un horno de cuba o de hogar múltiple. Para el material de alimentación teniendo un tamaño D8o de no más de aproximadamente 1 mm, el reactor preferido es un reactor de lecho fluidizado. Como se usa en la presente, el tamaño D80 se refiere al tamaño de partícula en que 80% del material es menor que o igual a. Para el material de alimentación teniendo un tamaño D80 de al menos aproximadamente 10 mm, el reactor preferido es un horno de cuba. El reactor de reducción 22 podría ser un reactor de lecho fluidizado circulante. El término "reactor de lecho fluidizado" como se usa en la presente se refiere a un reactor de lecho fluidizado-lecho burbujeante. Para un reactor de lecho fluidizado, la profundidad del lecho del material de alimentación es de preferencia desde aproximadamente 0.3048 hasta aproximadamente 3.657 metros, más preferiblemente desde aproximadamente 0.6096 hasta aproximadamente 2.4384 metros, y más preferiblemente aproximadamente 0.9144 metros. El tamaño D80 del material de alimentación en el lecho es de preferencia no más de aproximadamente 2.5 mm, más preferiblemente no más de aproximadamente 2 mm, y más preferiblemente variando desde aproximadamente 0.1 hasta aproximadamente 1 mm. Para convertir de manera eficiente el material de alimentación a hierro metálico en un reactor de lecho fluidizado, se prefiere que el material de alimentación permanezca en contacto con el gas reductor 48 durante una longitud de tiempo suficiente para permitir la formación controlada por difusión de hierro metálico para proceder a la terminación. De preferencia, el tiempo de residencia es desde aproximadamente 30 hasta aproximadamente 1 ,200 minutos, más preferiblemente desde aproximadamente 60 hasta aproximadamente 300 minutos, y más preferiblemente desde aproximadamente 90 hasta aproximadamente 1 50 minutos. El gas de salida reductor 50 se pasa a través de un dispositivo de separación de partículas, tal como un ciclón, para formar un gas de salida tratado 58 y partículas removidas 62. El gas de salida tratado 58 se pasa a través de un intercambiador de calor 66 y a un sistema de purificación de gas 60 discutido más adelante, para producir un gas de salida purificado 70. El gas de salida purificado 70 es reconstituido con gas hidrógeno 74 a partir de un reformador de hidrógeno 78 para formar el gas reductor 48. Como se apreciará, el reformador de hidrógeno 78 convierte metano (u otro hidrocarburo) y agua en monóxido de carbono y gas hidrógeno. El gas reductor 48 se pasa secuencialmente a través del intercambiador de calor 66 y el calentador de gas de proceso 82, para calentar el gas reductor 48 a una temperatura preferida que varía desde aproximadamente 500 hasta aproximadamente 900°C y se regresa al reactor de reducción 22. El calentador de gas de proceso 82 utiliza un aire de combustión precalentado, el cual es calentado mediante un intercambiador de calor 90 para quemar el combustible al calentador. Las partículas removidas son recombinadas con el producto intermediario 54. El producto intermediario 54 es transferido posteriormente del reactor de reducción 22 a un reactor de carburización 1 00 y se pone en contacto con un gas de carburización 1 04 para producir un gas de salida de carburización 1 08 y un producto de carburo de hierro 1 12. El gas de carburización 1 04 es una corriente de gases de componentes múltiples que convierte el hierro metálico y a un grado menor los óxidos de hierro en el producto intermediario 54 en carburo de hierro.

Los componentes primarios del gas de carburización 1 04 son gas hidrógeno y monóxido de carbono. Aunque no se desea ligar a ninguna teoría, se cree que el gas de carburización 1 04 convierte hierro metálico a carburo de hierro de acuerdo a una o más de las siguientes ecuaciones: (5) 3 Fe + CO + H2 ? Fe3C + H2O (6) 2 Fe + CO + H2 ? Fe2C + H20 El monóxido de carbono proporciona carbono para formar carburo de hierro, al tiempo que el gas hidrógeno convierte el oxígeno liberado en el monóxido de carbono en agua, que se rem ueve fácilmente del gas de salida de carburización mediante técnicas adecuadas.

El gas de carburización contiene concentraciones relativamente altas de monóxido de carbono y gas hidrógeno para proporcionar una velocidad bastante rápida de conversión de hierro metálico en carburo de hierro. De preferencia, el gas de carburización incluye al menos aproximadamente 300%) , más preferiblemente al menos aproximadamente 1 50%), y más preferiblemente al menos aproximadamente 1 20% de la cantidad estequiométrica de monóxido de carbono requerida para convertir todo el hierro metálico en el producto intermediario en carburo de hierro. El gas de carburización contiene de preferencia al menos aproximadamente 5, más preferiblemente al menos aproximadamente 1 0, y más normalmente al menos aproximadamente 1 5% mol de monóxido de carbono, pero normalmente no más de aproximadamente 30% mol , más normalmente no más de aproximadamente 25% mol, y más normalmente no más de aproximadamente 20% mol de monóxido de carbono. El gas de carburización contiene, de preferencia, al menos aproximadamente 50, más preferiblemente al menos aproximadamente 65, y más preferiblemente al menos aproximadamente 80% mol de gas hidrógeno. El gas de carburización puede contener un diluyente, tai como un gas inerte. De preferencia, la concentración del diluyente en el gas de carburización no es más que aproximadamente 1 0 y más preferiblemente no más de aproximadamente 5% mol . Las condiciones en el reactor de carburización 1 00 se seleccionan para proporcionar u na velocidad bastante rápida de conversión de hierro metálico a carburo de hierro. Las condiciones de reacción son: (i) una temperatura del producto intermed iario en el reactor de reducción que varía desde 450 hasta aproximadameníe750°C, más preferiblemente desde aproximadamente 500 hasta aproximadamente 700°C, y más preferiblemente desde aproximadamente 550 hasta aproximadamente 650°C, para inhibir que el hierro metálico en el material de alimentación intermediario se fusione o se pegue; (ii) una presión en el reactor de reducción que varía desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 6 atm; y (iii) una velocidad de gas de ai menos aproximadamente 0.1524 y más preferiblemente no más de aproximadamente 1 .524 m/s. El número de moles de monóxido de carbono que debe ponerse en contacto con el producto intermediario para producir el grado deseado de conversión de hierro metálico a carburo de hierro, de preferencia no es mayor que aproximadamente 1 y más preferiblemente no mayor q ue aproximadamente 0.7, y más preferiblemente varía desde aproximadamente 0.35 hasta aproximadamente 0.5 moles de monóxido de carbono/mol de hierro. Para convertir de manera eficiente el producto intermediario 54 a carburo de hierro, se prefiere que el producto intermediario 54 permanezca en contacto con el gas de carburización 1 04 durante una longitud de tiempo suficiente para permitir la formación controlada por difusión de carburo de hierro para proceder a la terminación . Aunque pueden usarse tiempos de residencia mayores, el tiempo de residencia en el reactor de carburización 1 00 es de preferencia desde aproximadamente 60 hasta aproximadamente 300 minutos, más preferiblemente desde aproximadamente 45 hasta aproximadamente 90 minutos, y más preferiblemente desde aproximadamente 30 hasta aproximadamente 60 minutos .

Una velocidad relativamente alta de conversión de hierro metálico a carburo de hierro se realiza en el paso de carburización. De preferencia, al menos aproximadamente 80, más preferiblemente al menos aproximadamente 90, y más preferiblemente al menos aproximadamente 95 porciento en peso del hierro metálico en producto intermediario 54 se convierte en carburo de hierro en el reactor de carburización 1 00. El producto de carburo de hierro 1 12 no es pirofórico, contiene un alto porcentaje de hierro, y tiene una alta pureza. Los materiales que contienen hierro en el producto de carburo de hierro 1 1 2 son de preferencia al menos aproximadamente 70, más preferiblemente al menos aproximadamente 80, y más preferiblemente al menos aproximadamente 90 porciento mol de carburo de hierro. El producto de carburo de hierro 1 12 contiene de preferencia menos de aproximadamente 1 0 porciento mol de óxidos de hierro, menos de aproximadamente 1 porciento mol de carbono li bre, y menos de aproximadamente 1 0 y más preferiblemente menos de aproximadamente 2 porciento mol de hierro metálico. El producto de carburo de hierro 1 12 puede tener una capa de hidrógeno en su superficie sobre la salida del reactor de carburización 1 00. Ya que la combustión catalítica del hidrógeno puede provocar que el material se vuelva lo suficientemente caliente para oxidarse, es deseable tratar el producto de carburo de hierro para remover la capa de hidrógeno. El producto de carburo de hierro puede, por ejemplo, someterse a un flujo de gas inerte o colocarse en un vacío para remover el hidrógeno. El reactor de carburización 1 00 es comúnmente la capacidad y tipo de reactor como el reactor de reducción 22. De manera similar, para un reactor de lecho fluidizado como el reactor de carburización 100, la profundidad del lecho del producto intermediario 54 es substancialmente la misma que la profundidad del lecho del material de alimentación en el reactor de reducción 22. El producto de carburo de hierro es removido del reactor y remitido a instalaciones de almacenamiento de producto o enviado directamente a una instalación para fabricar acero. El gas de salida de carburización tiene una composición que incluye un número de com ponentes no necesariamente presentes en el gas de carburlzación . Comúnmente, el gas de salida de carburización incluye desde aproximadamente 70 hasta aproximadamente 95% mol de gas hidrógeno, desde aproximadamente 2 hasta aproximadamente 1 0% mol de metano, desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 5% mol de monóxido de carbono, desde aproximadamente 1 hasta aproximadamente 2% mol de dióxido de carbono, y vapor de agua. El gas de salida de carburización 1 08 se pasa a través de un ciclón 1 1 6 u otro d ispositivo de separación de partículas adecuadas, para producir partículas recuperadas 120 (que pueden recombinarse con el producto de carburo de hierro 1 1 2 o regresarse al reactor de carburizacón) y u n gas de salida de carburización tratado 1 24. El gas de salida de carburización tratado 1 24 se pasa a través de un intercambiador de calor 128 y se trata mediante el sistema de purificación de gas 60 para producir un gas de salida de carburización purificado 1 32. El gas de salid a de carburización purificado 1 32 se pasa, de preferencia, a través de un separador de gas hidrógeno 1 36 para producir una corriente de gas hidrógeno 140 que puede usarse para reconstituir el gas reductor y una corriente de gas hidrógeno-gas suprimido 144. De preferencia, al menos aproximadamente 50% y más preferiblemente al menos aproximadamente 75% del gas hidrógeno en el gas de salida purificado 132 es recuperado en la corriente de gas hidrógeno 1 1 0 para reusarse en el paso de reducción. El separador de gas hidrógeno es, de preferencia, un dispositivo de absorción de oscilación de presión, el cual utiliza un substrato poroso presurizado, tal como una zeolita, para atrapar en los poros gases más pesados que gas hidrógeno. Cuando el substrato se llena substancialmente con gas de no hidrógeno, el gas de salida se desvía de la unidad, al tiempo que el gas de no hidrógeno es liberado del substrato y regenerando con ello el substrato. El monóxido de carbono en el gas de carburización 1 04 solo hace un paso a través del producto intermediario 54. El monóxido de carbono sin reaccionar n el gas de salida 1 14 es usado posteriormente como una fuente de combustible en otras partes del proceso, específicamente para proporcionar combustible para uno o más del reactor de reducción 22, los calentadores de gas 82 y 148 y el reformador de hidrógeno 78. El gas de carburización 1 04 se hace de gas hidrógeno y monóxido de carbono del reformador de hidrógeno 78. De preferencia, al menos aproximadamente 50% , más preferiblemente al menos aproximadamente 65%>, y más preferiblemente al menos aproximadamente 75% del monóxido de carbono en el gas de carburización se produce directamente por el reformador, antes de q ue el gas de carburización entre en contacto con el producto intermediario .

El gas de carburización 1 04 se pasa a través del intercambiador de calor 128 y el calentador de gas de proceso 148, y se calienta a una temperatura de preferencia variando desde aproximadamente 500 hasta aproximadamente 750°C y más preferiblemente desde aproximadamente 600 hasta aproximadamente 650°C, antes de ser introducido en el reactor de reducción . El sistema de tratamiento de gas 60 incluye torres empacadas 1 52a y 1 52b, lavadores 1 56a y 1 56b para poner en contacto los gases de salida de reducción y carburización 58 y 1 24, respectivamente. Un espesante 1 60 y una torre de enfriamiento 164 tratan el agua y/o vapor de agua después de usarse en un lavador 1 56 o una torre empacada 1 52 para la purificación del gas. Aunque se han descrito varias modalidades de la presente invención con detalle, es evidente que a aquellos expertos en la técnica se les ocurrirán modificaciones y adaptaciones de aquellas modalidades. Sin embargo, se entenderá expresamente que tales modificaciones y adaptaciones están dentro del alcance de la presente invención , como se expone en las siguientes reivindicaciones.

Claims (35)

1. REIVI NDICACION ES 1 . Un proceso para producir carburo de hierro, comprendiendo: (a) poner en contacto un material de alimentación comprendiendo un óxido de hierro con un gas reductor comprendiendo predominantemente gas hidrógeno, para producir un primer producto comprendiendo predominantemente hierro metálico, en donde dicho primer producto no contiene más de aproximadamente 35 porciento mol de carburo de hierro; y (b) poner en contacto dicho primer producto con un gas de carburización comprendiendo gas hidrógeno y monóxido de carbono para formar un gas de salida de carburización y un producto de carburo de hierro, en donde al menos la mayoría del monóxido de carbono en el gas de carburización está libre de reciclado.
2. 2. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde dicho gas reductor comprende al menos aproximadamente 80% mol de gas hidrógeno.
3. 3. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde dicho gas reducto comprende al menos aproximadamente 90% mol de gas hidrógeno.
4. 4. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde los pasos (a) y (b) son cond ucidos en zonas de reacción separadas.
5. 5. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde dicho contacto en el paso (a) comprende fluidizar un lecho de dicho primer material de alimentación con dicho gas reductor, y dicho contacto en el paso (b) comprende fluidizar un lecho de dicho primer producto con dicho gas de carburización.
6. 6. Ei proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde dicho material de alimentación comprende magnetita y hematita.
7. 7. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde el material de alimentación tiene una temperatura que varía desde aproximadamente 1 50 hasta aproximadamente 800°C.
8. 8. Ei proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde dicho material de alimentación tiene un tamaño D80 q ue varía desde aproximadamente 1 0 mm hasta aproximadamente 0.1 mm .
9. 9. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde el gas de salida comprende monóxido de carbono y al menos la mayoría del monóxido de carbono se usa como una fuente de combustible en el proceso.
10. 1 0. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde al menos aproximadamente 4 moles de gas hidrógeno/mol de hierro en el material de alimentación entran en contacto con el material de alimentación.
11. 1 1 . El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde al menos la mayoría del monóxido de carbono en el gas de carburización se produce en un reformador a partir de agua y metano.
12. 1 2. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde dicho primer prod ucto com prende hierro metálico pirofórico.
13. 1 3. El proceso, como se reclama erl la reivindicación 1 , en donde el gas de carburización comprende al menos aproximadamente 1 5% mol de monóxido de carbono.
14. 14. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde el gas de carburización comprende una cantidad de gas hidrógeno variando desde aproximadamente 70 hasta aproximadamente 90% mol.
15. 15. El proceso, como se reclama en la reivindicación 14, en donde el gas de carburización no comprende más de aproximadamente 1 5% mol de metano.
16. 1 6. El proceso, como se reclama en la reivindicación 14, en donde el gas de carburización no comprende más de aproximadamente 5%> mol de dióxido de carbono.
17. 17. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde la temperatura de dicho primer producto en el paso (b) varía desde aproximadamente 500 hasta aproximadamente 800°C.
18. 1 8. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde ai menos aproximadamente 90% del hierro metálico en el primer producto se convierte en carburo de hierro en el paso (b) .
19. 19. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde no más de aproximadamente 30% del gas de salida de carburización se recicla al paso de contacto (a) .
20. 20. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde al menos aproximadamente 2.7 moles de gas hidrógeno/mol de hierro en el primer producto se ponen en contacto con el primer producto.
21. 21 . El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde al menos aproximadamente 0.5 moles de monóxido de carbono/mol de hierro en el primero producto se ponen en contacto con el primer producto.
22. 22. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde al menos aproximadamente 50% del monóxido de carbono en el gas de carburización reacciona con el hierro metálico para formar carburo de hierro.
23. 23. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , comprendiendo además: después del paso (b) , quemar al menos aproximadamente 30% del monóxido de carbono en el gas de carburización para proporcionar energ ía térmica en el proceso.
24. 24. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , comprendiendo además: después del paso (b), separar el gas hidrógeno de los demás constituyentes en el gas de carburización para proporcionar el gas hidrógeno para el gas reductor.
25. 25. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , en donde el producto formado en el paso (b) no contiene más de aproximadamente 20 porciento mol de impurezas.
26. 26. El proceso, como se reclama en la reivindicación 1 , comprendiendo además: (c) convertir el producto formado en el paso (b) en acero.
27. 27. U n proceso para convertir óxido de h ierro en carburo de hierro, comprendiendo: (a) poner en contacto, eh una primera zona de reacción, un material de alimentación que contiene óxido de hierro con un gas reductor comprendiendo principalmente gas hidrógeno, para convertir dicho material de alimentación que contiene óxido de hierro en un producto que contiene hierro metálico; (b) transportar el producto que contiene hierro metálico a una segunda zona de reacción diferente de la primera zona de reacción; y (c) cuando el producto que contiene hierro metálico está en la segunda zona de reacción, pasar un gas de carburización comprendiendo principalmente monóxido de carbono y gas hidrógeno a través de un lecho que contiene dicho producto que contiene hierro metálico para formar un producto que contiene carburo de hierro, en donde al menos la mayoría del monóxido de carbono en el gas de carburización se pasa a través del lecho solo una vez.
28. 28. El proceso, como se reclama en la reivindicación 27, en donde dicho material que contiene hierro comprende al menos 50 porciento mol de óxido de hierro.
29. 29. El proceso, como se reclama en la reivindicación 27, en donde dicho óxido de hierro es al menos aproximadamente 75 porciento mol de hematita.
30. 30. El proceso, como se reclama en la reivindicación 27, en donde al menos 70 porciento mol de dicho óxido de hierro se convierte a hierro metálico en el paso (a).
31. 31 . El proceso , como se reclama en la reivindicación 27, en donde el tiempo de contacto en el paso (a) entre dicho gas reductor y dicho material de alimentación que contiene óxido de hierro varía desde aproximadamente 30 hasta aproximadamente 1 ,200 m inutos.
32. 32. El proceso, como se reclama en la reivindicación 27, en donde dicho producto que contiene hierro metálico comprende al menos aproximadamente 65 porciento mol de hierro metálico.
33. 33. El proceso, como se reclama en la reivindicación 27, en donde al menos 90 porciento mol de dicho carburo de hierro es Fe3C.
34. 34. Un proceso para convertir óxido de hierro en carburo de hierro, comprendiendo: (a) poner en contacto, en una primera zona de reacción, un material de alimentación que contiene hierro con un gas reductor comprendiendo principalmente gas hidrógeno, para convertir dicho material de alimentación que contiene hierro en un producto que contiene hierro metálico, en donde el producto que contiene hierro metálico comprende al menos aproximadamente 70% mol de hierro metálico; (b) transportar el producto que contiene hierro metálico a una seg unda zona de reacción diferente de la primera zona de reacción; y (c) cuando el producto que contiene hierro metálico está en la seg unda zona de reacción , pasar un gas de carburización comprendiendo principalmente monóxido de carbono y gas hidrógeno y que tiene una temperatura de gas a través de un lecho que contiene dicho producto que contiene hierro metál ico para formar un producto que contiene carburo de hierro, en donde al menos la mayoría del monóxido de carbono en el gas de carburización se pasa a través del lecho no más de una vez y la tem peratura de gas es mayor q ue aproximadamente 450°C .
35. 35. Un proceso para convertir hierro metálico a carburo de hierro, comprendiendo: poner en contacto un material de alimentación comprendiendo al menos aproximadamente 70% mol de hierro metálico con un gas de carburización, comprendiendo al menos aproximadamente 15% mol de monóxido de carbono y al menos aproximadamente 80% mol de gas hidrógeno para formar un producto que contiene carburo de hierro y un gas de salida de carburización, en donde al menos la mayoría del monóxido de carbono sin reaccionar en el gas de salida de carburización es consumido como una fuente de combustible en el proceso. RES UM EN La presente invención es un proceso para la rápida conversión de material que contiene óxido de hierro en carburo de hierro. El proceso incluye un primer paso en el cual el material que contiene óxido de hierro se pone en contacto con un gas reductor que contiene una alta concentración de gas hidrógeno, para formar un producto intermediario que contiene hierro metálico, y un segundo paso en el cual el producto que contiene hierro metálico se pone en contacto con un gas de carburización teniendo altas concentraciones de gas hidrógeno y monóxido de carbono, para producir carburo de hierro. El monóxido de carbono sin usar en el gas de salida del segundo paso, no se recicla al segundo paso, pero se usa como una fuente de combustible.