Processo Finex para Produção de Ferro Líquido

  Processo FINEX para Produção de Ferro Líquido

O processo de redução de fundição FINEX foi desenvolvido pela Primetals Technologies, da Áustria, e pela siderúrgica sul-coreana Posco. O processo FINEX é um processo de fabricação de ferro alternativo comercialmente comprovado para a produção de metal quente (HM), além da rota de processo de alto-forno (BF), consistindo de BF, planta de sinterização e forno de coque. Este processo é baseado no uso direto de carvão não coqueificável. O processo FINEX pode utilizar diretamente finos de minério de ferro sem nenhum tipo de aglomeração.

No processo FINEX, o minério de ferro fino é pré-aquecido e reduzido a DRI fino (ferro reduzido direto) em sistema de reator de leito fluidizado de três estágios com gás de redução produzido a partir do gaseificador de fusão. Os reatores de leito fluidizado permitem que o processo FINEX utilize minérios finos em vez de granulados ou pelotas.

Como resultado, o processo não requer fabricação de coque nem aglomeração de minério. A briquetagem do minério pré-reduzido e do carvão, injeção de carvão pulverizado e carregamento controlado do gaseificador de fusão (MG) resulta em melhor taxa de combustível para o processo. O DRI fino produzido no sistema de reator de leito fluidizado é compactado e então carregado na forma de HCI (ferro compactado a quente) no gaseificador do aparelho de fusão para produzir metal quente (HM). O HCl carregado é reduzido a ferro metálico e fundido. O calor necessário para a redução metalúrgica e fusão é fornecido pela gaseificação do carvão com oxigênio de alta pureza (O2). O processo FINEX é um processo ecologicamente correto que utiliza minério de ferro fino e carvão de baixo custo.





O processo FINEX usa O2 de alta pureza, resultando em um gás de exportação com apenas pequenas quantidades de nitrogênio (N2). Como seu poder calorífico líquido (CV) é mais de duas vezes o gás de topo BF, ele pode ser parcialmente reciclado para trabalho de redução ou pode ser usado para geração de calor ou energia.

Trabalho inicial

A pesquisa básica em escala laboratorial foi feita com uma unidade de escala de bancada de 15 toneladas/dia de 1992 a 1996. Os resultados desta unidade foram usados ​​para as operações de teste de uma planta piloto de 150 toneladas/dia em 1999. A planta de demonstração FINEX de 0,6 milhões de toneladas por ano (Mtpa) foi construído na obra Pohang da Posco e iniciou a produção em junho de 2003. Esta planta possui três reatores de leito fluidizado. Desde fevereiro de 2004, a planta demonstrada produziu continuamente a uma taxa de mais de 0,7 milhão de toneladas por ano de metal quente. A Posco comissionou a primeira planta comercial FINEX com capacidade de 1,5 Mtpa em abril de 2007. Com base nos resultados bem-sucedidos desta planta, a Posco e a Primetals Technologies decidiram desenvolver a planta FINEX com capacidade de 2,0 Mtpa em Pohang. A usina entrou em operação em janeiro de 2014.

Principais matérias-primas

Carvão e minério de ferro são duas principais matérias-primas. Os principais critérios para uma avaliação inicial de carvões ou misturas de carvão adequados para o processo FINEX são (i) fixar o teor de C (carbono) em um mínimo de 55%, (ii) o teor de cinzas em um nível máximo de 25%, (iii) Teor de MV (matéria volátil) inferior a 35 % e (iv) Teor de S (enxofre) inferior a 1 %. Além dessas características gerais, o carvão deve atender a certos requisitos relacionados à estabilidade térmica para permitir a formação de um leito de carvão estável no gaseificador de fusão. A estabilidade térmica dos carvões potenciais para o processo FINEX é verificada por meio de procedimentos de testes especiais em laboratórios.

O processo FINEX pode operar sem coque devido à menor carga de carga no leito de carvão do derretimento-gaseificação e ao uso de O2. Em caso de alteração da qualidade do briquete de carvão e flutuações do grau de redução, um pouco de coque brisa (menos de 30 mm) normalmente é usado antes e depois de um desligamento ou em caso de diminuição da temperatura do HM para manter a produtividade e diminuir a taxa de combustível. A operação atual fornece um nível constante de brisa de coque para minimizar os efeitos descritos acima. A qualidade do coque brisa utilizado no processo FINEX não é adequada para a operação BF e possui resistência em torno de 60% do coque BF. Para alcançar uma operação zero de coque brisa, várias otimizações de operação são essenciais, como otimização de ligante e desenvolvimento de uma tecnologia de pré-aquecimento de briquete de carvão. As características do carvão para o processo FINEX e sua comparação com as características do carvão para a fabricação de ferro BF são apresentadas na Fig 1.

Fig 1 Características do carvão ou processos FINEX e BF

No caso do minério de ferro, em geral, 100% do minério fino sinter feed é carregado em reatores de leito fluidizado. 30% a 50% de pellet feed também pode ser usado. Os tipos e misturas de minério de ferro são decididos com base nas propriedades químicas e físicas, como teor total de ferro (Fe), estrutura de composição e tamanho de grão etc. produtividade. A proporção de mistura deve ser decidida considerando a qualidade do minério e o custo. Como a extração de escória com maior teor de alumina (Al2O3) é mais tolerável no processo FINEX do que no processo BF, minérios de ferro com maior teor de Al2O3 também podem ser usados. Normalmente, não há limitação na estrutura do material de alimentação de hematita e goethita para reatores de leito fluidizado. A flexibilidade dos minérios de ferro adequados para o processo FINEX é mostrada na Fig 2.

Fig 2 Flexibilidade dos minérios de ferro para o processo FINEX

O processo

O processo FINEX se distingue pela produção de HM de alta qualidade com base em finos de minério de ferro carregados diretamente e carvão como redutor e fonte de energia. A principal característica do processo FINEX é que a produção de ferro é realizada em duas etapas de processo separadas. Em uma série de três reatores de leito fluidizado, o minério de ferro fino é reduzido a DRI, que é então compactado (HCI) e transportado para um gaseificador de fusão por um transportador de metal quente. Carvão e briquetes de carvão carregados no gaseificador de fusão são gaseificados, fornecendo a energia necessária para a fusão além do gás de redução. O fluxograma do processo para o processo FINEX é dado na Fig 3.

Fig 3 Fluxograma do processo FINEX

O ferro líquido é produzido no processo FINEX em duas etapas. Na primeira etapa, os finos de minério de ferro são pré-aquecidos e reduzidos a DRI finos em reatores de leito fluidizado em três estágios. O primeiro reator (R3) serve principalmente como reator para pré-aquecimento de finos de minério de ferro. Os finos de minério de ferro são carregados na série de reatores de leito fluidizado juntamente com fundentes como calcário e/ou dolomita. Os finos de minério carregados viajam no sentido descendente através dos três reatores onde os minérios são aquecidos e reduzidos a DRI por meio do gás redutor que é obtido a partir da gaseificação do carvão no gaseificador de fusão. Este gás redutor flui em sentido contrário ao movimento do minério.

De acordo com a rota do minério de processo, um sistema de transporte pneumático transporta os finos de minério para a torre do reator de leito fluidizado. O minério fino é então carregado para a série do reator de leito fluidizado. O gás de redução gerado no gaseificador de fusão flui através de cada um dos reatores de leito fluidizado em contrafluxo na direção do minério (de R1 a R3). A temperatura típica e a composição do gás de redução nos três reatores de leito fluidizado são dadas na Tab 1.

Guia 1:Atmosfera de gás típica para um reator de leito fluidizado de três estágios para o processo FINEX
Parâmetro/Componente	Unidade	Reator de leito fluidizado
		R1	R2	R3
Temperatura	Grau C	760	750	480
CO	%	45,4	39,3	32,7
CO2	%	20,4	29,2	26,7
H2	%	17,2	16,9	14,3
H2O	%	5.4	7,3	7,8
N2	%	11,6	6,6	18,4
CH4	%	Nil	Nil	Nil

O minério de ferro fino é fluidizado pela corrente gasosa e o minério é cada vez mais reduzido a cada etapa do reator. Após a saída do ferro reduzido do reator de leito fluidizado final, ele é então compactado para produzir HCl. O HCI é posteriormente transportado através de um sistema de transporte a quente para o topo do gaseificador de fusão, onde é carregado diretamente junto com o carvão no gaseificador de fusão. A redução final e a fusão do HCl ocorrem então.

De acordo com a rota do carvão de processo, carvões não-coqueificáveis ​​e briquetes de carvão são carregados diretamente no gaseificador de fusão por meio de um sistema de funil de bloqueio. Depois que o carvão cai no leito de carvão, ocorre a desgaseificação. Os hidrocarbonetos liberados, prejudiciais ao meio ambiente, são imediatamente dissociados em CO (monóxido de carbono) e H2 (hidrogênio). Isso se deve às altas temperaturas predominantes que excedem 1.000 graus C na cúpula do gaseificador de fusão. O O2 injetado na parte inferior do gaseificador de fusão gaseifica o carvão, gerando calor para o trabalho de fusão, além de produzir um gás de redução altamente valioso composto principalmente de CO e H2. Este gás, que sai da cúpula do gaseificador de fusão, é primeiro limpo em um ciclone de gás quente antes de entrar nos reatores de leito fluidizado. Após a fusão do DRI, o procedimento de rosqueamento é realizado exatamente da mesma maneira que na prática padrão de BF. A qualidade do HM do processo FINEX é semelhante ao HM produzido em BF.

O gás de exportação FINEX é um valioso subproduto do processo FINEX. O gás de exportação limpo que sai do topo dos reatores de leito fluidizado pode ser usado para uma ampla variedade de aplicações. Estes incluem a produção de DRI, geração de energia e geração de gás de síntese para a indústria química. A composição típica dos diferentes gases produzidos no processo FINEX é apresentada na Tab 2.

Tab 2 Composição típica dos gases
Composição do gás	Unidade	CO	CO2	H2	N2
Gás sem gás	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Gás de Produto	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Gás residual	%	17-18	65-66	10-11	2-3

  O fluxo de gás no processo FINEX é dado na Fig 4.

Fig 4 Fluxo de gás no processo FINEX

Os valores típicos de consumo específico para os materiais e utilidades no processo FINEX são (i) combustível seco em torno de 720 kg/tHM, (ii) minério de ferro em torno de 1.600 kg/tHM, (iii) aditivos (calcário e dolomita) em torno de 285 kg/ tHM, (iv) O2 em torno de 460 N cum, (v) N2 em torno de 270 N cum, (vi) potência em torno de 190 kWh/tHM e (vii) refratários em torno de 1,5 kg/tHM.

As características do HM produzido pelo processo FINEX consistem em (i) C em torno de 4,5%, (ii) silício (Si) em torno de 0,7%, (iii) manganês (Mn) em torno de 0,07%, (iv) fósforo (P) em torno de 0,07%, (v) enxofre (S) em torno de 0,04% e (vi) temperatura em torno de 1.500 graus C.

As características do gás de exportação do processo FINEX consistem em (i) CO cerca de 34 %, (ii) CO2 cerca de 43 %, (iii) H2 cerca de 13 %, (iv) H2O cerca de 3 %, (v) CH4 inferior a 1%, (vi) N2/Ar em torno de 6%, (vii) H2S inferior a 100 ppm (partes por milhão), (viii) poeira 5 mg (miligramas)/N cum, (ix) pressão 0,1 kg/sq cm, (x) temperatura em torno de 40 graus C, e (xi) CV na faixa de 1.300 kcal/N cum a 1.500 kcal/N cum. Cerca de 1,9 giga calorias do gás de exportação é produzido por tonelada de HM.

Aspectos ambientais do processo

O processo FINEX tem a possibilidade) de recuperar CO2 de alta pureza para captura e armazenamento de CO2 (CCS). Além do armazenamento, o CO2 recuperado também pode ser usado para melhorar a recuperação de petróleo, bem como para outros usos econômicos. Isso é possível devido ao uso de O2 de alta pureza no gaseificador de fusão para gaseificação de carvão e, portanto, o gás de exportação contém apenas pequenas quantidades de N2. Isso permite a remoção do CO2 em alta concentração do gás de reciclagem e gerar após purificação adicional CO2 de alta pureza com porcentagem de CO2 superior a 95%. As taxas de emissão de CO2 para o processo FINEX sem CCS e com CCS são de 99% e 55%, respectivamente, quando comparadas com a taxa média de emissão de CO2 no caso do processo de fabricação de ferro BF.

O processo FINEX é um processo baseado em carvão para a redução de minério de ferro a ferro, que é posteriormente fundido em HM. Uma certa quantidade de substâncias nocivas ao meio ambiente são inevitáveis ​​com base na mistura de matérias-primas. Como o processo FINEX captura a maioria dos poluentes em estado inerte na escória e os hidrocarbonetos liberados são destruídos na cúpula do gaseificador de fusão, as emissões de substâncias nocivas são muito baixas. Os valores de emissões por tonelada de HM para poeira, SOx e NOx são em torno de 58 gramas por tonelada (g/t), cerca de 32 g/te cerca de 94 g/ton respectivamente.

Vantagens do processo FINEX

As várias vantagens do processo FINEX incluem (i) utilização de minério de ferro fino de baixo teor como alimentação de óxido, (ii) uso de carvões não-coqueificáveis ​​como agente redutor, (iii) controle independente dos processos de redução e fusão, (iv ) economia vantajosa devido à redução significativa dos custos operacionais e de capital, (v) benefícios ambientais, (vi) flexibilidade na seleção de matérias-primas e na operação, como a utilização de minérios de ferro de menor teor possível (por exemplo, minérios de ferro com maior teor de Al2O3), ( vii) produção de HM que é semelhante à qualidade do HM do BF, (viii) gás de exportação com maior CV que pode ser utilizado para diferentes fins (por exemplo, geração de energia, produção de DRI e produção de produtos químicos), (ix ) processo de fabricação de ferro alternativo comprovado comercialmente, e (x) aplicação de brown field em siderúrgica integrada oferece sinergia com o BF.