REDUCCIÓN DIRECTA REDUCCIÓN DIRECTA FUNDAMENTOS Y PROCESOSFUNDAMENTOS Y PROCESOS
Profesor del cursoProfesor del cursoIng. Germán Coillo C.Ing. Germán Coillo C.
1. 1. DefiniciónDefinición::
Proceso que consiste enProceso que consiste ensustraer el oxigeno de lasustraer el oxigeno de lamena de mineral o pellet sinmena de mineral o pellet sinllegar a fusión por efecto dellegar a fusión por efecto deun reductor (C,CO, Hun reductor (C,CO, H22).).
2. Hierro Esponja:2. Hierro Esponja: Producto de la Producto de la Reducción Directa.Reducción Directa.
mineral pero con notable mineral pero con notable mayor porosidad. Por esta mayor porosidad. Por esta última condición recibe el última condición recibe el nombre de Hierro Esponja.nombre de Hierro Esponja.
Como la eliminación delComo la eliminación deloxígeno se efectúa sinoxígeno se efectúa sinllegar a la fusión,llegar a la fusión,
H.E. GRUESOH.E. GRUESO
el producto conserva la forma original delel producto conserva la forma original del
H.E. FINOH.E. FINO
3.- Grado de Reducción.3.- Grado de Reducción.
R =R = OrOrOtOt
x 100% x 100%
Or =Or = Oxígeno removido de los óxidosOxígeno removido de los óxidosde hierro.de hierro.
Ot =Ot = Oxígeno total del mineral antesOxígeno total del mineral antesde la reducción.de la reducción.
4.- Grado de Metalización.4.- Grado de Metalización.
G.M =G.M = Fe mFe mFe tFe t
x 100% x 100%
Fe m = Hierro metálico del producto.Fe m = Hierro metálico del producto.
Fe t = Hierro total del mineral empleado.Fe t = Hierro total del mineral empleado.
5.- Fundamentos de la reducción directa.5.- Fundamentos de la reducción directa.
Fem On + nC = mFe + nCOFem On + nC = mFe + nCO (1)(1)
Fem On + nCO = mFe + nCOFem On + nCO = mFe + nCO22 (2)(2)
COCO22 + C = 2CO + C = 2CO (3)(3)
Fem On + nHFem On + nH22 = mFe + nH = mFe + nH22OO (4)(4)
5,1 Reacciones Fundamentales5,1 Reacciones Fundamentales
5,1 Relaciones de equilibrio.5,1 Relaciones de equilibrio.
Equilibrio de la composición del gas vs temperatura para el sistema Fe - C - O
0,00
10,0020,0030,00
40,00
50,00
60,00
70,0080,0090,00
100,00
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
Temperatura ºC
% C
O
FeO + CO = Fe + CO2
Fe3O4 + CO = FeO + CO2
1/4 Fe3O4 + CO =
3/4 Fe + CO2
FeFe
FeOFeO
Fe3O4Fe3O4
0102030405060708090
100
200 400 600 800 1000 1200 1400
Temperatura ªC
%H
2
FeFe
Fe3O4Fe3O4 FeOFeO
Equilibrio de la composiciòn del gas vs temperatura para el sistema Fe-H-O
Equilibrio C-OEquilibrio C-O
0102030405060708090
100
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura C
% d
e C
O
Evolución de la reducción de pelets en horno Evolución de la reducción de pelets en horno rotativo con carbónrotativo con carbón
0102030405060708090
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Grado de reducción %
Con
teni
do %
Fe2O3Fe3O4
FeOFe met
5,3 Necesidades Energéticas.5,3 Necesidades Energéticas.
Reacciones de desoxidación Energía involucrada (25 C)
Fe2O3 = 2Fe + 3/2O2 +1.759 Gcal/t Fe = 6.981 MBTU/t Fe
Fe3O4 = 3Fe + 2O2 +1.594 Gcal/t Fe = 6.325 MBTU/t Fe
Energía teóricamente necesaria para la desoxidaciónEnergía teóricamente necesaria para la desoxidaciónde óxidos de hierrode óxidos de hierro
Necesidades energéticas teóricas para la reducciónNecesidades energéticas teóricas para la reducciónde minerales de hierro.de minerales de hierro.
Reacciones Necesidades por t de FeFe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO 1.050 Gcal = 4.168 MBTUFe2O3 + 3/2C = 2Fe + 3CO2 0.497 Gcal = 1.972 MBTUFe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O 0.209 Gcal = 0.831 MBTUFe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 - 0.056 Gcal = 0.224 MBTU
5,45,4 Factores que influencian la Factores que influencian la cinética cinética de de reducción.reducción.
5,4,1.5,4,1. Mineral.Mineral.
PorosidadPorosidad
ComposiciónComposición
ReducibilidadReducibilidad
5,4,2.5,4,2. Temperatura de reducción.Temperatura de reducción.
Variación de la velocidad de reducción en función de la temperatura
0
4
8
12
16
20
24
28
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
Temperatura en ªC
Con
teni
do d
e O
2 el
imin
ado,
en %
H2H2
COCO
5,4,3.5,4,3. GranulometríaGranulometría..
Tamaños pequeños de partículas Tamaños pequeños de partículas favorecen la cinética en cuanto favorecen la cinética en cuanto presentan una mayor superficiepresentan una mayor superficiede reacción.de reacción.
La uniformidad en el tamaño La uniformidad en el tamaño es determinante.es determinante.
5,4,4.5,4,4. Concentración de los gases Concentración de los gases reductores.reductores.
Figura 6.Figura 6.
Relación entre la velocidad de reducción y el contenido de vapor respecto del hidrógeno en el gas reductor
fluyendo a la velocidad de 0,24 m/s.
0
1
2
3
4
5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Concentración de vapor en %
Velo
cida
d de
redu
cciò
n en
m
ol O
2/s
30%
40%50%75%90%
6.6. Requisitos que deben tener los materialesRequisitos que deben tener los materialesa emplearse en la reducción directa.a emplearse en la reducción directa.
6,1 Mineral de hierro.6,1 Mineral de hierro.A)- Granulometría.A)- Granulometría.
Efecto del porcentaje de hierro esponja y el contenido de ganga en el consumo de energía
859095
100105110115120125130135140
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Hierro esponja en la carga ,%.
Con
sum
o de
ene
rgía
/t de
ace
ro,
en re
laci
ón a
100
% d
e ch
atar
ra.
Porcentaje de ganga ácida en la esponja
1010
886644
C)- Reducibilidad.C)- Reducibilidad.D)- Contenido de azufre.D)- Contenido de azufre.
B)- Ganga.B)- Ganga.
E)- Decrepitación.E)- Decrepitación.F)- Hinchamiento.F)- Hinchamiento.
6,2 El reductor sólido.6,2 El reductor sólido. Fusibilidad de las cenizas.Fusibilidad de las cenizas. Composición de las cenizas.Composición de las cenizas. Reactividad.Reactividad. Materias Volátiles.Materias Volátiles. Contenido de azufre.Contenido de azufre. Contenido de cenizas.Contenido de cenizas.
6,3 El reductor gaseoso.6,3 El reductor gaseoso.
CHCH44 + CO + CO22 2CO + 2H2CO + 2H22..
CHCH44 + H + H22OO CO + 3HCO + 3H22..
** El contenido de azufre en el gas El contenido de azufre en el gas es limitado.es limitado.
Zona deenfriamiento
Zona dereducción
HORNO DEREDUCCIÓN
Oxido de hierro
SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE GAS
Gas Natural
Flue Gas
Chimenea deextracción
RECUPERADORDE CALOR
Ventilador principal de aire
Limpiador de gases
Salidade gas
Compresor degas del proceso
Gas dereducción
Limpiador de gasde enfriamiento
Compresor de gasde enfriamiento
REFORMADOR
DRI
FlueGas
Alimentación de gas
Aire de combustión
Gascombustible
7. Procesos Industriales.7. Procesos Industriales. 7,1 Procesos en hornos verticales.7,1 Procesos en hornos verticales.
MIDREXMIDREX
Combustible
Gas natural
AguaReformador H2O
CO2
Calentadorde gas
H2O
Mineralde hierro
Reactor
Gas natural
DRI
Combustible
HYL IIIHYL III
Potencialidades de los procesos Potencialidades de los procesos Midrex - HyL III.Midrex - HyL III.Por t DRI / HBI:Por t DRI / HBI:
Gas naturalGas natural 9 - 10 MJ.9 - 10 MJ.Energía eléctricaEnergía eléctrica 0 - 100 kwh.0 - 100 kwh.
Para una Planta de 0,5 a 1 Mt/añoPara una Planta de 0,5 a 1 Mt/año..PersonalPersonal entre 50 a 100.entre 50 a 100.InversiónInversión entre 200 - 250 US$/t por año.entre 200 - 250 US$/t por año.
Calidad del productoCalidad del producto..90 - 94 % Fe.90 - 94 % Fe.90 - 95 % metalización.90 - 95 % metalización. 1 - 3 % C.1 - 3 % C.
AREXAREX
PRECALENTADORDE GAS
H2O
OXIDODE HIERRO
PRECALENTA-DOR DE AIRE
GAS NATURAL
AIRE + O2
HRO
6 2
1
3
4
5
7,2 Procesos en cama fluidizada.7,2 Procesos en cama fluidizada.
Tambor alimentador de briquetiado
Briquetadora
Barriles
Enfriador
Briquetas
Alimentadores de mineral
Compresor de reciclado
Torre de limpieza de gas reciclado
Reactor de pre-calentamiento
de mineralNat Gas
Aire
Reactores de reducción
Horno pre-calentadorde gas de reducción.
Sistema remo-vedor
de CO2Horno
Reformador
Vapor
Nat gas
FIORFIOR..
Productocarburo
de hierro
Espesador
Entrada demineral de hierro
Horno rotatorio
hacia laatmósfera Combustible
Aire
Enfriadordel
Producto
Precalentadorde gas
LimpiadorhúmedoAgua de
refrigeraciónHacia
desecho
Hacia desechoCombustible
Hacia laatmósfera
Reactorde lecho
fluidizado
IRONIRON CARBIDECARBIDE
A :A : Horno Rotatorio. Horno Rotatorio.B :B : Enfriador Rotatorio. Enfriador Rotatorio.C :C : Separación del Producto. Separación del Producto.D :D : Cámara de post-combustión. Cámara de post-combustión.E :E : Caldera. Caldera.F :F : Limpiador de gas. Limpiador de gas.
AB
C
D
E FCarbón
MineralDolomita
AguaAire
Carbón
DRI Char
Agua de refrigeración
Descarga fría
Aire
PolvoVapor
Gas de desecho
7,3 Proceso con reductor sólido.7,3 Proceso con reductor sólido.SL / RNSL / RN..
Potencialidades del proceso SL/RNPotencialidades del proceso SL/RN Por t DRI / HBI:Por t DRI / HBI:
CarbónCarbón 800 - 900 kg (5 - 6 Gcal)800 - 900 kg (5 - 6 Gcal)DolomitaDolomita 20 - 40 kg.20 - 40 kg.KwhKwh 80 Kwh.80 Kwh.
Para una unidad de 150000 t/año.Para una unidad de 150000 t/año.PersonalPersonal 150 a 200 (2 hour /t).150 a 200 (2 hour /t).InversiónInversión 200 a 300 US$/t por año.200 a 300 US$/t por año.
Calidad del productoCalidad del producto..90 - 93 %90 - 93 % Fe. Fe. 93 % Metalización.93 % Metalización.0,010 - 0,015 % S.0,010 - 0,015 % S.
Horno de hogar rotatorio
Oxido dehierro
ReductorTolva
Mezclador
PeletizadorSecador
Acondicionador degas de escape
intercambiador de calor
Limpiadorde gases Ventilador
Chimenea
Gas de salida
Aire de combustión
Combustible delquemador
Enfriador de barrilrotatorio - DRI frío. Tolva de transferencia
DRI caliente.
Prensa de briqueteadoHBI
FASTMET
Diagrama de Flujo - Planta de Hierro EsponjaDiagrama de Flujo - Planta de Hierro Esponja
EnfriadorClasifica-ción por tamaño
Separaciónmagnética
Separaciónmagnética
Acería
Almace-namiento.
Acería
Almacenamien.de pellets
Separación de Finos
Almacenamien.de carbón
Clasificación por tamaños
Almacenamien.de caliza
Finos (-3mm)
Hornosde
Reducción
Almacenamien.
Carguío a silos
Carguío a silos
Carguío a tolva
Carguío a silos
C. grueso+3mm,-20 mm
C. Fino-3mm
14,60 t/h
6,20 t/h.
3,7 t/h.
ProductoBruto
ProductoBruto
100ºC.
Fino -5mm
Grueso +5mm
Magnético, hierro espoja fino 0,92t/h
No Magnético, Dolochar.
No Magnético, Char.
Magnético,hierro espoja grueso 9,5t/h
1,42 t/h
Agua 19,2 m 3/h.
0,438 t/h.
Gases achimenea
Aire (2000 m 3/tn. pellets
x
x
A :A : Horno Rotatorio. Horno Rotatorio.B :B : Enfriador Rotatorio. Enfriador Rotatorio.C :C : Separación del Producto. Separación del Producto.D :D : Cámara de post-combustión. Cámara de post-combustión.
AB
C
D
CarbónMineral
Caliza
AguaAire
Carbón
DRI Char
Agua de refrigeración
Descarga fría
Aire
Vapor
HornosHornos
Caliza.Caliza.
CarbónCarbón Carbón fijo 50 - 55
% Volátiles 35 - 40 % Cenizas 8 - 12 %
Azufre 0,50%
PelletPelletFe tFe t 67,90% 67,90%PP 0,009% 0,009%SS 0,006% 0,006%SiO2SiO2 1,70% 1,70%Al2O3Al2O3 0,27% 0,27%CaOCaO 0,34% 0,34%MgOMgO 0,60% 0,60%
Hierro Esponja.Fe Tot 90 - 92 %Fe met 85 - 88 %G. Met 90 - 92 %% P 0,010 - 0,020 %% S 0,020 - 0,050 %% C 0,06 - 0,20 %