IT201900002081A1 - Impianto di riduzione diretta e relativo processo - Google Patents
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Description
IMPIANTO DI RIDUZIONE DIRETTA E RELATIVO PROCESSO
Campo dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce ad un impianto di riduzione diretta e ad un relativo processo, adatto in particolare per la produzione di ferro metallico mediante una riduzione diretta del minerale di ferro utilizzando gas riducente.
Stato della tecnica
Gli impianti per la produzione di ferro ridotto (DRI) di tipo noto sono costituiti da un reattore, o camera di reazione, in cui viene caricato ossido di ferro sotto forma di pellet e/o lump, e da una linea di trattamento e alimentazione di gas riducente atto a ridurre detto ossido di ferro nel reattore. Nella camera di reazione, o reattore, viene iniettato il gas riducente ad alta temperatura. Negli impianti di riduzione diretta comprendenti un reattore a letto mobile del tipo ad albero (a shaft-type moving-bed reactor), avente una zona di riduzione, il gas riducente è introdotto nella parte inferiore della zona di riduzione del reattore, e viene fatto risalire in controcorrente attraverso il letto di ossido di ferro per poi essere estratto dall’alto di detta zona di riduzione come gas esausto, ricondizionato e ricircolato. Il gas esausto in uscita dal reattore è soggetto ad un appropriato trattamento comprendente l’essere depolverato, privato dai prodotti di reazione (H2O e CO2) e compresso; viene poi mescolato con un make up di gas, tipicamente di gas naturale. Il flusso di gas, definito dalla miscela del nuovo make-up gas e del gas esausto riciclato dopo il trattamento sopra menzionato, viene inviato in un’unità di riscaldamento che lo porta alla temperatura richiesta dal processo di riduzione, normalmente oltre 850°C. Detta unità di riscaldamento può essere un riscaldatore a bruciatori (fired heater) o un riformatore di metano.
Il flusso di gas riducente riscaldato, nel quale viene iniettato ossigeno con lo scopo di aumentare ancora la sua temperatura, viene infine inviato nel reattore, nel quale, dall’alto, viene introdotto pellets e/o lumps di minerali contenenti ossidi di ferro da ridurre, mentre all’estremità opposta viene estratto il DRI (prodotto della riduzione diretta) che viene inviato attraverso un sistema di trasporto pneumatico o per gravità o attraverso dei nastri ad un forno fusorio.
Andando più in dettaglio nel processo di riduzione dell’ossido di ferro, l’ossigeno viene rimosso dal minerale di ferro mediante reazioni chimiche con idrogeno e monossido di carbonio, in modo da ottenere DRI con un alto grado di metallizzazione (rapporto tra ferro metallico e ferro totale contenuto nel DRI). Le reazioni di riduzione complessive coinvolte nel processo sono ben note e sono rappresentate di seguito:
Fe2O3 3H2 -> 2Fe 3H2O (1)
Fe2O3 3CO -> 2Fe 3CO2 (2).
L’idrogeno e il monossido di carbonio, reagendo con l’ossigeno dell’ossido di ferro, sono trasformati in acqua e anidride carbonica secondo le reazioni (1) e (2). Nel gas esausto in uscita dal reattore sono presenti, oltre ad H2O e CO2, anche H2 e CO non reagiti. Con lo scopo di recuperare e riciclare questi agenti riducenti H2 e CO, il gas esausto viene trattato come sopra descritto.
La riduzione degli ossidi di ferro è eseguita a temperatura elevata nel reattore di riduzione, ed il DRI prodotto può essere scaricato da detto reattore ad elevata temperatura.
Svantaggiosamente, quando il forno fusorio è in manutenzione o momentaneamente fermo per motivi produttivi, la produzione di DRI che non viene recepita dal forno fusorio deve essere deviata su altre linee di processo che di norma danno un prodotto finale freddo. Per evitare continui spegnimenti e riaccensioni dell’impianto di riduzione diretta, il reattore a scarica calda presenta sempre una possibilità alternativa di raffreddamento mediante raffreddatore esterno, che può essere caricato per gravità o mediante trasporto pneumatico. Il DRI freddo prodotto deve essere stoccato in opportuni sili inertizzati, onde evitare il rischio di ri-ossidazione del prodotto, per reazione del suo ferro metallico con l’ossigeno e l’acqua dell’aria. In alternativa il materiale può essere bricchettato (producendo HBI) comportando un costo di lavorazione addizionale, così assicurando un’elevata stabilità del prodotto che può essere trasportato e stoccato senza particolari precauzioni.
Questo raffreddamento del DRI, tuttavia, comporta l’installazione di sistemi di raffreddamento, trasporto e stoccaggio del DRI freddo, rendendo notevolmente complesso il layout dell’impianto di riduzione.
Inoltre, quando il forno fusorio necessita di essere nuovamente alimentato, il DRI freddo caricato nel forno fusorio causa un maggiore consumo di energia durante la fusione, se comparato con il consumo di energia per la fusione del DRI caricato a caldo.
E’ pertanto sentita l’esigenza di realizzare un impianto di riduzione diretta ed un relativo processo in grado di superare i suddetti inconvenienti.
Sommario dell’invenzione
Uno scopo della presente invenzione è di realizzare un impianto di riduzione diretta che permetta temporaneamente di regolare la portata di gas riducente destinato al reattore, mantenendo le normali condizioni operative dell’unità di riscaldamento o unità di reforming, e pertanto di adattare il tasso produttivo dell’impianto di riduzione diretta alle esigenze produttive del forno fusorio, senza dover deviare la scarica del DRI caldo dal reattore verso la produzione di DRI freddo in caso di fermo dell’acciaieria, per cui l’invenzione permette di accelerare la produzione di DRI caldo fino al livello nominale del reattore quando il forno fusorio richiede la massima alimentazione, e di fermare la produzione quando invece esso non ne richiede. L’invenzione comporta una notevole semplificazione del layout dell’impianto di riduzione, non essendo necessario prevedere l’installazione di sistemi di raffreddamento, trasporto e stoccaggio del DRI freddo. Un altro scopo della presente invenzione è di realizzare un relativo processo di riduzione diretta.
La presente invenzione raggiunge almeno uno di tali scopi, ed altri scopi che saranno evidenti alla luce della presente descrizione, mediante un impianto di riduzione diretta di ossidi di ferro che comprende
- un reattore avente una zona di riduzione ed atto ad essere caricato dall’alto con detti ossidi di ferro;
- una linea di trattamento e alimentazione per trattare gas di processo ottenendo una miscela di gas riducente e per alimentare detta miscela di gas riducente nella zona di riduzione;
- una linea di recupero e trattamento del gas esausto in uscita dal reattore, comunicante a monte con il reattore ed a valle con detta linea di trattamento e alimentazione;
caratterizzato dal fatto che è previsto almeno un condotto di by-pass atto a deviare almeno una porzione di detta miscela di gas riducente da detta linea di trattamento e alimentazione a detta linea di recupero e trattamento.
La linea di trattamento e alimentazione comprende una unità di riscaldamento o unità di reforming.
La linea di recupero e trattamento comprende un dispositivo di pompaggio.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione è previsto un processo di riduzione diretta, realizzabile mediante il suddetto impianto, che comprende i seguenti stadi: a) alimentare detta miscela di gas riducente nella zona di riduzione del reattore mediante la linea di trattamento e alimentazione;
b) recuperare e trattare il gas esausto in uscita dal reattore mediante la linea di recupero e trattamento comunicante a valle con detta linea di trattamento e alimentazione;
caratterizzato dal fatto che è prevista una deviazione di almeno una porzione della miscela di gas riducente da detta linea di trattamento e alimentazione a detta linea di recupero e trattamento mediante l’almeno un condotto di by-pass.
La soluzione dell’invenzione permette all’impianto di riduzione diretta dell’invenzione di operare con produttività variabile, a seconda della richiesta di materiale proveniente del forno fusorio. Il circuito di alimentazione del gas riducente è concepito in modo tale da permettere una regolazione del flusso destinato al reattore. In sostanza, dal circuito di alimentazione del gas riducente, esterno al reattore, viene prelevata solo la quantità di gas riducente necessaria ad assicurare la produttività richiesta al momento dal forno fusorio.
In particolare, l’impianto di riduzione diretta oggetto della presente invenzione prevede di poter variare la produttività dell’impianto in funzione delle necessità del forno fusorio, inserendo nel circuito di alimentazione del gas riducente un condotto o ramo di by-pass, in modo da modulare, fino ad eventualmente interrompere completamente, l’ingresso del gas riducente nel reattore. Questo ramo di by-pass viene utilizzato quando il forno fusorio non ha bisogno di ricevere materiale o di riceverne meno: ciò comporta la deviazione del gas riducente ed il suo ricircolo esternamente al reattore finché il forno fusorio non tornerà ad essere recettivo di materiale da fondere. Questo permette di rallentare o fermare la produzione di DRI dell’impianto di riduzione diretta senza spegnere l’impianto.
In una variante il ramo di by pass collega il tratto della linea di trattamento e alimentazione di gas riducente, preferibilmente compreso tra un dispositivo di iniezione di ossigeno, a valle dell’unità di riscaldamento o di reforming, ed il reattore, con il tratto della linea di recupero e trattamento del gas esausto, preferibilmente compreso tra il reattore ed un dispositivo di pompaggio del gas esausto trattato verso detta linea di trattamento e alimentazione.
In una ulteriore variante il ramo di by pass collega preferibilmente il tratto a valle dell’unità di riscaldamento o di reforming della linea di trattamento e alimentazione di gas riducente con il tratto tra l’unità di lavaggio del gas esausto e l’unità di condensa lungo la linea di recupero e trattamento del gas esausto.
Tale ramo di by pass può prevedere un sistema di quenching o raffreddamento rapido che permette di abbattere la temperatura del gas transitante attraverso di esso.
Opzionalmente, tra reattore dell’impianto di riduzione diretta e forno fusorio possono essere previsti solo uno o più serbatoi intermedi di depressurizzazione, con una notevole semplificazione dell’impianto di produzione di acciaio. Tali serbatoi intermedi, nei quali viene temporaneamente stoccato il DRI prodotto, permettono un flusso controllato di alimentazione del materiale da fondere nel forno fusorio.
Di seguito vengono elencati alcuni dei principali vantaggi dell’impianto dell’invenzione:
- non è necessaria l’installazione dei sistemi di raffreddamento, trasporto e stoccaggio del DRI freddo, semplificando notevolmente il layout di impianto;
- possibilità di caricare nel forno fusorio sempre DRI caldo, massimizzando il risparmio energetico durante la fusione;
- rappresenta una soluzione ideale per i mercati dove c’è scarsa disponibilità di rottame;
- possibilità di un controllo completo della composizione dell’acciaio (nessuna impurità o contaminazione, ad esempio di rame);
- maggiore rispetto per l’ambiente grazie a minori emissioni di anidride carbonica. Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative, ma non esclusive.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione particolari dell’invenzione.
Breve descrizione delle figure
Nella descrizione dell’invenzione si fa riferimento alla tavola di disegno allegata, fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:
la Figura 1 illustra uno schema di una prima forma di realizzazione di un impianto di riduzione diretta secondo l’invenzione;
la Figura 2 illustra uno schema di una seconda forma di realizzazione di un impianto di riduzione diretta secondo l’invenzione; e
la Figura 3 illustra uno schema di una terza forma di realizzazione di un impianto di riduzione diretta secondo l’invenzione.
Descrizione di forme di realizzazione esemplificative dell’invenzione
Con riferimento alle Figure viene illustrato un esempio di un impianto di riduzione diretta per una riduzione diretta di ossidi di minerale di ferro, mediante reazione con una miscela di gas riducente derivato da un gas di processo, l’impianto comprendente un circuito provvisto di:
- un reattore 1 avente una zona di riduzione 2 ed atto ad essere caricato dall’alto con particelle contenenti ossidi di minerale di ferro;
- una linea di trattamento e alimentazione 11 per trattare gas di processo ottenendo una miscela di gas riducente e per alimentare detta miscela di gas riducente nella zona di riduzione 2;
- una linea di recupero e trattamento 10 di un gas esausto in uscita dal reattore 1, comunicante a monte con il reattore 1 ed a valle con la linea di trattamento e alimentazione 11;
- una sorgente esterna 26 di gas riducente di make-up che fornisce gas riducente alla linea di trattamento e alimentazione 11.
Tale gas riducente di make-up può essere gas naturale o qualsiasi altro gas avente proprietà riducenti, come gas riformato, idrogeno, gas di sintesi, coke oven gas (COG) etc.
In questa descrizione per “gas di processo” si intende il gas riducente di make-up proveniente dalla sorgente esterna 26, nel caso non si riciclasse il gas esausto in uscita dal reattore 1, oppure la miscela di gas ottenuta mescolando il gas riducente di make-up, proveniente dalla sorgente esterna 26, con il gas esausto trattato nella linea di recupero e trattamento 10; mentre per “miscela di gas riducente” si intende il suddetto gas di processo una volta trattato nella linea di trattamento e alimentazione 11, ossia umidificato (opzionalmente), riscaldato e trattato con iniezione di ossigeno.
Vantaggiosamente il circuito è provvisto di almeno un condotto di by-pass 30, ad esempio un solo condotto di by-pass, per deviare almeno una porzione della miscela di gas riducente dalla linea di trattamento e alimentazione 11 alla linea di recupero e trattamento 10. Questo permette di regolare il flusso di gas riducente destinato al reattore, adattando la portata della miscela di gas riducente al tasso produttivo di DRI dell’impianto di riduzione diretta, e a sua volta alle esigenze produttive del forno fusorio di DRI disposto a valle dell’impianto.
Preferibilmente è prevista almeno una valvola di regolazione 32 per regolare la porzione della miscela di gas riducente che, attraverso il condotto di by-pass 30, raggiunge la linea di recupero e trattamento 10. Nel caso di più condotti di by-pass ciascun condotto di by-pass sarà provvisto di almeno una valvola di regolazione. Per meglio adattare il tasso produttivo dell’impianto di riduzione diretta alle esigenze produttive del forno è previsto un sistema di regolazione del carico di minerale di ferro che viene immesso dall’alto nel reattore 1. Tale sistema di regolazione comprende ad esempio una valvola rotatoria che, a seconda della sua velocità, vantaggiosamente regola la portata di carico di minerale di ferro e, di conseguenza, l’alimentazione di minerale di ferro nel reattore 1.
Inoltre, un alimentatore vibrante 54 (Figura 3) può essere previsto all’estremità inferiore del reattore 1 per regolare la portata di scarico del DRI dal reattore, in modo coordinato con la regolazione della portata di minerale di ferro immessa dall’alto nel reattore.
Un ulteriore vantaggio può essere rappresentato dal fatto di prevedere una unità di raffreddamento 31 lungo il condotto di by-pass 30 per raffreddare la suddetta porzione della miscela di gas riducente, permettendo di abbattere la temperatura del gas transitante attraverso il condotto 30 prima di raggiungere il gas esausto presente nella linea di recupero e trattamento 10.
A titolo esemplificativo, questa unità di raffreddamento 31 può comprendere un dispositivo di iniezione d’acqua di raffreddamento e un separatore gas-liquido, ad esempio in forma di knock-out.
In una prima forma di realizzazione illustrata in Figura 1, la linea di trattamento e alimentazione 11 comprende:
- i condotti attraverso i quali il gas di processo, ottenuto mescolando il gas esausto trattato in uscita dal reattore e il gas riducente di make up della sorgente esterna 26, è atto a passare;
- opzionalmente almeno un’unità di umidificazione 27 del gas di processo, ad esempio una sola unità di umidificazione 27;
- almeno una unità di riscaldamento o unità di reforming 12, ad esempio una sola unità di riscaldamento o unità di reforming 12;
- e almeno un dispositivo di iniezione 4, ad esempio solo un dispositivo di iniezione 4, disposto a valle dell’unità di riscaldamento 12 ed atto ad iniettare ossigeno nel flusso di gas di processo.
La linea di recupero e trattamento 10, invece, comprende:
- i condotti attraverso i quali il gas esausto, in uscita dal reattore 1, è atto a passare;
- almeno uno scambiatore di calore 21, ad esempio un solo scambiatore di calore, per raffreddare il gas esausto in uscita dal reattore 1;
- almeno un’unità di lavaggio 38 del gas esausto, ad esempio una sola unità di lavaggio, atta a lavare il gas esausto con acqua di lavaggio ed a separare il gas esausto dall’acqua di lavaggio;
- almeno una unità di condensazione 22, ad esempio una sola unità di condensazione, disposta a valle di detta almeno una unità di lavaggio 38, per rimuovere acqua dal gas esausto ottenendo un gas disidratato.
A valle dell’unità di condensazione 22 possono essere previsti in successione almeno un dispositivo di pompaggio 24, ad esempio un solo dispositivo di pompaggio, per pompare il gas disidratato verso la linea di trattamento e alimentazione 11, un dispositivo di raffreddamento 39 di detto gas disidratato, ed un dispositivo di rimozione 25 per la rimozione di anidride carbonica.
Preferibilmente i condotti della linea di recupero e trattamento 10 comprendono a valle dell’unità di condensazione 22:
- un condotto di diramazione 23, che collega la linea di recupero e trattamento 10 ai bruciatori dell’unità di riscaldamento 12, e nel quale può essere inviato un primo flusso di gas esausto disidratato come gas combustibile per detti bruciatori;
- ed un condotto di diramazione 28, che collega la linea di recupero e trattamento 10 alla linea di trattamento e alimentazione 11 e lungo il quale sono disposti il dispositivo di pompaggio 24, il dispositivo di raffreddamento 39 ed il dispositivo di rimozione 25 di anidride carbonica, e nel quale viene fatto ricircolare un secondo flusso di gas esausto disidratato.
Lungo il condotto di diramazione 23 è preferibilmente prevista una valvola di controllo di pressione 34.
L’unità di riscaldamento 12 è alimentata dalla combustione di un appropriato combustibile proveniente da una sorgente 35. Il combustibile può essere gas esausto disidratato, proveniente dal condotto di diramazione 23, oppure idrogeno oppure gas naturale oppure una miscela di questi.
In una variante (Figura 1) l’almeno un condotto di by-pass 30 collega un tratto della linea di trattamento e alimentazione 11, posto a valle dell’almeno un dispositivo di iniezione 4, ad un tratto della linea di recupero e trattamento 10 posto tra l’almeno una unità di lavaggio 38 e l’unità di condensazione 22.
Preferibilmente è prevista almeno una ulteriore valvola di regolazione 33 lungo la linea di recupero e trattamento 10, per regolare il passaggio di gas esausto dall’unità di lavaggio 38 verso l’unità di condensazione 22.
Più in generale, è sufficiente che l’almeno un condotto di by-pass 30 colleghi un tratto della linea di trattamento e alimentazione 11, posto a valle dell’almeno una unità di riscaldamento 12, o unità di reforming, ad un tratto della linea di recupero e trattamento 10 posto tra il reattore 1 e l’almeno un dispositivo di pompaggio 24. La linea di trattamento e alimentazione 11 è collegata a monte sia alla linea di recupero e trattamento 10 che alla sorgente esterna 26 di gas riducente di makeup. In particolare la sorgente esterna 26 è collegata ad un tratto del circuito compreso tra il dispositivo di rimozione anidride carbonica 25 della linea di recupero e trattamento 10 e l’unità di riscaldamento 12 della linea di trattamento e alimentazione 11. Lungo il condotto 36, che collega la sorgente esterna 26 alla linea di trattamento e alimentazione 11, è prevista una valvola di regolazione o valvola di controllo di pressione 37.
Opzionalmente, tra la sorgente esterna 26 e l’unità di riscaldamento 12 può essere previsto, lungo la linea di trattamento e alimentazione 11, almeno un’unità di umidificazione 27.
Una seconda forma di realizzazione dell’impianto dell’invenzione, illustrata in Figura 2, è sostanzialmente uguale alla prima forma di realizzazione e prevede che un condotto 15 della linea di trattamento e alimentazione 11, atto ad essere attraversato dal gas di processo, attraversi l’almeno uno scambiatore di calore 21 della linea di recupero e trattamento 10 per un preriscaldamento del gas di processo a monte della unità di riscaldamento 12, sfruttando il calore del gas esausto appena uscito dal reattore 1. In questa configurazione la sorgente di gas riducente di make up è una sorgente di gas riformato o idrogeno, e l’unità di umidificazione 27 del gas di processo non è necessaria.
Una terza forma di realizzazione dell’impianto dell’invenzione, illustrata in Figura 3, è sostanzialmente simile alla prima e alla seconda forma di realizzazione.
In questa terza forma di realizzazione è previsto un dispositivo di comando 56 per comandare l’almeno una valvola di regolazione 32, che regola la porzione della miscela di gas riducente che, attraverso il condotto di by-pass 30, raggiunge la linea di recupero e trattamento 10, e per comandare l’almeno una valvola di regolazione 33, che regola il passaggio di gas esausto, proveniente dal reattore 1, lungo la linea di recupero e trattamento 10.
Detto dispositivo di comando 56 può essere programmato per funzionare in risposta di una desiderata portata di scarico del DRI.
Il dispositivo di comando 56 è atto a ricevere un primo segnale 64 indicativo della attuale portata di scarico del DRI dal reattore 1 ed è configurato per produrre un secondo segnale 66 inviato alla valvola di regolazione 32 ed un terzo segnale 68 inviato alla valvola di regolazione 33.
Qualora si volesse diminuire la portata di scarico del DRI, il dispositivo di comando 56 invierebbe alla valvola di regolazione 32 un segnale per aumentare la porzione della miscela di gas riducente che viene deviata verso la linea di recupero e trattamento 10, mentre invierebbe alla valvola di regolazione 33 un segnale per diminuire la portata del gas esausto proveniente dal reattore 1, e quindi complessivamente diminuire la portata della miscela di gas riducente verso il reattore 1.
Opzionalmente, il dispositivo di comando 56 può anche inviare un segnale alla valvola di regolazione 37 (Fig. 1) che regola la portata di alimentazione del gas riducente di make-up nella linea di trattamento e alimentazione 11.
Nel caso fosse prevista come unità di reforming 12 un riformatore di idrocarburi, tipicamente di metano in gas naturale, in cui il metano reagisce con CO2 e H2O presenti nel gas esausto proveniente dalla linea di recupero e trattamento 10, è preferibilmente prevista una sorgente esterna 60 per alimentare CO2 e H2O a monte di detta unità di reforming 12.
La sorgente esterna 60 è collegata ad un tratto del circuito compreso tra il punto di collegamento del condotto 36 alla linea di trattamento e alimentazione 11 e la suddetta unità di reforming 12. Lungo il condotto 62, che collega la sorgente esterna 60 alla linea di trattamento e alimentazione 11, è prevista una valvola di regolazione 58.
In questo caso il dispositivo di comando 56 è anche configurato per produrre un quarto segnale 70 inviato alla valvola di regolazione 58.
Pertanto, qualora si volesse diminuire la portata di scarico del DRI, il dispositivo di comando 56 invierebbe un segnale anche alla valvola di regolazione 58 per aumentare l’alimentazione di CO2 e H2O, considerando la contemporanea diminuzione della portata del gas esausto proveniente dal reattore 1. In questo modo l’unità di reforming 12 può continuare il suo normale funzionamento senza alcun problema di formazione di carburi causata da una minore quantità di CO2 e H2O rispetto alla quantità di metano introdotta nel riformatore. In questa terza forma di realizzazione, preferibilmente l’unità di lavaggio e l’unità di condensazione possono essere unite in una singola unità 38 (Figura 3). Inoltre, il dispositivo di rimozione 25 per la rimozione di anidride carbonica è un dispositivo opzionale.
Preferibilmente, è possibile prevedere una sorgente esterna 72 (Figura 3) di un gas per la carburazione del DRI, come metano o altri idrocarburi gassosi o monossido di carbonio. Tale sorgente 72 può alimentare, attraverso il condotto 74, detto gas di carburazione del DRI al reattore 1 in corrispondenza di un punto posto al di sotto dell’ingresso di alimentazione della miscela di gas riducente in detto reattore per regolare il contenuto di carbonio del DRI. Detta sorgente esterna 72 potrebbe anche essere prevista nelle altre forme di realizzazione sopra descritte. Per quanto riguarda il processo di riduzione diretta eseguibile mediante l’impianto dell’invenzione, il processo comprende essenzialmente i seguenti stadi:
a) alimentare la miscela di gas riducente nella zona di riduzione 2 del reattore 1 mediante la linea di trattamento e alimentazione 11;
b) recuperare e trattare il gas esausto in uscita dal reattore 1 mediante la linea di recupero e trattamento 10 comunicante a valle con la linea di trattamento e alimentazione 11.
Di seguito viene descritto un esempio di processo, a regime, di riduzione diretta di minerale di ferro, eseguito mediante l’impianto dell’invenzione appena descritto. Il gas esausto in uscita dal reattore 1, preferibilmente ad una temperatura nell’intervallo da circa 250°C a circa 450°C, viene incanalato in un condotto 50 della linea di recupero e trattamento 10 che lo conduce allo scambiatore di calore 21 per un suo raffreddamento.
Una volta raffreddato il gas esausto fluisce attraverso un condotto 51 verso l’unità di lavaggio 38 e successivamente verso l’unità di condensazione 22 per rimuovere acqua ottenendo un gas esausto disidratato. In una variante, lavaggio e condensazione possono essere eseguiti in una singola unità 38 (Figura 3).
Dopo il raffreddamento, il lavaggio e la disidratazione, il gas esausto disidratato viene diviso nei due condotti di diramazione 23, 28.
Una porzione minore di gas esausto disidratato fluisce attraverso il condotto 23, avente una valvola di regolazione o di controllo della pressione 34 attraverso la quale una parte di gas può essere spurgato dal circuito per l’eliminazione di accumuli indesiderati di gas inerti. La porzione maggiore del gas esausto disidratato fluisce invece attraverso il condotto 28.
Con riferimento alle Figure, il gas esausto disidratato che fluisce nel condotto 28 è spinto dal dispositivo di pompaggio 24, che può essere un compressore o una soffiante, al fine di riciclare tale porzione di gas esausto disidratato per condurlo nuovamente al reattore 1. A valle del dispositivo di pompaggio 24, il gas esausto disidratato scorre attraverso il condotto 28, attraversa il dispositivo di raffreddamento 39 e successivamente attraversa il dispositivo di rimozione 25 liberandosi di anidride carbonica, e quindi viene miscelato nella linea di trattamento e alimentazione 11 con il gas riducente di make-up proveniente dalla sorgente esterna 26, ad esempio gas naturale o qualsiasi altro gas avente proprietà riducenti, come gas riformato, idrogeno, gas di sintesi, COG etc, definendo il gas di processo. In una variante (Figura 3), la rimozione di anidride carbonica mediante il dispositivo di rimozione 25 è una fase opzionale.
Questo gas di processo continua a scorrere lungo il condotto 15 dove viene opzionalmente sottoposto ad un preriscaldamento, potendo il condotto 15 attraversare con un suo tratto lo scambiatore di calore 21 della linea di recupero e trattamento 10 (Figura 2).
In ogni caso il gas di processo, con o senza questo preriscaldamento, attraversa tutto il condotto 15 fino ad arrivare all’unità di riscaldamento o di reforming 12 dove raggiunge una temperatura di circa 850-960°C.
A valle dell’unità di riscaldamento o di reforming 12, la miscela di gas riducente, ottenuta anche con l’iniezione di ossigeno mediante l’almeno un dispositivo di iniezione 4, scorre attraverso il condotto 16 fino a giungere all’interno del reattore 1.
Il minerale di ossido di ferro in forma di pellet o lump viene alimentato dall’alto nella zona di riduzione 2 del reattore 1, reagisce con il gas caldo riducente che scorre controcorrente rispetto ad esso, e viene infine scaricato come Hot DRI. Vantaggiosamente, quando è necessario regolare il flusso di gas riducente destinato al reattore, adattando il tasso produttivo dell’impianto di riduzione diretta alle esigenze produttive del forno fusorio disposto a valle dell’impianto, è prevista una deviazione di almeno una porzione della miscela di gas riducente dalla linea di trattamento e alimentazione 11 alla linea di recupero e trattamento 10 mediante l’almeno un condotto di by-pass 30.
La regolazione della porzione della miscela di gas riducente che, attraversando il condotto di by-pass 30, raggiunge la linea di recupero e trattamento 10 avviene mediante la valvola di regolazione 32.
In modo analogo, mediante la valvola di regolazione 33, è possibile regolare il passaggio di gas esausto lungo la linea di recupero e trattamento 10, per esempio dall’unità di lavaggio 38 verso l’unità di condensazione 22.
Riducendo opportunamente la quantità di gas riducente immesso nel reattore 1, è anche possibile regolare di conseguenza la quantità di minerale di ferro caricato dall’alto nel reattore 1.
Con l’impianto dell’invenzione è pertanto possibile evitare la deviazione della scarica del reattore verso un raffreddatore di DRI per la produzione di DRI freddo in caso di fermo dell’acciaieria, e permettere l’accelerazione della produzione fino al livello nominale quando il forno fusorio richiede la massima alimentazione e fermare la produzione quando invece esso non ne richiede, senza le limitazioni operative inerenti al riscaldatore a bruciatori o riformatore. Questo comporta una notevole semplificazione del layout dell’impianto di riduzione, non essendo necessario prevedere l’installazione di sistemi di raffreddamento, trasporto e stoccaggio del DRI freddo.
Vantaggiosamente può essere previsto un raffreddamento di detta porzione della miscela di gas riducente lungo il condotto di by-pass 30 mediante l’unità di raffreddamento 31.
In una fase di funzionamento a regime, diversa dalla fase di avviamento, la temperatura della porzione della miscela di gas riducente in ingresso all’unità di raffreddamento 31 è, ad esempio, nel range di 850-960°C, mentre la temperatura di detta porzione della miscela di gas riducente in uscita dall’unità di raffreddamento 31 è, ad esempio, nel range di 40-180°C.
Claims (18)
- Rivendicazioni 1. Impianto di riduzione diretta per una riduzione diretta di ossidi di ferro comprendente - un reattore (1) avente una zona di riduzione (2) ed atto ad essere caricato dall’alto con detti ossidi di ferro; - una linea di trattamento e alimentazione (11) per trattare gas di processo ottenendo una miscela di gas riducente e per alimentare detta miscela di gas riducente nella zona di riduzione (2); - una linea di recupero e trattamento (10) per recuperare e trattare un gas esausto in uscita dal reattore (1), comunicante a monte con il reattore (1) ed a valle con detta linea di trattamento e alimentazione (11); in cui è previsto almeno un condotto di by-pass (30) atto a deviare almeno una porzione di detta miscela di gas riducente da detta linea di trattamento e alimentazione (11) a detta linea di recupero e trattamento (10).
- 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista almeno una prima valvola di regolazione (32) per regolare la porzione della miscela di gas riducente che, attraverso detto almeno un condotto di by-pass (30), raggiunge la linea di recupero e trattamento (10).
- 3. Impianto secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui è previsto una unità di raffreddamento (31) lungo il condotto di by-pass (30) per raffreddare detta almeno una porzione della miscela di gas riducente.
- 4. Impianto secondo la rivendicazione 3, in cui detta unità di raffreddamento (31) comprende un dispositivo di iniezione d’acqua e un separatore gas-liquido.
- 5. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la linea di trattamento e alimentazione (11) comprende almeno una unità di riscaldamento (12) o almeno una unità di reforming; in cui la linea di recupero e trattamento (10) comprende almeno un dispositivo di pompaggio (24) per pompare il gas esausto verso la linea di trattamento e alimentazione (11); ed in cui detto almeno un condotto di by-pass (30) collega un tratto della linea di trattamento e alimentazione (11), disposto tra detta almeno una unità di riscaldamento o almeno una unità di reforming (12) e detto reattore (1), ad un tratto della linea di recupero e trattamento (10) disposto tra detto reattore (1) e detto almeno un dispositivo di pompaggio (24).
- 6. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui la linea di trattamento e alimentazione (11) comprende almeno una unità di riscaldamento (12), o almeno una unità di reforming, e almeno un dispositivo di iniezione (4), disposto a valle di detta unità di riscaldamento o unità di reforming (12) ed atto ad iniettare ossigeno nel flusso di gas di processo; in cui la linea di recupero e trattamento (10) comprende almeno uno scambiatore di calore (21) per raffreddare il gas esausto in uscita dal reattore (1), almeno una unità di lavaggio (38) del gas esausto atta a lavare il gas esausto con acqua di lavaggio ed a separare il gas esausto dall’acqua di lavaggio, almeno una unità di condensazione (22), disposta a valle di detta unità di lavaggio (38), per rimuovere acqua dal gas esausto, ed almeno un dispositivo di pompaggio (24) per pompare il gas esausto verso la linea di trattamento e alimentazione (11); preferibilmente in cui detta una unità di lavaggio (38) e detta unità di condensazione (22) sono unite in una singola unità; ed in cui detto almeno un condotto di by-pass (30) collega un tratto della linea di trattamento e alimentazione (11) disposto tra detta almeno una unità di riscaldamento o almeno una unità di reforming (12) e il reattore (1), a valle o a monte di detto almeno un dispositivo di iniezione (4), ad un tratto della linea di recupero e trattamento (10) posto tra l’unità di lavaggio (38) e l’unità di condensazione (22).
- 7. Impianto secondo la rivendicazione 6, in cui è prevista almeno una seconda valvola di regolazione (33) per regolare il passaggio di gas esausto dall’unità di lavaggio (38) verso l’unità di condensazione (22), oppure, quando detta unità di lavaggio (38) e detta unità di condensazione (22) sono unite in una singola unità, per regolare il passaggio di gas esausto da detta singola unità verso il dispositivo di pompaggio (24).
- 8. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la linea di trattamento e alimentazione (11) è collegata a monte sia alla linea di recupero e trattamento (10) che ad almeno una sorgente esterna (26) di gas riducente di make-up.
- 9. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui è previsto un sistema di regolazione del carico di ossidi di ferro immesso dall’alto nel reattore (1).
- 10. Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui sono previsti - almeno una prima valvola di regolazione (32) per regolare la porzione della miscela di gas riducente che, attraverso detto almeno un condotto di by-pass (30), raggiunge la linea di recupero e trattamento (10); - almeno una seconda valvola di regolazione (33) per regolare il passaggio di gas esausto in uscita dal reattore (1) lungo la linea di recupero e trattamento (10); - almeno un dispositivo di comando (56) per comandare detta almeno una valvola di regolazione (32) e detta almeno una valvola di regolazione (33); preferibilmente in cui detto dispositivo di comando (56) è atto a ricevere un primo segnale (64) indicativo di una portata di scarico di DRI dal reattore (1) e a produrre un secondo segnale (66) per comandare la valvola di regolazione (32) ed un terzo segnale (68) per comandare la valvola di regolazione (33).
- 11. Impianto secondo la rivendicazione 10, in cui la linea di trattamento e alimentazione (11) comprende almeno una unità di reforming (12) per riformare metano; in cui sono previste una sorgente esterna (60) di alimentazione di CO2 e H2O a monte di detta unità di reforming (12) ed una rispettiva valvola di regolazione (58) per regolare detta alimentazione di CO2 e H2O; ed in cui detto dispositivo di comando (56) è anche configurato per produrre un quarto segnale (70) per comandare la valvola di regolazione (58).
- 12. Processo di riduzione diretta di ossidi di ferro, eseguibile mediante un impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, il processo comprendente i seguenti stadi: a) alimentare detta miscela di gas riducente nella zona di riduzione (2) del reattore (1) mediante la linea di trattamento e alimentazione (11); b) recuperare e trattare il gas esausto in uscita dal reattore (1) mediante la linea di recupero e trattamento (10) comunicante a valle con detta linea di trattamento e alimentazione (11); caratterizzato dal fatto che è prevista una deviazione di almeno una porzione della miscela di gas riducente da detta linea di trattamento e alimentazione (11) a detta linea di recupero e trattamento (10) mediante l’almeno un condotto di by-pass (30).
- 13. Processo secondo la rivendicazione 12, in cui è prevista una regolazione della porzione della miscela di gas riducente che, attraversando detto almeno un condotto di by-pass (30), raggiunge la linea di recupero e trattamento (10).
- 14. Processo secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui è previsto un raffreddamento di detta almeno una porzione della miscela di gas riducente lungo il condotto di by-pass (30) mediante una unità di raffreddamento (31).
- 15. Processo secondo la rivendicazione 14, in cui in una fase di funzionamento a regime, diversa dalla fase di avviamento, la temperatura dell’almeno una porzione della miscela di gas riducente in ingresso all’unità di raffreddamento (31) è nel range di 850-960°C, mentre la temperatura di detta almeno una porzione della miscela di gas riducente in uscita dall’unità di raffreddamento (31) è nel range di 40-180°C.
- 16. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 15, in cui è prevista una regolazione della quantità di ossidi di ferro caricato dall’alto nel reattore (1) in funzione della quantità della miscela di gas riducente immessa nella zona di riduzione (2).
- 17. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 13 a 15, in cui è prevista una regolazione del passaggio di gas esausto lungo la linea di recupero e trattamento (10) da un’unità di lavaggio (38) verso un’unità di condensazione (22), oppure, nel caso in cui detta unità di lavaggio (38) e detta unità di condensazione (22) sono unite in una singola unità, da detta singola unità verso un dispositivo di pompaggio (24).
- 18. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 12 a 17, in cui la deviazione di almeno una porzione della miscela di gas riducente avviene da un tratto della linea di trattamento e alimentazione (11), disposto tra almeno una unità di riscaldamento o unità di reforming (12) e il reattore (1), ad un tratto della linea di recupero e trattamento (10) disposto tra il reattore (1) e almeno un dispositivo di pompaggio (24);oppure in cui la deviazione di almeno una porzione della miscela di gas riducente avviene da un tratto della linea di trattamento e alimentazione (11) disposto tra il reattore (1) ed una unità di riscaldamento o unità di reforming (12), a valle oppure a monte di almeno un dispositivo di iniezione (4), disposto a valle di detta unità di riscaldamento o unità di reforming (12) ed atto ad iniettare ossigeno nel flusso di gas di processo, ad un tratto della linea di recupero e trattamento (10) disposto tra almeno una unità di lavaggio (38) del gas esausto, atta a lavare il gas esausto con acqua di lavaggio ed a separare il gas esausto dall’acqua di lavaggio, ed almeno una unità di condensazione (22), disposta a valle di detta unità di lavaggio (38), per rimuovere acqua dal gas esausto; oppure in cui, quando detta unità di lavaggio (38) e detta unità di condensazione (22) sono unite in una singola unità, la deviazione di almeno una porzione della miscela di gas riducente avviene da un tratto della linea di trattamento e alimentazione (11) disposto tra il reattore (1) e detta unità di riscaldamento o unità di reforming (12), a valle oppure a monte di detto almeno un dispositivo di iniezione (4), ad un tratto della linea di recupero e trattamento (10) disposto tra detta singola unità (38) ed un dispositivo di pompaggio (24).
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