PT1373581E - Método de fundição de redução num forno em forma de chaminé com recuperação de metais secundários voláteis - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

MÉTODO DE FUNDIÇÃO DE REDUÇÃO NUM FORNO EM FORMA DE CHAMINÉ COM RECUPERAÇÃO DE METAIS SECUNDÁRIOS VOLÁTEIS

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um método para a produção de metal fundido por redução de óxidos do metal. Isto inclui a produção de ferro fundido, incluindo ferro gusa e ferro ultimado, bem como ligas de metal.

Processos de redução destinam-se tanto para produzir aço directamente de minério de ferro ou fazer um produto equivalente a ferro gusa de alto-forno para uso em processos convencionais de fabrico de aço, ou a produzir aço de baixo carbono como um concentrado de fusão para produzir aço através dos processos convencionais. Este processo destina-se em geral a suplantar altos-fornos como uma fonte de produção de ferro fundido para fabrico de aço.

Os altos-fornos são tipicamente constituídos por uma torre vertical em que uma carga compreendendo minério de ferro, pastilhas ou aglomerantes, conjuntamente com coque e pedra calcária, são sequencialmente carregados através do topo da fornalha para formar uma coluna contínua de material de carga. Na parte inferior da fornalha, ar atmosférico, que pode ser pré aquecido, é adicionado à carga. Quando os materiais de carga entram em contacto com gases quentes que estão a ascender através da forja, o coque é pré aquecido por estes gases de modo que quando alcança a parte inferior da fornalha e entra em contacto com o ar introduzido na fornalha, irão inflamar-se. Como resultado das altas 1 temperaturas existentes nesta área da fornalha, o dióxido de carbono não é estável e reage imediatamente com o carbono para formar monóxido de carbono. Esta reacção não é apenas a única fonte principal de calor para a operação de fundição, mas produz também uma redução de gás (CO) que ascende através da fornalha onde pré aquece e reduz o óxido de ferro na carga enquanto desce através da fornalha. A capacidade de produção de um alto-forno é uma função do volume ou área interna e os parâmetros da concepção da fornalha para uma determinada capacidade da produção. Consequentemente, para aumentar a capacidade necessita de aumentar o tamanho do alto-forno e consequentemente ajustar os parâmetros da concepção. A EP-A 551992 descreve um processo para recuperar metais valiosos de um pó de oxido de ferro aglomerado usando um forno em forma de chaminé. A US-A-4488905 descreve um método de redução e recuperação de metal volátil de óxidos de metal usando um reactor de chaminé preenchido com coque e equipado com um queimador de plasma. A EP-A-387479 descreve um processo retorto de chaminé de alimentação continua e um aparelho para recuperação de metais que não sejam de fero a partir de pós de produção pirotécnico metalúrgico.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção proporciona melhoramentos sobre a operação de alto forno convencional acima descrita na produção de metal fundido, em particular ferro fundido. De um modo especifico, o método de acordo com a invenção é usado em associação com um forno em forma de chaminé que pode produzir ferro fundido, ferro gusa ou outras ligas de metais de um 2 modo mais efectivo em relação a custos do que o no uso de operações de fundição convencional, incluindo altos-fornos. A invenção proporciona vantagem adicional na conservação de materiais finos dos gases do bocal na forma de óxidos de metal, tais como zinco, cádmio e semelhantes e permite a recuperação e a reciclagem destes metais e óxidos. 0 método para a redução de óxidos de metal de acordo com o melhoramento da presente invenção proporciona vantagens sobre as práticas convencionais pelo o uso novo de um forno em forma de chaminé para fundir. A este respeito o método compreende reacção de uma carga de um óxido de metal e um redutor para produzir um metal fundido primário do óxido de metal e gás contendo monóxido de carbono e um metal secundário adicional e óxidos que são diferentes do metal fundido primário e óxidos de metal. 0 gás é dirigido de modo ascendente no forno em forma de chaminé e para longe desta carga. A temperatura do gás é controlada num local do forno em forma de chaminé acima da carga para estar a uma temperatura que seja mais elevada que a temperatura de condensação dos metais e óxidos secundários. Isto evita que os metais e óxidos secundários no gás de aderirem à parede interior do forno em forma de chaminé. Por conseguinte enquanto o gás passa de um modo ascendente e é removido da fornalha os óxidos e os metais secundários são removidos do gás. Estes podem então ser reciclados de várias formas, incluindo usando o mesmo na produção de aglomerados para o uso numa carga a ser refinada. A temperatura do gás é controlada através de variação da altura da carga no interior do forno em forma de chaminé. Em adição a temperatura do gás poderá ser controlada através da 3 variação do rácio da combustão do gás através do uso de um queimador para aquecer o gás enquanto o gás é dirigido de um modo ascendente no interior do forno em forma de chaminé. A temperatura do gás pode ser de um modo adicional controlada através do controlo do rácio de reacção da carga. 0 gás removido da fornalha consiste essencialmente em dióxido de carbono e nitrogénio. A carga pode incluir minério de ferro. Em adição, a carga pode incluir aglomerados que são auto redutores, auto aplicação de fluxo, ou ambos.

Em práticas de redução convencionais, a redução ocorre por meio do CO gerado pela combustão parcial do coque. 0 CO expande-se na carga com a redução a ter lugar de acordo com a reacção Me + C0=> Me + CO2. 0 gás CO2 gerado nesta redução expande-se no sentido oposto do CO. Esta reacção requer uma determinada quantia de tempo para a difusão completa no interior da carga. Isto requer fornalhas com períodos de tempo de residência para a carga no interior da fornalha, que é típico de fornos em forma de chaminé.

Contudo, aglomerados de auto redução, exibem condições que são de um modo significativo mais favoráveis à redução. 0 contacto mais íntimo entre o minério ou o óxido e o carbono do redutor (carvão ou coque) permite uma reacção mais curta de tempo visto não haver necessidade para espalhar o CO no interior do aglomerado. A redução ocorre de acordo com as reacções abaixo, e é programada no interior do aglomerado para este propósito: 4 2 MeO + C ==> 2Me Co2 C02 + C ==> 2 CO MeO 9 CO ==> Me + C02 O próprio aglomerado estabelece assim na prática um sistema semi-fechado, em que a atmosfera é uma atmosfera de redução, durante o período total quando o carbono se encontra disponível no interior do aglomerado. Por outras palavras, os aglomerados de auto redução, como implícito em tal designação, mantêm-se dentro da sua mesma atmosfera reduzida que é independente das características da atmosfera exterior, que é a atmosfera existente no interior do forno em forma de chaminé fornecido pelos gases ascendentes. É assim possível converter em energia para o processamento de Co presente na atmosfera da fornalha fornecida pela queima parcial do combustível e a redução de reacção que ocorre no interior dos aglomerados e de um modo adicional permitir controlo da temperatura e a característica (oxidização ou redução) dos gases de topo.

Nos processos de fusão que usam fornos em forma de chaminé, a presença de coque ou outro combustível de estado sólido, fornecido através a parte superior da fornalha durante o curso da operação, segue a um trajecto descendente com o resto da carga, reagindo como C02 ascendente, numa relação de contra corrente de acordo com a reacção C02 + C ==> 2C0. Isto resulta num grande consumo de material de carbono, evitando assim, utilização efectiva deste para o processo de redução/fusão.

Devido a um tempo de residência curto necessário para o processo de auto redução de acordo com a invenção, é possível 5 operar a fornalha de acordo com a presente invenção com tamanhos de carga pequenos. É também possível controlar a temperatura de escape dos gases de topo a partir deste momento e manter na forma de vapor ou em finas partículas de óxidos ou metais que contamina os resíduos usados nos aglomerados. Por isso, este material pode ser recuperado pelo sistema de purificação de gás. Porque redução do conteúdo e a presença não metálica presente no resíduo, os finos recuperadas no sistema de purificação de gás exibem elevadas concentrações destes óxidos e metais, tais com por exemplo acima de 20%, rendendo a recuperação subsequente economicamente viável. Onde a concentração dos óxidos ou dos metais não alcança o nível desejado de recuperação económica, é possível reciclar estes finos as vezes que forem necessárias incluindo a mesma na produção de aglomerados de auto redução para aumentar o conteúdo disso nos aglomerados e assim aumentar a concentração destes finos recuperados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é uma vista em perspectiva parcial esquemática de uma forma de realização do equipamento para praticar a presente invenção. A Figura 2 é uma vista em elevação do equipamento da Figura 1. A Figura 3 é uma vista em secção transversal que mostra os dispositivos de distribuição de carga deste equipamento. A Figura 4 ilustra um sistema de purificação de gás capaz de reter os metais vaporizados no interior da fornalha e os 6 finos de óxidos de metal que saiem da fornalha em conjunto com os gases de topo. A Figura 5 é uma vista em secção transversal de uma estrutura cachimbo contendo queimadores para controlar a combustão do gás vaporizado da fornalha.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS A fornalha de acordo com a presente invenção permite o controlo da temperatura de escape dos gases quentes através de um rácio de queimadores menor ou maior dos gases de combustível providenciado pelas regiões mais baixas e a redução dos óxidos presentes nos aglomerados. Deste modo, é possível manter no vapor ou num estado particularmente fino os metais e os óxidos presentes nos aglomerados em bruto. Isto inclui materiais com temperaturas de vaporização abaixo 1, 000°C, tais como Zn, Cd, e Pb, que poderiam de outro modo condensar nas paredes da fornalha.

Assim sendo, os gases quentes a elevadas temperaturas e contendo o vapor dos metais contaminantes dos óxidos disso mesmo na forma de finas partículas são expelidas da fornalha e, como mostrado na Figura 4, através da saída de gás 3 para o sistema de purificação de gás, em que ocorre, nos dispositivos separados 6 (por exemplo, dispositivos do tipo precipitador ou ciclone), a condensação de tais vapores e a separação dos mesmos, conjuntamente com os restantes finos, dos gases de topo, que seguem um curso através da restante porção do sistema de purificação de gás 7.

Os finos capturados nestes separadores 6 tem concentrações acima dos 20% de metais ou óxidos contaminadores devido do 7 abaixamento do rácio de ferro presente nas matérias-primas, tornando a sua recuperação economicamente praticável.

No caso de a quantidade de residuos que contem contaminantes não ser suficiente para assegurar uma concentração economicamente praticável deste metais ou óxidos, é possível operar a fornalha da presente invenção fornecendo os aglomerados contendo estes contaminantes apenas num sector da fornalha, tal como por exemplo numa das extremidades disso, e retirar e separar estes metais antes da mistura estar completa nos gases de topo do resto da fornalha de modo a providenciar a concentração disso a níveis economicamente praticáveis. A nova construção de fornalha, como mostrado nas Figuras 1 a 3, é essencialmente compreendida de uma chaminé superior 1, cilíndrica ou cónica, tendo uma forma transversal rectangular incluindo na parte superior um dispositivo de fornecimento ou dispositivos incluindo porta(s) 2, dotada com dispositivos de distribuição de carga 4 para permitir o posicionamento de aglomerados que contem os metais ou óxidos que se destinam a estarem concentrados. Uma saída ou saídas de gás 3 para descarregar gases compreendendo principalmente vários conteúdos de CO2, CO, H2 e N2 em adição aos fines produzidos pela desintegração da carga. Os vapores ou óxidos na forma de partículas podem fluir ao longo de tubos 5 para o sistema de purificação de gás 7 e os dispositivos de separar para os finos 6 que retêm as partículas condensadas de metal ou óxidos. Os gases são depois disso transportados para os dispositivos de recuperação ou regeneradores de calor (não mostrados), para pré aquecer o ar insuflado ou para qualquer outro propósito.

Na chaminé superior 1 encontra-se uma fila ou filas de alcaravizes 8 que insuflam ar quente ou ar frio, ambos enriquecidos com O2, ou não assim enriquecidos, para a reacção de queimar de CO e qualquer outros gases combustíveis que possam estar presentes, para dióxido de carbono de acordo com as reacções: C + 02 ==> C02 CO + 1 1/2 0 ==> C02 2 H2 + 02 ==> 2-H20 fornecendo calor à carga constituída por aglomerar auto redução, óxidos de ferro ou minério e contaminantes, e sendo auto fluxo ou não, gusa, detritos de metal, esponja de ferro, quer na forma de briquetes ou de outra modo, fundição ou detritos de metal, ou misturas desses compostos nas várias proporções possíveis. 0 equipamento ou fornalha incluem também uma chaminé inferior 9, de forma cilíndrica ou cónica, com uma forma transversal rectangular, tendo os lados mais largos na parte superior, disso que a chaminé superior 1, suficiente para o posicionamento de dispositivos de alimentação para fornecer coque ou carvão ou qualquer outro combustível sólido. Em torno da chaminé inferior 9, a um nível suficientemente elevado superior à base da chaminé superior 1, é fornecida uma secção de alimentação de combustível contínua, como mostrado na Figura 2. sendo esta secção alimentada por tubagem ou outras secções de fornecimento por válvulas estanques 10 para combustível sólido. De um modo opcional, condutas independentes 11 para fornecerem materiais combustíveis adicionais podem ser adicionados à secção de fornecimento de combustível de combustíveis sólidos para 9 proporcionar um fornecimento apropriado da camada de combustível, em especial de materiais finos que poderiam de outro modo serem retirados pelos gases da chaminé superior central 1, ou de materiais combustíveis tais como pneus usados, plásticos etc. A chaminé inferior 9 inclui uma ou mais filas de alcaravizes primárias 12 posicionadas para insuflar ar pré aquecido ou não pré aquecido, quer enriquecido com O2 ou não, e para injectar combustíveis líquidos, gasosos ou pós sólidos para queimar parcial ou totalmente, fornecendo a energia termal necessária para reduzir e/ou fundir a carga. A chaminé superior 1 e a chaminé inferior 9 podem incluir um material refractário monolítico (mostrado em linhas transversais sombreadas nas Figuras 3 e 4) e pode ainda incluir meios de arrefecimento. 0 metal fundido e a escória deixam a fornalha através da parte inferior da mesma. 0 combustível neste tipo de fornalha não precisa de ser adicionado conjuntamente com a carga no topo da chaminé tal como em práticas convencionais.

Esta fornalha providenciada com tais melhoramentos tem zonas atmosféricas diferentes, com características que podem ser reguladas por meio do tipo de combustível empregue e a injecção grande ou pequena de comburente nos vários pontos providenciados para o propósito. É então, possível, dependendo do potencial de oxidação através de CO2 do metal para ser recuperado e a característica da atmosfera (oxidação ou redução) prevalente no interior da fornalha, para recuperar o metal na forma oxidada ou metálica. 10

Os gases provenientes da zona inferior, flúem para trás contra a carga, transferindo para esta última a energia termal necessária para aquecer e reduzir ou simplesmente fundir.

Tendo em conta que a carga na chaminé superior 1 não contém quantias significantes de coque, carvão vegetal ou outro combustível sólido, A reacção Boudouard, C02 + C==> 2C0, que absorve calor e que em adição consome consideráveis quantidades de carbono, é minimizada. Assim, os gases de escape que deixam o equipamento são compreendidos essencialmente entre C02 e N2. Contudo, em modos de operação vários, variáveis de CO capazes de providenciar uma caracteristica de redução para o gás de topo e suficiente energia de calor para ser usada para pré aquecer o ar insuflado ou noutras partes da instalação pode ser usado.

Tendo em conta que é possível controlar a atmosfera no interior da fornalha bem como a temperatura dos gases de topo, é possível nesta fornalha evitar a acumulação de metais e/ou óxidos entranhados no gás de evaporação nas paredes interiores da fornalha como ocorre tipicamente no caso de fornalhas de cúpula e altos-fornos. 0 método da presente invenção permite grande flexibilidade em operação permitindo a fusão de detritos (incluindo detritos contendo elevadas taxas de contaminação de outros metais para além de ferro, tal como por exemplo, zinco) , ferro gusa, esponja de ferro ou qualquer outro tipo de material pré reduzido, que pode ser na forma de briquetes.

Este forno de gusa opera assim de acordo com o método da invenção apresentando a vantagem sobre a fornalha de cúpula 11 ou alto-forno ao providenciar uma grande economia de combustível, visto que o monóxido de carbono ou outros gases formados na parte inferior da fornalha poderão ser queimados na parte superior. Isto transfere a energia termal produzida durante a reacção para a carga descendendo através da chaminé. Os gases de escape são formados essencialmente por dióxido de carbono, nitrogénio, vapor de água e quantidades controladas de monóxido de carbono, hidrogénio e hidrocarbonetos. 0 forno em forma de chaminé pode também ser operado de acordo com a invenção para reduzir e fundir aglomerados de auto redução de minério resíduos industriais com ou sem contaminantes metálicos que podem ser recuperados como vapor ou finos de óxidos disso dos gases de bocal. Também neste caso, o monóxido de carbono que é formado é queimado ao longo da chaminé, e o calor desse modo gerado é quase inteiramente transferido para a carga descendente, aumentando consideravelmente desse modo a eficiência termal do equipamento. De um modo adicional, visto que o equipamento não inclui camadas de carvão ou coque ou outros combustíveis sólidos na carga da chaminé, a reacção C02 + C ==> 2C0 não ocorre para proporcionar uma redução de consumo de combustível. A secção de fornecimento de combustível sólido é também fornecido com um dispositivo de remoção de gás 13 equipado com válvulas de controlo de fluxo 14 capaz de assegurar a passagem de um determinado montante do gás para proporcionar pré aquecimento, pré secagem e destilação de fracções voláteis presentes em vários combustíveis sólidos, tais como carvão mineral, lenha, e/ou vários resíduos carbonosos. 12

Para regular e aumentar a temperatura do gás de evaporação para evitar condensação de depósitos de metal o cachimbo 16 da fornalha pode ter um queimador para aquecer este gás. 19-09-2006 13

Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Método para redução de óxidos de metal num forno de cova que tem uma chaminé superior e uma chaminé inferior compreendendo: a reacção de combustível sólido com o ar na chaminé inferior para produzir um primeiro gás quente que é dirigido para cima através da chaminé superior; a reacção de uma carga compreendendo um oxido de metal primário, um oxido de metal secundário e um redutor na chaminé superior para produzir um metal fundido primário do referido oxido de metal primário e um segundo gás contendo monóxido de carbono e um metal secundário e um oxido de metal secundário; o encaminhamento do referido segundo gás na direcção da parte superior da chaminé superior; o controlo da temperatura do referido segundo gás na parte superior da chaminé superior de modo a ser mais alta que a temperatura de condensação do referido metal secundário e o oxido de metal secundário variando a altura da referida carga no interior da chaminé superior; a remoção desse modo do referido segundo gás do referido forno em forma de chaminé; e a separação do referido metal secundário e o oxido de metal secundário do referido gás removido do referido forno em forma de chaminé. 1
2. 2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a referida temperatura do referido segundo gás ser controlada por variação de uma taxa de combustão do referido segundo gás usando um queimador para aquecer o referido gás conforme o referido gás se dirige para cima.
3. 3. Método de acordo com as reivindicações 1 ou 3, em que a referida temperatura do segundo gás é adicionalmente controlada através do controlo da taxa de reacção da referida carga.
4. 4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o referido segundo gás removido da referida fornalha consiste essencialmente em dióxido de carbono e nitrogénio.
5. 5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o referido metal secundário separado e os óxidos de metal secundários são reciclados para o uso numa carga subsequente para reacção.
6. 6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a carga inclui aglomerados compreendendo o oxido de metal e referidos redutores.
7. 7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a carga compreende um agente de fluxo.
8. 8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a referida carga compreende oxido de ferro. 19-09-2006 2