SISTEMA DE REDUCCIÓN DIRECTA INTEGRADA DE HIERRO
Campo Técnico Esta m.encion se lefiere a La producción de hierro -..echante 'a reducción directa de mineral de hierro y pro-, ee una mejora c_v ?o que la reducción directa del mineral de hierro se irtegia efectivamente con la generation de energía Preferiblemente la integración también incluye una planta de separación de aire ta! como una plañía de separación de aire criogénico Técnica Antecedente El mme-al de hieiro u oxido de hierro se 'educe directamente a hierro metal ce poniendo en contacto e' mineral ae >-?e??c directamente con un reductoi La reducción onecía de¡ m • ,. ?al dc rue'ic para producir hieiro metálico consume cant'dace--significativas e energía pero la ubicación geográfica óptim de dichas plantas de reducción directa con frecuencia esta en a?e?s 1 donde la energía creciente para operar la ¡?'anta no esta fac" y eficientement disponible Consecuentemente es un objetivo de esta invención proveer un proceso para la producción de hiepo mediante la reducción dilecta de mineral de hierro que puede operarse efectivamente en cualquier ubicación geográfica sin importar la disponibilidad exogena C!P energía en dicho lugar Co JUP e __ io d e_| a _m ve nc ?p_n Los ante" o es y otros objetivos que serán e.iaentes pa a los expertos en la ".atería al leer esta descripción se oot-enen mez. ante la presente intención un aspecto de la cual es Un metoco para producir hierro que comprende (A) gene-ar gas de síntesis y pasar dicho gas ae síntesis a un recipiente de reacción' (B) proveer mineral de hierro en el recipiente de reacc on y hacer reaccionar el mineral de hierro con el gas de síntesis centro del recipiente :e reacción para producir hierro y gas secunda o de reacción que C D more nde n . o n oxido de carbón hi rogeno d i o \ .-o de carbón y vapor acua (C) recuperar el hierro del recipiente de reacción (D) remo.er por lo menos algo del vapor ae agua de gas secundario del reactor para producir gas secundario de la secadora y (E) quemar el gas secundario de la secadora en una turbi a ae gas para producir energía Otro aspecto de la invención es Aparate para producir hierro que comprende (A un ge erador de gas de síntesis y medios para pasar tiuino de hidrocarburo en el generador de gas de síntesis (B) un recipiente de reacción para la reducción directa medios para pasar el mineral de hierro en el recipiente de reacción de reducción directa y medios para pasar el gas de síntesis del generador de gas de síntesis en el recipiente e reacción ce reducción directa (C) medies para recu erar hierro ce: recipiente ae reacc o" ce reducción directa (D) una secaaora y medios para pasar el gas del recipiente ce reacción de reducción directa a la secadora, y (E; una turbina de gas y medios para pasar el gas de a secadora a la turbina de gas Como se usa en la presente, el término gas de síntesis significa una mezcla que comprende monoxido de carbón e hidrógeno. Como se usa en la presente, el termino "mineral de hie-O significa Lino o mas óxidos de hierro tales como oxido férrico y oxico fe roso Como se usa en la presente, el termino secadora significa equipo que puede remover humedad en una mezcla e gas Ei equipo puede utilizar un material, tal como un absorbente para remover vapor de agua de la mezcla de gas. o medios de 'ntercambio ae calor, tales como un enfriador y un separador de fases subsecuente. para remover el agua condensada de la mezcla de gas Como se usa en la presente, el término "turbina de gas' significa una unidad que combina un compresor de aire un quemador y un expansor de gas para generar energia de los pozos de la combustión de nivel de presión elevado de un combustible adecua o Normalmente los componentes del compresor de aire y e! expansoí de gases se montan sobre los pozos comunes aue también . eden derivar otros componentes de fluidos que consu men ene 3?a o generador eléctrico Como se usa en la presente el termino aire ce alimentación significa una mezcla que comprende principal ente ox'geio y nitrógeno tal como aire ambiental Como se usa en la presente el termino planta de sepa ación de aire significa equipo q?e p?ede separar el aire ae alimentación separada y pi educir por lo menos uno de oxigeno y mtiogeno Como se usa en la presente el termino piapía de sepa ?c?on de aire criogénico significa una planta ae separación de aue que comprende por lo menos una columna en donde pe 'o menos parte de la operación de la colum a se lleva a cabo a t e p e > a t u i a er o por debajo de 150 grados Kelvm (K) Como se usa en la presente el termino columna significa una columna o zona de destilación o fracción ación es decir una co jmna o zona de contacto en donde las fases liquida y de vapor se ponen en contacto contracorriente para efectuar la separación e un,-, mezcla de fluidos como por ejemplo poniendo en contacto ¡as 'ases de vapor y liquido sobre una serie ae chai ola o plantas epa' adas verticalmente montadas dentio de los elementos de columna V? empaque tales como empaques estructurados o aléatenos Como se usa en la presente el termino pl nta de sepaiacion de aire de adsorción de balanceo de presión significa una planta o. separación de aire para llevar a cabo la separación del aue ae alimentación que comprende los pases principales de adsorcon durante la cual preferencia1 mente se absorbe LUÍ ce moon ente ce a , ' e de alimentación en el absorbente y la regeneración c a eso rbs c n donde preferiblemente el componte absorbido se oe1 absorbente por una reducción en la pres on B _.__ ___e_ ._____. scppcion de los Dicuios La Figura 1 es un diagrama ce flujo de una moda I 'dad preferida de la invención en donde la Síntesis de generador de gas es un reformador La Figura 2 es un diagrama de flujo de otra modalidad preferida de la m.-encion que emplea aos gen erad eres de gas de síntesis difeieníes La Figura 3 es un diagrama de flujo de otra modalidad preferida de la invención que emoles grandes cantidades ce re ciclado de gases secundares La Figura 4 es un 'agrama de f I LIJO de «.¡i.3 modalidad preferida de la invención en donde se emplea tanto e, oxigeno como el nitrógeno se producen por la planta de separación ae aire La Figura 5 es ?n diagrama de flujo de aun o?a oda dad preferida de la invención en donde se usa un solido o combustible del vehículo pesado para generar el gas de síntesis Los números de las Figuras son iguales para los elementos comunes Descripción Detallada La invencicn emplea un subproducto de la reaurcion directa ce mineral de h?erro para gererar energía y preferible líente ta^.c en para reciclar el oropio proceso de reducción directa La prcd. ccicn de energía facilita la ubicación de la planta de reducción directa en donde la energía no es fácilmente disponible y el rec ciado aumenta esta facilitación reduciendo los requerimientos de energía del procedo de reducción directa Mas preferiblemen e el sistema también esta integrado con una planta de separación de a'-e tai como una planta de separación de aire criogénico que me oía ademas las ventajas del airegio globai La invención sera descrita en detalle con re*etenc?a a los Dibujos Haciendo ahora a la Figura 1 ei fluido de hicrocarbui o '00 normal y preferiblemente gas natural comprendido p r i . c i o a • m e >~ t e ce metano pero el cual puede estai comprendido parcial o completamente otros hidrocarburos ligeros hasta e incluyendo nafta vaporizada se mezcla con el gas secundario reciclado 105 para formar la comente de alimentación 110 que se pasa en el geneodoi de síntesis 500 En la modalidad ilustrada en ¡a Figura 1 el generador de gas de síntesis 500 es un reformaaor Dentro dei reformador 500 el dióxido de carbón reacción con hidrocarburo Lina reacción endotérmica para formar gas de síntesis El calor puede proveerse al reformador 500 para derivar las reacciones endotérmicas mediante la combustión de gas natural co o se muestra por el elemento 115 El gas de síntesis 120 el cual incluye monoxido de carbón e hidrogeno generado en el generador de gas de síntesis 500 asi como monoxido de carbón e idrogeno reciciaco del reactor de reducción erecta se pasa pre*e- ?L"ep.enfe co - :• se 11 u s t r a en la - i g u r a 1 sin enfriami nto mas a ¡a el r e s u , t a n i e d X transferencia de calor natural, en el recioiente de react."' de reducción directa 510 El mine "al de hierro 210 se pasa en e? -ecipiente ae red- cion de reducción directa 510 y dentro del reci ' ; 10 el m ¡ n i n ae hierro se pene en contacto con el gas de síntesis caliente que generalmente esta a una temperatura dentro ce !a escala de 76G°C a 982°C. y reacciona con el gas de síntesis. La leaccion del gas de síntesis con el mineral de hierro reduce el mineral de hierro a nierro metálico y produce dióxido de carbón y vapor de agLia El nierre resultante se recupera del recipiente de leaccion de rec?.,:c?on directa 510 como se muestra en la corriente 2 __ C El gas secundario 125 del recipiente de reacción de reducción directa 510 ei cual comprende dióxido de carbón y vapor de agu de la reacción de reducción directa asi como un rponoxido de carbón sin reaccionar e hidrógeno se pasa a ia secadora 520 en donde ei gas secundario se enfria y por lo menos algo del vapor de agua en el gas secundario del reactor 510 se condensa El agLia condensada resultantes se remueve de ia secadora 520 como se muestra por la comente 200 y ei gas de secundario resultante de la secadoia se pasa en la comente 130 desde la secadora 520 al compresor 530 en donde se co prime en tina presión generalmente e tro e la escala de 2 1 a 21 kg /cm2 abs Se deberá entender que aunque el gas secundario 125 se trata para remover a^go de su . a p o r de a g .. a contenido el gas secundario de ia secacora resultan 130 de -echo aun retiene algo de vapoi de agua ) puece saturaise a :s= condiciones de salida de la secadora 520 Una porción 105 de gas secundario comprimido íesultante 135 dei primero compresor 530 se reacia En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura 1, ?a porción 105 se recicla al reformador 500 Otra porción 140 comprendiendo generalmente ce aproximadamente 5 a 70 por ciento del gas secundano ce ? a secadora se pasa ei segundo compresor 540 en do rae ademas se comprime a una presión generalmente dentro de la escala de 10 5 a 35 15 kg cm" abs El gas secundario de secadora adiciona1 1 -i 5 comprimido adicional mente después se pasa a la turb na de gas 560 en donde se quema para producir energía Si se desea se puede proveer combustible adicional tai como gas natural 150 a la turbina de gas 560 para la generación de energía aumentada La energía producida por la turbina de gas 560 mostrada en la forma oe representación como 155 pLiede ser eléctrica o mecánica Es decn la turbina 560 puede Lisarse para impulsar un generadoi o se puede Lisar para impuisai directamente maquinaria tal come un compieseí La Figura 2 ilustra otra modalidad de ia mvencion en donde el gas de síntesis adicional se genera usando ya sea una unidad de oxidación parcial o una unidad autotermica como un segundo generador de gases de síntesis Los elementos de la modalidad cié la invención ilustrados en la Figura 2 que corresponden aquellos de la modalidad ilustrada en la Figura 1 se enu eran igual y ~c se describirán de uevo en detalle Haciendo retere ncia ahora a , a c? Lra 2 e aire de a limen cón 10 se pasa en la planta de separación ae aire ~C0 Preferible "ente la planta de separación de aire 700 es una p'anta ae seoarac c- ae aire criogénica a ? n q u e también puede ser una e i a n t a de sepatacion de aire de adsorción de balanceo de piesion Dentro de la planta de separación de aire 700 el aire de alimentación se separa en ox geno de producto 15 y opcionalmente nitrógeno de proaLicto 20 S> la planta de separación de aire es una planta de sepaiacion de aire criogénica también se pueden producir otros productos tales como argón y/o oxigeno liquido representado por la corriente de productos 21 El oxigeno 15 producido en la planta de separacon de a?,e que tiene una concentración de oxigeno de por io menos 70 ooi cento molar preferiblemente por lo menos 90 por ciento mo'ar se pasa en el generador de gas de síntesis 501 junto con el fluido ce hidrocarburo 101 que ouede caractepzai se igual que ?a caracterización de fluido 100 y generalmente es ae ¡a misma f?en e qtie el fluido de hidrocarburo 100 El generador de gas de síntesis 501 puede sei una unidad ae oxidación parcial o una unidad autotermica En una unidad de oxidación parcial el oxigeno reacciona con el fluido de hidrocarburo para producir monoxido de carbón e hidrogeno En LUÍ a unidad autoteimica también hay monoxido de carbón pioducido e hidi oqe?, por la oxidación parcial de hidiocarburo con oxigeno de la planta tíe I ?< separación ae aire aunque a un grado menor aue en la un ¡cae ce oxidación parcial y adicional mente se p r e .• e e .' a p c ' e '" la i n dad autotérmica para generar monoxido ae carocí a d i c i c -- a I e hicirec c vía un proceso de reformación de hidrocarburo de apor El gas ce síntesis generado en el generador de gas de sintes s 501 se pasa entonces en el recipiente de reacción de reducción cirecta 510 De preferencia como se ilustra en la Figura 2 ei gas ae síntesis ael generador 501 se pasa en la comente 118 en la corriente 120 para formal vapor combinado 121 "para el paso en e recipiente ce reacción 510 El resto del sistema ilustrado e"> ¡a Fig. 'a 2 es b'nva al ilustrado en la Figura Si se desea una porción de gas s e c L¡ n d a r i o seco 130 m o s 11 a o c o m o la co ente 131 pueae absorberse y usarse en cualquier parte del proceso por e j e p • o como una fuente de combustible para genera- calor oa a usarse en el reformador 500 La Figura 3 ilustra una modalidad preferida de la invención en donde el gas secundario se reacia ta • i to corriente aipba como corriente bajo del generador de gas de síntesis Los números de ia Figura 3 son iguales que aquellos en los otros Dibujos para los elementos comunes y dichos elementos com Lines no serán tratados de nuevo en detalle Haciendo referencia ahora a la Figuia 3 el gas secundario compiendido 135 se divide en la porción 140 y la porción 36 Una primera parte 160 de la porción 36 se reciba en i a alime tación p a r a el recipiente de reacción de reducción directa 510 Una segunda porción 137 se oasa en el calentador encendido 5C0 junto :c " e' combustible 1 .5 El gas secundario caliente 3 C 5 del cale "? dor encendido 600 entonces se pasa en la comente 10 _ y ¡a ce ne te combinada resultante 110 se pasa en la u idad de oxidación ca c-al 500 en donde se genera ei gas de síntesis La ce r ente de g?s c_ síntesis caliente 118 de 'a unidad de oxidación caiciai 570 se combina con i a comente de <ec?clado ae gas secunaapo 16C paia foimar la comente 320 que después se alimenta en el recipiente de reacción 510 El uso del calentador encendido opt miza el cesto global del sistema El p recalenta miento de una po ción de' gas reaclado reduce la cantidad de oxigeno necesaria pa"a sostener las reacciones de reformación endotérmica en la uniaac de oxicacion parcial La Figura 4 Mustia Lina odalidad preferida ae 'a invenc . n en donde el generador de gas de síntesis es cua qL ier uniaaa ae oxidación parcial o una unidad autotermica y ia planta de separación de aire es una planta de sepaiaaon de aire criog nica Los nu??eros en la F i g u i a 1 son iguales que aqu ellos en otios Dio u jos para los elementos comunes y estos elementos comunes y estos elementos comunes no serán tratados ae nuevo en detalle Haciendo referencia ahora a ia Figura 4 el fluido de hidrocarburo 1010 se pasa en el calentador encendido 600 junto con ei combustible 115 El fluido de hidrocarburo caliente 111 del calentador encendido 600 y el oxigeno 15 producidos en la planta de separación de aire criogénica 700 se pasa en el generador de gas de síntesis 501 ei cual puede ser Lina unidad de oncacion pa": a > o una unidad autotermica. Si el generador ae gas de síntesis _ _ ' es una unidad autotermica. el vapor se agrega preferirle ..ente a; " _ co de hidrocarburo 100 comente arríba o el calentador encendido Z J El gas secundario de la secadora a105 del primer comcesor
530 se combina con el gas de síntesis 117 del generador de cas de síntesis 501 para formar la comente de gas de síntesis 120 En ia modalidad de la invención ilustrada en la Figura 4 el com bu st- ble que contiene hidrocarburo 116 se agrega directamente al cas ae síntesis caliente 120 para fo mar la co ente de ali entación ' _. al recipiente de reacción de reducción directa 510. Esto t ene la ntaja de qLie se reforma algo en la corriente de gas de síntesis caliente y la capacidad de la reacción de reducción directa cara reducir el hidrocarburo a carbón o hidrogeno Debido a la aita températe 'a ae las comentes 120 y 122 y la presencia en la misma de dióxido de carbón de la corriente de reciclado 105. se presentara a gima reformación de hidrocarburos en la comente 122 antes de que entre-ai recipiente de reacción 510 En el recipiente de reacción 510 ia reformación adicional tomara lugar asi como la separación ele hidrocarburo a carbón e hidrogeno. Una ventaja que resulta cié la adición del combustible de hidrocarburo 116 a la alimentación de gas de síntesis al recipiente de reacción 510 es una reducción en la cantidad de gas de síntesis que deberá producirse en el generador de gas de síntesis 501 reduciendo asi su tamaño asi como el tamaño de la planta de separación de aire Ademas debido a que la reacción 1 de reformación es endotérmica la cantidad ae leciclado e.n la comente 105 uede reducirse mientras o. e aun pío íe la temperatura de entrada aeseada ai recipiente de reacoc ~ ue reducción directa 510. En la m o c a I > d a d de la invenció M LI s t r a d a e las Figura 3 \ 4 se provee agL.a 190 a la secadora 520 y se vap;-?:a por intercambio de calor indirecto con el gas secundado caliente 125 con la cor- ente resultante 195 que se pasa a la turbina 560 para usarse con el f n de generar energía adicional La modalidad de la invención ilustrada en :a Figura 4 también emplea nitrógeno producido en la planta de separación de ai e 700 en la turbina de gas Mientras que algo de nitrógeno 25 de la n.anta 700 pLiede recuperarse por lo menos algo del nitrógeno del producto generalmente teniendo una concentración de i troce- o de por lo menos 95 por ciento mola se pasa e la comente 26 al compresor de nitrógeno 710 en donde se comprime a una presión generalmente dentro de la escala de 2 1 a 21 kg /cm" abs La comente de nitrógeno comprendido resultante 30 después se combina con la corriente ae gas secundario seca 140 para formar la corriente 136 que después se comprime ademas en ei segundo compresor 540 y después se pasa como la comente 146 a la turbina 560 para la generación de energía El nitrógeno de la planta de separación de aire sirve para dos cosas La ppmeía es reducir la temperatura de flama en el quemador de turbina de gas de manera que reduzca el nivel de óxidos de nitrógeno (NOx) generados en el 1 quemador La segunda r unción de a adición ce nitrógeno es para el aumento de energía La asa ad cíonal asoaaaa con e rut'cgenc puede usarse para asegurar que la turbina de gas se ope-e ceica de SLI limite mecánico aseguiando a s > la utilizaao máxima de capital de turbina de gas La Figura 5 ilustra otra moda idad de la >n enaon en donde el combustible usado para generar el gas de síntesis es solido y/o liquido pesaao Los números en la Figura 5 son los iguales que aquellos en ,os otros Dibujos para los elemeivos comunes y estos elementos comunes no seían tratados ae nueve en detalle Hacienso referencia ahora a la Figura 5 e> combustiole soliao y/o liquido pesado 205 tal como carbón vegetal coque ce petróleo aceite íesidual se pasa en la unidad de oxidac on parcial 501 ?unto con oxigeno 15 y agua de alimentación del calentaaor 191 La comente de gas de síntesis 212 se letira de la unidad 501 y si se desea, se pasa a través de la unidad de remoción de azufre 505 que puede ser una unidad de absorción convencional un sistema pasado en amina, o una unidad de alta temperatura Se .emueve las escorias de la unidad 501 en ia comente 101 y el vapor se pasa de la unidad 501 en la comente 196 a la turbina 560 La L. o i pe nte ae gas de síntesis des ulfu rizada 213 se divide en la comente 214 que se pasa en la turbina 560 y en la comente 217 qLie se combina con la comente de reaclado 105 para formai la comente 222 Esta comente se calienta en el calentador encendido 506 que utiliza el combustible 216 y la comente resultante 224 se pasa en el recipiente de reacción de reducción directa 510 paia procesa se como se describió previamente Ahoia mediante el uso de esta invención se ;uede p'Dc. cu hierro mediante la reducción directa de rn neial de hierre " -. efectivamente con los sistemas convencionales El su cp'oductc de a reducción directa se usa para generar energía y tamb en se cuece usar para reducir la cantidad de gas de síntesis que debe generar para llevar a cabo la reducción directa La eneigia generada ouede usarse, entre otras cosas para operar una planta de separador ce aire y ios productos de la planta de separación de ane se pueden Lisar para la generación de gas de síntesis y ta rbien p_ra 'a reducción de NOx y para el aumento de geneíacion de e e i g i a Aunque la invención se ha descrito en detaile c n refeienc a a ciertas modalidades preferidas los expeitos e . 'a materia leconoceran que hay otras modalidades de la invenc on dentro del espintu y alcancen de las reivindicaciones