Способ восстановления железной руды до губчатого железа в шахтном реакторе

 

СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОЙ РУДЫ ДО ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА В ШАХТНОМ РЕАКТОРЕ, включамдий получение восстановительного газа газификацией твердого или жидкого топлива, последующий его 1тформинг в смеси с паром, противоток газов.и твердого материала , последовательную обработку в зонах нагрева, восстановления и охлаждения , рециркуляцию, охлаждение, очистку от примесей и назрев восстановительного газа, отличающийся тем, что, с целью повьшения производительности печи и экономии топлива, смесь продуктов кации и пара нагревают до 300-600 С и осуществляют риформинг в зоне нагрева , при этом перед подачей в зону восстановления газ очищают от примесей углекислого газа. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть охлажденного восстановительного газа подаСО ют в зону охлаждения. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ, рециркулируемый после риформинга, охлаждают и удаляют из него воду. ю 00 00 со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Э(51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2999796/22-02 . (22) 30. 10.80 . (31) 089902 (32) 31. 10. 79 (33) ClllA (46) 07. 12.84. Бюл. У 45 (72) Хуан Федерика Прайс-Фалькон, Энрике Рамон Мартинез-Вера (Мексика) (71) Групо Индастриал Альфа С.А. (Мексика) (53) 669.181(088.8) (56) 1. Похвиснев А.Н. и др. Внедоменное получение железа за рубежом. М., "Металлургия", 1964, с. 34-55. (54)(57) СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗ НОЙ РУДЦ ДО ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА В ШАХТНОМ РЕАКТОРЕ, включающий получение восстановительного газа газификацией твердого или жидкого топлива, последующий его диформинг в смеси с паром, противоток газов.и твердого материа„;SU „„И 28843 A ла, последовательную обработку в зонах нагрева, восстановления и охлаждения, рециркуляцию, охлаждение, очистку от примесей и нарев восстановительного газа, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повьпаения производительности печи и экономии топлива, смесь продуктов газификации и пара нагревают до 300-600 С и осуществляют риформинг в зоне нагрева, при этом перед подачей в зону восстановления газ очищают от примесей углекислого газа.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что часть охлажденного восстановительного газа подают в зону охлаждения.

3. Способ по п. 1, отличаюшийся тем, что газ, рециркулиI руемый после риформинга, охлаждают и удаляют из него воду.

1 1 128

Изобретение относится к восстановлению железной руды до губчатого железа.

Получение губчатого железа в обычном вертикальном шахтном реакторе с . подвижным слоем состоит из двух основных операций: восстановления руды с помощью подходящего горячего восстановительного газа в восстановительной зоне реактора и последующего охлаж- 10 дения образующегося губчатого железа с помощью газообразного охпаждающего агента в охлаждающей зоне реактора. Восстановительным газом обычно служит газ, состоящий главным обра= 15 зом из окиси углерода и водорода, вво.димый в реактор при температурах в . пределах 850-1100 С, предпочтительно

900-1000 С. Горячий восстановительный

1 аз можно вводить в реактор в ниж- 20 ней части восстановительной зоны и пропускать снизу вверх через реактор противотоком по отношению к опускающейся сверху вниз руде,.или альтернативно, горячий восстановительный 2S газ можно вводить в верхней части восстановительной зоны и направлять его

I в одном направлении с передвигающейся сверху вниз рудой. В технике общеизвестно охлаждение губчатого железа g0 путем ввода охлаждающегося газа при относительно низкой температуре в охлаждающую зону реактора и пропускания охлажцающего газа снизу вверх через реактор, в результате чего темпе ратура охлаждающего газа повышается, а температура губчатого железа понижается.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату 40 к изобретению является способ восстановления железной руды до губчатого железа в шахтном реакторе, включающий получение восстановительного газа газификацией твердого или жидкого "5 топлива, последующий риформинг в сме-. си с паром, противоток газов и твердо- го материала, который последовательно проходит обработку в зонах нагрева, восстановления и охлаждения,рецирку- 50 ляцию, охлаждение, очистку от примесей и нагрев восстановительного газа.

Восстановительный газ, используемый при прямом восстановлении железных руд, получают из ряда источников, 55 например путем каталитического риформирования углеводородов и водяного пара (1) .

843 2

Системы, в которых используется природный газ и водяной пар для образования восстановительного газа, требуют применения установок каталитического риформинга. В известных процессах, в которых для получения ь восстановительного газа используются твердые или жидкие виды топлива, в отличие от тех процессов, в которых используется природный гаэ, требовалось дополнительное оборудование для обогащения газа, чтобы его можно было эффективно использовать в восстановительных целях.

Целью изобретения является повышение производительности печи и экономии топлива.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу восстановления железной руды до губчатого железа в шахтном реакторе, включающему получение восстановительного газа газификацией твердого или жидкого топлива, последующий его риформинг в смеси с паром, противоток газов и твердого материала, последовательную обработку в зонах нагрева, восстановления и охлаждения, рециркуляцию, охлажде-. ние, очистку от примесей и нагрев восстановительного газа, смесь продуктов газификации и пара нагревают до 300-600 С, осуществляют риформинг о в зоне нагрева и перед подачей в зону восстановления газ очищают от примесей углекислого газа.

Часть охлажденного восстановительного газа подают в зону охлаждения.

Газ, рециркулируемый после риформинга, охлаждают и удаляют из него воду.

Характерной особенностью предлагаемого способа является создание зоны внутри реактора для риформиро» вания восстановительного газа, полученного в соответствующей газификационной установке. Поскольку скорость газовой диффузии в частицы руды по существу не зависит от температуры, а зависит, главным образом, от кон-, центрации водорода, присутствующего в восстановительном газе, восстановительный газ должен иметь относительно высокое содержание водорода.

Согласно изобретению восстановительный газ, который можно получить путем газификации угля с помощью кислорода и водяного пара, смешивают с водяным паром и нагревают.

843 методом.

i 1128

Нагретую газовую смесь вводят в реактор и риформируют в зоне нагрева,. размещенной в верхней части реактора, с целью получения более высокого желательного соотношения между Н2 и

СО. В зоне риформирования соотношение между Н2 и СО, которое обычно находится в пределах от приблизительно

0 5:1 до 1:1, возрастает до приемлемого значения для восстановления железной руды, т.е. в пределах от примерно 2,5: 1 до 5: 1 с помощью реакции взаимодействия водяного пара и моноокиси углерода.

Железосодержащий материал в реакторе выступает для этой реакции в роли особоэффективного катализатора.

Газ, выходящий из газификационной установки жидкого ископаемого топлива содержит, об.7.: Н 46, 1, СО 46,.9, СО2 4,3 ° N 2 1 э4, СН4 0,4", Н2О 0,9.

Газ из газификационной установки твердого топлива содержит, об.7: Н2

30,4, СО 58,3; СО 10,0, N 1,0, Более высокое соотношение между

Н. и СО является желательным в свя 2 зи с тем, что скорость восстановительной реакции с применением водорода более высокая по сравнению с реакцией с применением окиси углерода, в связи с- чем уменьшается время нахождения руды в реакторе. Кроме того, поскольку большее количество СО имеет тенденцию к осаждению на руде элемен35 тарного углерода, повышенное количество водорода сводит до минимума такое осаждение. Изменение в содержании СО . также обеспечивает лучший контроль за. науглероживанием. 40

Риформированный газ, полученный в верхней части реактора удаляют из зоны риформирования реактора во внешний контур, где его охлаждают, сжимают и направляют через абсорбционную баш- 45 ню для удаления углекислого газа. Риформированный и обработанный газ затем направляют в подогреватель, в ко-, .тором он нагревается до повышенной температуры в пределах примерно 750- so

1000 С, после чего его вводят в восстановителЬную зону в качестве восстановительного газа. Восстановительный газ проходит через восстановитель.ную зону реактора в контакте с метал- 55 лической рудой, благодаря чему проис- ходит восстановление руды, после чего его выводят из восстановительной зоны и охлаждают с целью удаления из него воды, Охлажденный восстановительный газ затем объединяют с потоком риформированного и обработанного газа, подлежащего возврату в восстановительную зону реактора.

Согласно предложенному способу. восстановительный газ, полученный в системе газификации топлива, можно более эффективно и экономично использовать для восстановления металлических руд. При этом восстановительный газ риформируют внутри реактора, в результате чего ограничивается необ ходимость в отдельных установках риформинга или реактора, что приводит к экономии энергии и капитальных затрат.

На фиг. 1 изображена установка для производства губчатого железа, на фиг. 2 — технологическая схема процесса производства губчатого железа.

Вертикальный шахтный реактор 1 с подвижным слоем содержит зону 2 риформирования в своей верхней части, охлаждающую зону 3 в нижней части и восстановительную зону 4, располо- женную между зонами риформирования и охлаждения. Реактор 1 теплоизолирован снаружи и изнутри облицован огнеупорным материалом известным

Измельченную руду, подвергают обработке, вводят в реактор 1 через загрузочный штуцер 5. Руда, загруженная в реактор, может быть в форме либо кусков, приготовленных гранул, либо в виде их смесей. Вблизи нижней части зоны 2 риформирования реактор снабжен кольцевой нагнетательной камерой б, которая проходит по внешней окружности реактора, с тем, чтобы обеспечить здесь устройство, с помощью которого нагретую газовую смесь восстановительного газа и водяного пара вводят в реактор. Вертикальная перегородка 7 вместе со стенкой реактора ограничивает кольцевое пространство 6. Руда движется вниз через зону риформирования, где она нагревается и частично восстанавливается за счет вертикально поднимающегося риформированного газа.

Железная руда, выходящая из зоны риформирования и поступающая в восстановительную зону 4, в основном состоит из окиси железа. Вблизи пода восстановительной зоны 4 имеется вто1128843 рая кольцевая нагнетательная камера

8, аналогичная нагнетательной камере

6, через которую риформированный и обработанный восстановительный газ может быть введен в реактор. Преду- .5 смотрена также имеющая форму усеченного конуса перегородка 9, которая вместе со стенкой реактора ограничивает кольцевое пространство 8.

В результате восстановления, достигнутого в восстановительной зоне, руда, выходящая из этой зоны и поступающая в охлаждающую зону 3, сильно металлизирована и имеет низкое содержание углерода. Вблизи пода охлаждающей зоны 3 имеется еще одна кольцевая нагнетательная камера 10, через которую при желании в реактор можно ввести по существу инертный охлаждающий газ. Предусмотрена также 20 перегородка в форме усеченного конуса 11, аналогичная перегородкам 12 и

9. Так как зубчатое железо продвигается вниз через охлаждающую зону 3, оно охлаждается охлаждающим газом, 25 проходящим через него, и выходит через выходное отверстие реактора 13.

Восстановительный газ получают в установке 14 газификации угля, и подают по трубопроводу 15 со скоростью, регулируемой регулятором 16 расхода, в трубопровод 17. Водяной пар, проходящий по трубопроводу 18 и регулируемый регулятором 19 расхода, смешивают с газом из установки 14 газифика- З5 ции угля и направляют в трубопровод

20. Газообразная смесь поступает по трубопроводу 20 в нагревательный змеевик 21 подогревателя 22, где ее подогревают до температуры в пределах 40 поимерно 300-600 C. Подогретая смесь выходит из подогревателя 22 по трубопроводу 23 и поступает в нагнетательную камеру 6. Газ, проходящий через нагнетательную камеру 6, поступает 45 в реактор вблизи пода зоны 2 риформирования. По, входе в зону риформирования реактора нагретую смесь риформируют с целью получения более высокого и более желательного соотношения 50 между водородом и окисью углерода.

Риформированный газ поднимается вверх через зону риформирования и выводится вблизи верхнего днища реактора через выходной штуцер 24 и трубопровод 25. 5

Часть восстановительного газа, полученного в установке 14 газификации угля вводят при низкой температуре в охлаждающую зону реактора с целью охлаждения губчатого железа.

Однако, если требуется низкое содержание углерода в губчатом железе, в качестве охлаждающего газа можно использовать практически инертный газ ь из подходящего иоточника. Если весь охлаждающий газ или его часть, подава" емые в охлаждающую зону реактора, подают из системы газификации угля, то в этом случае часть охлаждающего газа, выходящую из охлаждающей эоны реактора, можно также направить в восстановительный контур.

Риформированный газ, выходящий из реактора по трубопроводу 25, поступает в смесительный холодильник 26, в который по трубопроводу 27 вводят воду для охлаждения и удаления из него воды. Газ выходит из холодильника 26 по трубопроводу 28 и поступает в .трубопровод 29, который соединен с всасывающей. стороной насоса 30.

Часть газового потока, проходящая по трубопроводу 28, можно направлять по трубопроводу 31 в необходимое место применения (не показано). Трубопровод 31 снабжен регулятором 32 противодавления, имеющим регулирующий клапан 33, так что его можно регулировать для поддержания требуемого положительного и постоянного давления в системе с целью повышения эффективности реактора 1.

Газовую смесь, поступающую к насосу 30, направляют через трубопровод

34, и она поступает в поглотитель 35 углекислого газа (абсорбер). Углекислый газ в потоке, поступающем в абсорбер 35, удаляют методом, известным в технике — соответствующим поглощением среды, вводимой в абсорбер 35 по трубопроводу 36. В газе, ю выходящем из абсорбера через трубопровод 37, содержатся лишь небольшие количества углекислого газа. Газ,протекающий по трубопроводу 37, поступает в трубопровод 38 и по трубопроводу

39 попадает в нагревательный змеевик

40 подогревателя 41. Где подогревают .в подогревателе 41 до температуры

0 в пределах 850-1000 С и предпочтительно в диапазоне 850-900 С. Подогретый газ выходит из подогревателя 41 и .направляется по трубопроводу 42 в нагнетательную камеру 8, через которую он попадает в реактор вблизи пода восстановительной зоны 4.

1128843

Восстановительный газ проходит снизу вверх через восстановительную зону и поступает в нагнетательную камеру 43, через которую он попадает в реактор. Поток восстановительного газа выходит из реактора по трубопро-. воду 44 и направляется в смесительный холодильник 45, в который ввводят воду по трубопроводу 46 с целью охлаждения и повышения эффективности 1О удаления воды из риформированного газа. Газ выходит из холодильника 45 по трубопроводу 47, а часть его попадает по трубопроводу 48 во всасывающую сторону насоса 49. Часть газа, 15 протекающего по трубопроводу 47, попадает по трубопроводу 50 по назначению. Трубопровод 50 снабжен регулятором 51 противодавления имеющим регулируемое установленное место, так 20 что его можно отрегулировать для под держания требуемого положительного и постоянного давления в системе с целью повышения эффективности реактора 1. 25

Газ прокачивается насосом 49 в разгрузочный трубопровод 52 и смешивается с риформированным газом; выходящим из абсорбера углекислого газа по трубопроводу 37. Объединенный газовый поток затем проходит по трубопроводам 38 и 39, через подогреватель 41 и трубопровод 42, из которого он возврвщается в нижнюю часть восстановительной зоны 4.

Инертный добавочный газ, предпочтительно азот, можно подводить из соответствующего источника (не показан) по трубопроводу 53 в количестве, . контролируемом регулятором 54 расхода40

Инертный газ, проходящий по трубопроводу 53, затем поступает по трубопроводу 55 в нагнетательную камеру 10 и в реактор вблизи низа охлаждающей зоны 3. Имеющая форму усеченного кону- 45 са перегородка 11 вместе со стенкой реактора ограничивает кольцевую камеру 10. Добавочный инертный газ проходит снизу вверх через охлаждающую зону 3 реактора и выводится через .: 50 кольцевую камеру 56. Выходящий охлаждающий газ проходит по трубопроводу

57 в смесительный холодильник 58, в который по трубопроводу 59 пбдают воду для охлаждения и удаления воды из отходящего газа. Газ выходит из холодильника 58 по трубопроводу 60 и поступает в трубопровод 61, который соединен с всасывающей стороной насоса 62. Часть газового потока, проходящего по трубопроводу 60 может проходить по.трубопроводу 63 к месту применения (не показано). Трубопровод 63 также снабжен регулятором 64 противодавления, имеющим регулируемое установочное место, так что его можно регулировать для поддержания требуемого положительного.и постоянного давления в системе с целью повышения эффективности реактора 1.

Газ затем подается насосом 62 по трубопроводу 65, где он может быть смещен с добавочным инертным газом, проходящим по трубопроводу 53, врезаемому в трубопровод. 66. Этот газо.вый поток затем возвращается .обратно по трубопроводу 55 и через нагнетательную камеру 10 в охлаждающую зону

3 реактора. Альтернативно часть газа, проходящего по трубопроводу 65, направляют в восстановительный контур по трубопроводу 67 в количестве, контролируемом регулятором 68 расхода, и смешивают с риформированным и обработанным газом, проходящим по трубопроводу 38.

Часть газа из установки 14 газификации угля можно направить по трубо проводу 69 в количестве, контролируемым регулятором 70 расхода. Этот газ затем поступает по трубопроводу 55 в нагнетательную камеру 10 в нижнюю часть охлаждающей зоны 3.

В табл. 1 на примерах 1-3 показан материальный баланс процесса, осуществляемого при трех различных температурах Т у входа в верхнюю зону реактора, где CO взаимодействует с водой.

В трех примерах все условия поддерживаются постоянными, за исключением температуры Т1. Сравнение примеров показано в табл.2.

Как видно из табл. 2 уменьшение температуры Т повьппает металлкзацию и уменьшает количество отходя- . щего газа, но увеличивает количество

СО, подлежащего абсорбированию.

Таблица 1

1128843

Компоненты

2 3 4 5 6 7

8."Лример 1

57,3, 52,3

73,8 64,2

46, 1 56,4

46,1

54,1 н.

22,2

46,4

46,9 13,8 18,0

20,4

26,4

24,6

СО

18,3

4,3

5,0

10,0 .14,2

27,4

4,3

22,0

С0у

0,4

0,4

0,7

0,4

0,4

0,5

0,5

0,3 сн4

1,6.

2,0

1,6

2,5

1,4

1,0

1,0

1,0

1,3

0,9

0,4

Н20

1373,0 1118,7 1391,3 1063,8 2334,1 610,2 1220,4 217,6

П име 2 н

46,1. 57,5 77,4 68,4 60,8 52,8 54,6

46,1

46,9

14,4 18,9

46,9 10,8

22,8 25,0 19, 1

СО

4 3

29,3 5 0 8,9

4,3

23,2

12,2 . 19,2

0,4

0,5

0,4 . 0,4

0 5 0 5

0,4

0,3

СН4

1,4

1,4

0,9: 1,0

0,9

Н С

Коли1373,0 1118,7 1428,9 1062,7 2336,0 588,8 1220,4 214,6

Пример 3

65,3 51,4

46,1

52,8

29,6

19,8

24,9

46,9

СО

10,6 16, 1

4,3

19 3

8,0

5,0

С02

0 5 сн

0,4

0,6

0,4

0,4

0,5

0,30

0,4

1,6

1,.2

2,8

1,5

1,4 1,1

1,4

1,0

1,0

1,0

1,0

1,4

0,9 1,0

0,9

820

1373,0 1118,7 1463,4 1047,8 2336,0 567,5 1220,7 221,7.Количество нм

r честно нм т

Количество нм т

46,1 58,6

46,9 8,1

4,3 30 9

1,5 2,1 2,7 1,6 1,7

1,4 1,2 1,0 1,0 1,0

80,4 72,2

11,2 15,8

1128843 Таблица 2

Количество CQ. абсорбированное, им /ш

Т °

С

Пример

610, 2

2,24

87,,0 600

588,8

2,04

89,0

450

9191

567,5

1,64

300

«й»

Иеталлизация, %

Углерод в железной губке,X

328, 0

365,5

399,8

Количество отходящего газа, отходящего

m".-потока восстановительного контура,1128843

) 128843

Составитель Л. Панникова

Техред З.палий Корректор д. Тигор

Редактор В, Данко

Тираж 539 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9098/47

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4