Способ обработки измельченного материала в псевдоожиженном слое и способ получения расплава чушкового чугуна или жидких полуфабрикатов стали

 

В способе обработки измельченного материала в псевдоожиженном слое измельченный материал поддерживают в псевдоожиженном слое при помощи обрабатывающего газа, проходящего снизу вверх, и за счет этого обрабатывают. Обработке подвергается измельченный материал с широким распределением размеров зерна, имеющий относительно высокое содержание мелких частиц, а скорость обрабатывающего газа в свободном сечении в псевдоожиженном слое поддерживают меньшей, чем скорость, которая требуется для псевдоожижения самых крупных частиц упомянутого измельченного материала, при этом и крупные, и мелкие частицы перемещаются вверх и их выгружают через верхнюю область псевдоожиженного слоя. Скорость газа поддерживают в диапазоне 0,25-0,75 скорости, которая требуется для псевдоожижения самых крупных частиц. После предварительной обработки руду подают в плавильно-газификационный аппарат, где плавят с одновременным образованием восстановительного газа. Реализация изобретения позволит минимизировать потребление обрабатывающего газа и снизить унос мелких частиц обрабатывающим газом. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу обработки, предпочтительно восстановления, измельченного материала в псевдоожиженном слое, в частности мелкозернистой руды, согласно которому упомянутый измельченный материал поддерживают в псевдоожиженном слое при помощи обрабатывающего газа, проходящего снизу вверх, и за счет этого обрабатывают, а также к емкости для осуществления способа.

Подобный способ известен, например, из US-A 2909423, WO 92/02458 и ЕР-А-0571358. В этом способе оксидсодержащий материал, например мелкозернистую руду, восстанавливают в псевдоожиженном слое, поддерживаемом восстановительным газом внутри восстановительного реактора с псевдоожиженным слоем, при помощи восстановительного газа, который через сопловую решетку подают в восстановительный реактор с псевдоожиженным слоем, и который проходит через восстановительный реактор снизу вверх, в то время как оксидсодержащий материал входит в восстановительный реактор в приблизительно поперечном направлении относительно потока восстановительного газа. Для создания псевдоожиженного слоя необходимо, чтобы проходящий через него восстановительный газ имел определенную скорость, которая является функцией размера частиц загружаемого материала.

Из-за относительно высокой скорости восстановительного газа, которая необходима во всех известных способах, происходит значительный унос мелких частиц оксидсодержащего материала, а на поздних стадиях процесса восстановления - унос восстановленного оксидсодержащего материала из псевдоожиженного слоя, причем упомянутые мелкие частицы содержатся после этого в восстановительном газе. Чтобы удалить упомянутые мелкие частицы из восстановительного газа с одной стороны для того, чтобы иметь возможность последующего использования частично окисленного восстановительного газа, например в предшествующих восстановительных реакторах, а с другой стороны - для возвращения в процесс оксидсодержащего материала или уже восстановленного материала и избежания его потерь восстановительный газ, содержащий мелкие частицы, пропускают через пылеотделители, например циклоны, а отделенную пыль возвращают обратно в псевдоожиженный слой. Пылеотделители или циклоны соответственно предпочтительно расположены внутри реакторов (для сравнения US-A 2909423); однако они могут быть также установлены снаружи реакторов.

На практике оказалось, что частично восстановленные или полностью восстановленные мелкозернистые частицы оксидсодержащего материала имеют тенденцию к слипанию или спеканию друг с другом и/или со стенками реакторов или циклонов, а также с соединительными или транспортировочными трубопроводами. Это явление называют "налипанием" или "засорением". Процессы налипания или засорения являются функциями температуры и степени восстановления оксидсодержащего материала. Такое налипание или накопление частично или полностью восстановленного оксидсодержащего материала на стенках восстановительных реакторов или на других частях установки может вызывать сбои в работе, в результате чего длительная непрерывная работа установки без отключений становится невозможной. Как выяснилось, практически неосуществима непрерывная работа установки более одного года.

Удаление накоплений или нагара требует огромных трудозатрат и больших финансовых затрат, в частности затрат на оплату труда, и приводят к потерям из-за снижения производительности установки. Зачастую эти накопления отделяются самопроизвольно, в результате чего они или падают в псевдоожиженный слой, нарушая параметры технологического процесса, или если накопления отрываются от циклона засоряют каналы рециркуляции пыли, ведущие от циклона в псевдоожиженный слой, в результате чего дальнейшее отделение пыли от восстановительного газа становится полностью невозможным.

На практике один из недостатков известных способов с псевдоожиженным слоем заключается в недостаточной негибкости, и основные проблемы состоят в отделении и подаче потока обрабатывающего газа, в частности, в вышеописанных известных технологических процессах - в отделении и подаче потока восстановительного газа. Другой недостаток известных способов заключается в том, что на каждой технологической стадии, то есть стадиях предварительного нагрева, частичного восстановления и окончательного восстановления, в большинстве случаев два или несколько потоков продукта, выходящих из аппаратов, предназначенных для этих технологических стадий, должны шлюзоваться, что обусловливает существенное возрастание затрат на транспортировку и на оснащение средствами шлюзования. Кроме того, каждая стадия процесса должна быть оснащена двумя газоподающими системами, что на практике создает основные трудности при наличии горячих газов, содержащих пыль.

В дополнение к этому, из-за относительно высокой скорости восстановительного газа наблюдается значительное его потребление. Потребляется гораздо больше восстановительного газа, чем это необходимо для процесса восстановления как такового, а избыточное количество служит просто для поддержания псевдоожиженного слоя.

Способ восстановления металлических руд в псевдоожиженном слое также известен из GB-А-1101199. В этом способе технологические условия выбраны таким образом, что по ходу процесса восстановления происходит спекание материала, за счет чего образуются агломераты, которые, благодаря их размеру, не подвержены псевдоожижению. Таким образом, имеется возможность полностью отделить восстановленный материал, который выгружается из реактора с псевдоожиженным слоем в направлении сверху вниз, от частично восстановленного материала, который остается псевдоожиженным. Более мелкие частицы продукта выводятся через верхнюю границу псевдоожиженного слоя. Таким образом, в этом процессе также образуется два потока продукта, что требует значительных затрат на оборудование.

Наиболее близким техническим решением является способ обработки, в частности восстановления измельченного материала в псевдоожиженном слое при помощи проходящего снизу вверх обрабатывающего газа, скорость которого выше кипящего слоя непрерывно понижают, предотвращая вихреобразование по всему свободному поперечному сечению пространства над кипящим слоем. Способ осуществляют в установке, содержащей по крайней мере один реактор кипящего слоя с переменным поперечным сечением, имеющим нижнюю и верхнюю цилиндрические секции, соединенные между собой конической секцией, имеющей расширение вверх, при этом нижняя цилиндрическая секция снабжена газораспределительной подиной, на которой расположен кипящий слой оксидсодержащего материала, а трубопроводы подачи восстановительного газа и каналы загрузки и выгрузки оксидсодержащего материала расположены выше газораспределительной подины, а верхняя цилиндрическая секция снабжена крышкой, из которой выведен трубопровод выпуска восстановительного газа. Максимальный наклон стенки конической секции относительно центральной оси реактора равен 10^o (WO 96/10094 А1, 04.04.1996).

Этой мерой эффективно достигается исключение налипания и загрязнения несмотря на высокую скорость восстановительного газа в пределах кипящего слоя, радикального сокращения выноса оксидсодержащего материала, или частично или полностью восстановленного материала восстановительным газом.

Известен также способ получения расплава чушкового чугуна или жидких полуфабрикатов стали из мелкозернистых железных руд и флюсов, которые предварительно подвергаются восстановлению в кипящем слое (US 5407179, 18.04.1995).

Изобретение ставит своей задачей создание способа, обеспечивающего возможность обработки измельченного оксидсодержащего материала при минимальном потреблении обрабатывающего газа в течение длительного периода времени без угрозы сбоев, вызываемых налипанием или засорением. В частности, должна быть обеспечена возможность снижения количества обрабатывающего газа, необходимого для поддержания псевдоожиженного слоя, и его расхода так, чтобы обеспечить лишь минимальный унос мелких частиц.

В соответствии с изобретением, эта задача решается за счет того, что для обработки используют измельченный материал с широким распределением размеров частиц, который содержит большее количество мелких частиц и меньшее количество более крупных частиц, и за счет того, что скорость в свободном сечении обрабатывающего газа в псевдоожиженном слое поддерживают меньшей, чем скорость, которая требуется для псевдоожижения более крупных частиц упомянутого измельченного материала, при этом все частицы материала как крупные, так и мелкие движутся вверх и выгружаются через верхнюю область псевдоожиженного слоя.

В случае широкого равномерного распределения размеров зерна скорость газа в свободном сечении в псевдоожиженном слое поддерживают в диапазоне 0,25-0,75 скорости, которая требуется для псевдоожижения самых крупных частиц упомянутого измельченного материала.

Предпочтительно используют измельченный материал с частицами, которые имеют средний диаметр в диапазоне от 0,02 до 0,15, более предпочтительно от 0,05 до 0,10 максимального диаметра упомянутого измельченного материала.

Предпочтительно скорость обрабатывающего газа в свободном сечении над псевдоожиженным слоем относительно максимального диаметра емкости, содержащей псевдоожиженный слой, определяют для теоретической выборки размеров зерна от 50 до 150 мкм предпочтительно от 60 до 100 мкм, для которой предпочтительную скорость газа в свободном сечении в псевдоожиженном слое поддерживают в диапазоне от 0,3 м/с до 2,0 м/с для восстановления исходных мелкозернистых руд.

Способ получения расплава чушкового чугуна или жидких полуфабрикатов стали из загрузочных материалов, состоящих из железных руд и флюсов, и по крайней мере частично включающих мелкозернистую фракцию с использованием технологии обработки, при этом загрузочные материалы подвергают прямому восстановлению в губчатое железо в как минимум одной зоне восстановления с псевдоожиженным слоем обрабатывающим газом, подаваемым со скоростью в свободном сечении меньшей, чем требуется для псевдоожижения более крупных частиц измельченного материала при перемещении и крупных и мелких частиц вверх и выгрузке их через верхнюю область псевдоожиженного слоя, после чего железо плавят в плавильно-газификационной зоне при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа, при этом образуется СО- и Н₂-содержащий восстановительный газ, который вводят в зону восстановления, где он вступает в реакцию, и затем отводят в виде экспортного газа и подают потребителю.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на чертежи, где фиг. 1 показывает разрез емкости, в которой осуществляют способ восстановления; на фиг. 2 - технологическая схема способа восстановления железной руды, в котором могут использоваться емкости; на фиг. 3 - диаграммы, иллюстрирующие некоторые варианты распределения размеров частиц железных руд.

Емкость 1, показанная на фиг. 1 и образующая реактор с псевдоожиженным слоем 2, в частности восстановительный реактор, включает цилиндрическую нижнюю секцию 3 псевдоожиженного слоя, которая предназначена для принятия псевдоожиженного слоя 2 и на определенной высоте снабжена газораспределительным дном, которое выполнено в виде сопловой решетки 4 и предназначено для подачи и равномерного распределения восстановительного газа. Восстановительный газ проходит через восстановительный реактор от сопловой решетки 4 снизу вверх. Над сопловой решеткой 4 в той же цилиндрической секции 3 псевдоожиженного слоя расположены отводные и транспортировочные трубопроводы 5,6, то есть питающие трубопроводы и отводные трубопроводы для мелкозернистой руды. Псевдоожиженный слой 2 имеет высоту слоя 7 от сопловой решетки 4 до уровня отводного трубопровода 6 для мелкозернистой руды, то есть до его отверстия 8. К цилиндрической нижней секции 3 псевдоожиженного слоя подсоединена выступающая вверх коническая секция 9, причем наклон стенки 10 конической секции 9 относительно центральной оси реактора 11 составляет максимум 6-15^o предпочтительно 8-10^o. В этой области непрерывное увеличение поперечного сечения 12 конической секции 9 вызывает постоянное и равномерное уменьшение поверхностной скорости потока восстановительного газа, текущего вверх. Благодаря тому, что коническая секция 9 имеет лишь незначительный наклон стенки 10, можно получить поток без турбулентности и без отрыва от стенки 10, несмотря на увеличение поперечного сечения 12 в упомянутой конической секции 9. Таким образом, исключается турбулентность, которая может вызывать локальное увеличение скорости восстановительного газа. Следовательно, обеспечивается постоянное и равномерное уменьшение поверхностной скорости восстановительного газа через поперечное сечение 12 по высоте конической секции 9, то есть на каждом ее уровне.

К верхнему краю 13 конической секции 9 подсоединена секция успокоения 15, имеющая цилиндрическую стенку 14 и закрытая сверху перекрытием реактора 16, выполненным в форме усеченной сферы, например полусферы. Газовый трубопровод 17 для отвода восстановительного газа расположен по центру перекрытия реактора 16. Увеличение поперечного сечения конической секции 9 выполнено таким образом, что отношение площади поперечного сечения 18 секции успокоения 15 к площади поперечного сечения 19 секции псевдоожиженного слоя 3 составляет≥2.

Газовый трубопровод 17 ведет к циклону 20, предназначенному для отделения пыли от восстановительного газа. Трубопровод рециркуляции пыли 21, выходящий из циклона 20, направлен вниз и открывается в псевдоожиженный слой 2. Отвод газа из циклона 20 обозначен позицией 22.

В соответствии с изобретением в восстановительном реакторе 1 обрабатывается мелкозернистая руда, имеющая широкое равномерное распределение размеров частиц при относительно высоком содержании мелких частиц. Например, распределение размеров частиц может быть следующим: массы фракций до 4 мм - 100%; до 1 мм - 72%; до 0,5 мм - 55%; до 0,125 мм - 33%.

Было установлено, что мелкозернистая руда, примерно с таким распределением, может без сегрегации подвергаться псевдоожижению в псевдоожиженном слое 2, причем и это существенно для изобретения, поверхностная скорость V_пов всегда ниже, чем минимальная скорость, необходимая для псевдоожижения крупных частиц мелкозернистой руды.

Оптимальным рабочим диапазоном для V_пов оказалось соотношение V_пов= (0,25-0,75)V_мин(d_макс) где V_пов - скорость газа в свободном сечении в псевдоожиженном слое 2 над распределительным дном 4; v_мин(d_макс) - минимальная скорость псевдоожижения крупных частиц загружаемой фракции.

Как уже было упомянуто выше, широкое распределение размеров частиц в мелкозернистой руде существенно для изобретения. Такое распределение является характерной особенностью исходных мелкозернистых руд, то есть мелкозернистых руд, которые не подвергались фракционированию после измельчения. Некоторые примеры распределения зерна исходных железных руд приведены на фиг. 3. При таких распределениях размеров частиц исходных железных руд всегда имеется большая доля мелкой фракции, частицы которой столь малы, что они не остаются в псевдоожиженном слое, а уносятся с газом и рециркулируют обратно через циклоны. Мелкая фракция необходима для обеспечения псевдоожижения очень больших частиц при относительно низкой поверхностной скорости обрабатывающего газа.

В изобретении использовано явление передачи импульса к более крупным частицам, которое имеет место при широком распределении размеров частиц. За счет этого обеспечивается возможность псевдоожижения более крупных частиц, даже если поверхностная скорость восстановительного газа меньше поверхностной скорости, требуемой для псевдоожижения крупных частиц. В соответствии с изобретением обеспечивается возможность использования мелкозернистой руды с природным распределением размеров частиц (исходной руды), имеющей d_макс предпочтительно до 12 мм, максимум до 16 мм, без какого-либо предварительного фракционирования.

Использование восстановительного реактора, выполненного в соответствии с критериями, сформулированными выше, и использование мелкозернистой руды, имеющей относительно высокое содержание мелких частиц, обеспечивают следующие преимущества в режиме псевдоожижения: - гибкость системы по отношению к изменениям в плотности твердого материала и в распределении размеров частиц, происходящих при смене загружаемого сырья; - нечувствительность к дезинтеграции частиц и, следовательно, к изменениям в содержании мелкозернистой фракции, которые происходят в процессе обработки материла от сырья до продукта.

Емкость 1 с такими же преимуществами может быть использована в качестве емкости для предварительного нагрева и емкости для частичного восстановления и полного восстановления.

Установка, в которой использована описанная выше емкость 1, сконструированная по изобретению, более подробно описана ниже со ссылками на фиг. 2.

Установка для производства чушкового чугуна или полуфабрикатов стали включает три реактора с псевдоожиженным слоем 1, 1', 1'' описанной выше конструкции, соединенных последовательно, где материал, содержащий оксид железа, такой как исходная мелкозернистая руда, через питающий трубопровод руды 5 подается в первый реактор с псевдоожиженным слоем 1, в котором осуществляется стадия предварительного нагрева и возможно частичного восстановления мелкозернистой руды, а затем передается из реактора с псевдоожиженным слоем 1 в реактор с псевдоожиженным слоем 1', или из 1' в 1" соответственно через транспортировочные трубопроводы 5,6. Во втором реакторе с псевдоожиженным слоем 1' осуществляется частичное восстановление (стадия частичного восстановления), а в расположенном последовательно после него реакторе 1'' осуществляется окончательное восстановление мелкозернистой руды в губчатое железо (стадия полного восстановления).

Полностью восстановленный материал, т. е. , губчатое железо, через транспортировочный трубопровод 6 передается в плавильно-газификационный аппарат 25. В плавильно-газификационной зоне 26 плавильно-газификационного аппарата 25 из угля и кислородсодержащего газа вырабатывается СО- и Н₂-содержащий восстановительный газ, который через питающий трубопровод восстановительного газа 27 подается в реактор с псевдоожиженным слоем 1'', расположенный последним в направлении течения мелкозернистой руды. Затем восстановительный газ передается противотоком течению руды из реактора с псевдоожиженным слоем 1'' в реактор с псевдоожиженным слоем 1' или из 1' в 1 соответственно через транспортировочные трубопроводы 28, 29 и выводится из реактора с псевдоожиженным слоем 1 в виде доменного газа через отводной трубопровод доменного газа 30, после чего охлаждается и очищается во влажном скруббере 31.

Плавильно-газификационный аппарат 25 оснащен питающим трубопроводом 32 для твердых носителей углерода, питающим трубопроводом 33 для кислородсодержащих газов, а также возможно питающими трубопроводами для носителей углерода, таких как углеводороды, жидкие или газообразные при комнатной температуре, а также для кальцинированных флюсов. Внутри плавильно-газификационного аппарата 25, ниже плавильно-газификационной зоны 26, собирается расплавленный чушковый чугун или расплавленный полуфабрикат стали и расплавленный шлак, которые отводятся через отвод 34.

В питающем трубопроводе восстановительного газа 27, выходящем из плавильно-газификационного аппарата 25 и входящем в реактор с псевдоожиженным слоем, имеется обеспыливающее устройство, такое как циклон горячего газа 35, а частицы пыли, отделенные в этом циклоне горячего газа 35, подаются в плавильно-газификационный аппарат 25 через возвратный трубопровод 36 с использованием азота в качестве транспортировочной среды и через горелку при наддуве кислорода.

Возможность регулирования температуры восстановительного газа повышается благодаря наличию трубопровода рециркуляции газа 37, который предпочтительно предусмотрен в конструкции и который выходит из питающего трубопровода восстановительного газа 27 и передает часть восстановительного газа обратно в упомянутый питающий трубопровод восстановительного газа 27 через скруббер 38 и компрессор 39, а именно - в точке, расположенной выше по течению от циклона горячего газа 35.

Формула изобретения

1. Способ обработки, предпочтительно восстановления, измельченного материала в псевдоожиженном слое, в частности восстановления мелкозернистой руды, при котором упомянутый измельченный материал поддерживают в псевдоожиженном слое (2) при помощи обрабатывающего газа, проходящего снизу вверх, и за счет этого обрабатывают, отличающийся тем, что для обработки используют измельченный материал с широким распределением размеров частиц, имеющий большее содержание мелких частиц и меньшее содержание более крупных частиц, и что скорость газа в свободном сечении в псевдоожиженном слое (2) поддерживают меньшей, чем скорость, которая требуется для псевдоожижения более крупных частиц упомянутого измельченного материала, при этом и более крупные, и мелкие частицы перемещаются вверх и их выгружают через верхнюю область псевдоожиженного слоя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость газа в свободном сечении в псевдоожиженном слое (2) поддерживают в диапазоне 0,25-0,75 скорости, которая требуется для псевдоожижения самых крупных частиц упомянутого измельченного материала.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что используют измельченный материал, средний диаметр частиц которого находится в диапазоне 0,02 - 0,15, более предпочтительно 0,05 - 0,10 максимального диаметра зерна упомянутого измельченного материала.

4. Способ по одному или нескольким пп. 1-3, отличающийся тем, что скорость обрабатывающего газа в свободном сечении над псевдоожиженным слоем (2) относительно максимального диаметра емкости, вмещающей псевдоожиженный слой (2), устанавливают для теоретической выборки частиц размером 50 - 150 мкм, предпочтительно 60 - 100 мкм.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что для восстановления исходных мелкозернистых руд в псевдоожиженном слое (2) скорость газа в свободном сечении поддерживают в диапазоне 0,3 - 2,0 м/с.

6. Способ получения расплава чушкового чугуна или жидких полуфабрикатов стали из загрузочных материалов, состоящих из железных руд и флюсов и по крайней мере частично включающих мелкозернистую фракцию, отличающийся тем, что загрузочные материалы подвергают прямому восстановлению в губчатое железо в как минимум одной зоне восстановления способом псевдоожиженного слоя по одному или нескольким пп. 1-5, губчатое железо плавят в плавильно-газификационной зоне (I-IV) при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа, при котором образуется СО- и Н₂-содержащий восстановительный газ, который вводят в зону восстановления, где он вступает в реакцию, и затем отводят в виде экспортного газа и подают потребителю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3