Способ получения железа прямым восстановлением и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии переработки металлургического сырья, содержащего оксиды железа, восстановлением до железа. Встречно циркулирующий восстановительный газ температурой 850-1000°С, состоящий из водорода и монооксида углерода, превращают углеводороды окислителями, отводят из зоны восстановления отработанный восстановительный газ, смешивают его с природным газом и с водой. Нагрев и превращение углеводородов окислителями производят в объеме газогенератора плазменными струями. Формируют основной замкнутый циркуляционный поток отходящих из реактора газов в нижнюю часть - зону конвертирования. Отбирают часть потока из замкнутого контура, и после очистки используют его для работы газогенератора. Основной поток отработанных газов пропускают через газогенератор, нагревают их до температуры 3000°С и впрыскивают в поток природный газ и воду и охлаждают газ до 900-1000°С на входе в реактор. Генератор расположен в контуре отходящего газа в зоне восстановления реактора. Изобретение позволит повысить скорость реакции восстановления, исключить выбросы вредных газов в атмосферу, использовать отходящие газы для работы газогенератора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Взаимосвязанная группа изобретений относится к металлургической отрасли и может быть использована для переработки металлургического сырья.

Известен способ восстановления железорудного сырья до губчатого железа в шахтной печи, включающий противоток восстанавливаемого материала и газа в зонах восстановления, промежуточной и зоне охлаждения, охлаждение, очистку и рециркуляцию колошникового газа с разделением его на технологический и топливный потоки, дополнительную конверсию природного газа в промежуточной зоне окислительными компонентами - водяным паром и углекислым газом, отличающийся тем, что дополнительную конверсию ведут кислородом и окислительными компонентами топливного газа при температуре в зоне не ниже 760°С со следующими соотношениями компонентов 0,095≤n≤0,190; 0,61≤к≤0,84; 0,90≤р≤1,10; 0,45≤m≤0,50, где n - отношение кислорода к природному газу, к - отношение окислительных компонентов топливного и соответственно технологического газов к природному газу при добавке кислорода, а р - без добавки кислорода, m - отношение кислорода к природному газу, причем при кислородной конверсии температура в зоне не ниже 900°С (А.С. СССР №1535896, заявл. 04.11.87, опубл. Бюл. №2, 1990).

Однако в продуктах конверсии присутствуют окислы, наличие которых отрицательно влияет на эффективность восстановления железорудного сырья, кроме этого современная технология плавки в электропечах предусматривает использование брикетов из металлизированного сырья.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ получения железа прямым восстановлением с регулированным содержанием углерода в системе для восстановления без применения установки для реформинга природного газа, включающий введение зернистого материала, содержащего оксиды железа, в верхнюю часть зоны восстановления реактора с движущимся слоем, через зону восстановления с образованием восстановительного газа, содержащего водород и монооксид углерода, за счет превращения углеводородов окислителями, такими, как вода и кислород, восстановлением материала, содержащего оксиды железа, до железа, рафинированного от примесей, и его науглероживание этим газом, отвод из зоны восстановления отработанного восстановительного газа, удаление из него диоксида, смешивание отработанного газа с природным газом, регулирование содержания воды в смеси и его последующий нагрев и выгрузку восстановленного и науглероженного железа из реактора, отличающийся тем, что в зону восстановления подают первый поток восстановительного газа при температуре в интервале 900-1150°С, диоксид углерода удаляют, по меньшей мере, из части второго потока с образованием третьего потока, содержащего не более чем 10% диоксида углерода, смешивают третий поток с природным газом для образования четвертого потока восстановительного газа, содержание воды в восстановительном газе перед нагревом в интервале приблизительно 5-12%, нагревают четвертый поток до повышенных температур восстановления, смешивают горячий четвертый поток с кислородсодержащим газом для повышения температуры четвертого потока до значений, находящихся в интервале 900-1150°С, с целью образования первого потока, при этом железо прямого восстановления выгружают из реактора для восстановления при температуре свыше 500°С и после этого подвергают горячему брикетированию с последующим охлаждением до 100°С (Патент России №2190022, заявл. 10.10.97., опубл. Бюл. №27, 2002).

Однако данный способ не обеспечивает качество восстановленного металлизированного сырья по причине обязательного наличия в восстановительном газе оксидов, которые связаны с технологией сжигания газов. Кроме того, известный способ оказывает существенное негативное воздействие на окружающую среду.

Известно устройство для прямого восстановления железной руды, содержащее шахтную печь предварительного восстановления, плавильный газификатор, расположенный под шахтной печью и соединенный с ней посредством перегрузочного узла в виде радиально расположенных шнековых транспортеров и соединительных вертикальных трубопроводов, расположенных симметрично относительно продольной оси шахтной печи и плавильного газификатора, имеющего узлы загрузки твердого восстановителя и трубопроводы подвода и отвода газов, отличающееся тем, что соединительные вертикальные трубопроводы для разгрузки губчатого железа из шахтной печи на концах выполнены с перпендикулярными продольной оси газификатора патрубками, в которых размещены шнековые транспортеры, при этом соединительные вертикальные трубопроводы введены в донную часть шахтной печи, выполненную горизонтальной, а узел загрузки твердого восстановителя размещен на продольной оси газификатора (Патент России №1591815, заяв. 13.07.88, опубл. Бюл. №33, 1990).

Недостатком конструкции устройства является низкая эффективность восстановления железной руды, так как в продуктах конверсии присутствуют окислы. Кроме того конструкция устройства не обеспечивает достаточную интенсивность тепло- и массообмена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принято устройство для восстановления зернистых, содержащих частицы оксидов железа, с помощью восстановительного газа для получения частиц железа прямого восстановления, имеющих регулируемое содержание углерода, включенного в них, содержащее реактор для восстановления с движущимся слоем, имеющий зону восстановления, контур для восстановительного газа, предназначенный для циркуляции большей части газа, выходящего из верхней части зоны восстановления реактора для кондиционирования и обогащения и возврата его в виде улучшенного рециркулирующего восстановительного газа в зону восстановления реактора, причем контур включает в себя зону восстановления, устройство для охлаждения и очистки газа, предназначенное для охлаждения и очистки газа, выходящего из верхней части реактора, насос для обеспечения циркуляции восстановительного газа через указанный контур и реактор, устройство для удаления диоксида углерода из рециркулирующего восстановительного газа, нагреватель газа для повышения температуры потока газа, циркулирующего через указанный контур, до температур в интервале 850-1000°С, средство для регулирования содержания воды в рециркулирующем восстановительном газе, отличающееся тем, что оно содержит средство для добавления природного газа в указанный контур для восстановительного газа и средство для смешивания рециркулирующего и природного газа и регулирования количества рециркулирующего газа перед поступлением восстановительного газа в реактор, при этом устройство дополнительно содержит теплообменник для подогрева потока газа, выходящего из верхней части реактора (Патент Росии №2190022, заявл. 10.10.97, опубл. Бюл. №27, 2002).

Однако конструкция известного устройства не обеспечивает качество готового продукта из-за отсутствия в восстановительном газе оксидов, что снижает эффективность восстановления, кроме того, установка оказывает негативное воздействие на окружающую среду.

В основу первого из группы изобретений поставлено задачу усовершенствования способа получения железа прямым восстановлением путем использования технологических возможностей плазменных технологий применительно к процессам прямого восстановления железа, за счет появления в плазме активных радикалов, например СО^* и Н₂ ^*, увеличивающих скорость реакции восстановления, и за счет этого увеличить выход и чистоту получения целевого продукта.

В основу второго из группы изобретений поставлено задачу усовершенствования конструкции устройства для получения железа прямым восстановлением путем совместного протекания процессов нагрева и восстановления за счет создания конструкции плазменного газогенератора и схемы подвода систем газо- и водообеспечения, и за счет этого повысить удельную производительность при обеспечении качества получения готового продукта и минимальном воздействии на окружающую среду.

Первая поставленная задача решается тем, что в способе получения железа прямым восстановлением, включающем подвижный зернистый материал, содержащий оксиды железа и встречно циркулирующий восстановительный газ в интервале температур 850-1000°С, состоящий из водорода и монооксида углерода, за счет превращения углеводородов окислителями, восстановление материала до железа, отвод из зоны восстановления отработанного восстановительного газа, смешивание отработанного газа с природным газом и с водой, выгрузку восстановленного железа из реактора при температуре более 500°С, брикетирование полученного материала и последующее охлаждение до 100°С, согласно изобретению нагрев и превращение углеводородов окислителями производят в объеме газогенератора путем воздействия на них плазменными струями, при этом формируют основной замкнутый, циркуляционный поток отходящих газов из верхней части реактора в нижнюю через газогенератор, отбирают часть основного потока из этого контура и подвергают его очистке, поднимают давление до необходимого для работы плазмотронов, в зоне конвертирования в газогенераторе, при этом отобранную часть основного потока отходящих газов пропускают через плазменные струи, нагревают до температуры 3000°С, смешивают с основным потоком и перед входом их в реактор впрыскивают в поток природный газ и воду, снижают температуру до 900-1000°С, а давление в реакторе регулируют путем управления расходом отходящих газов посредством, например клапана.

Нагрев и превращение углеводородов окислителями производят плазменными струями в объеме газогенератора, что дает возможность повысить степень использования тепла, кроме того, за счет появления в плазме активных радикалов, например СО^* и Н₂ ^*, увеличить скорость реакции восстановления.

Из замкнутого основного циркуляционного потока отходящих газов отбирают часть потока и через блок подготовки отходящих газов направляют на источники образования плазмы, а основной поток направляют в зону конвертирования. Приведенные отличительные признаки позволяют исключить выбросы вредных газов в атмосферу и одновременно использовать отходящие газы для работы плазменных генераторов.

Отобранную часть основного потока отходящих газов пропускают через плазменные струи, нагревают газы до температуры ˜3000°С, смешивают с основным потоком и до входа их в реактор, впрыскивают в поток природный газ и воду и снижают температуру до 900-1000°С. Нагретый и конвертированный на СО и H₂ плазмообразующийся газ продувает слой исходного материала и горючие газы внутри реактора поднимаются вверх. Так как технологическая система предусматривает повышение давления отходящих газов в газовых трактах, то давление в реакторе регулируют путем управления расходом отходящих газов, например клапаном.

Приведенные признаки обеспечивают смешение отходящего отработанного газа с природным газом и водой, и тем самым обеспечивают необходимый температурный режим в зоне восстановления, регулирование тепловой мощности и химического состава тепловых струй.

Вторая поставленная задача решается тем, что в устройстве для получения железа прямым восстановлением, содержащем реактор со слоем зернистого материала и зоной восстановления, контур, который включает газоотвод для восстановительного газа, выходящий из верхней части реактора, и соединенный с зоной восстановления реактора, устройство для охлаждения и очистки газа, насос для обеспечения циркуляции газа через указанный контур, нагреватель газа, средство для смешивания рециркулирующих газов, средство для регулирования расхода природного газа и воды, согласно изобретению устройство снабжено плазменным восстановительным газогенератором, установленным в контуре отходящего газа и подсоединенным к зоне восстановления реактора, а также блоком подготовки отходящих газов для плазмотронов, соединенного с контуром отходящего газа, при этом блок включает последовательно связанные газоотводом циклон очистки газов, рукавный фильтр, теплообменник и компрессор, выход которого подключен к плазмотронам, установленным в восстановительном газогенераторе, в котором между плазмотронами и стенкой реактора установлена форсунка для впрыска во внутреннюю полость газогенератора, например метана и воды, а в верхней части реактора у загрузочного конуса установлен клапан расхода отходящих газов, причем устройство содержит вспомогательный плазменный газогенератор, вход которого газоотводом связан с контуром отходящего газа, а плазмотроны - с выходом компрессора очищенного газа, а в полости газогенератора установлены разнесенные по его длине форсунки, одна из которых - для подачи природного газа и воды, а другая - для подачи воды, при этом полость газогенератора между форсунками связана газоотводом для транспортирования конвертированных газов - водорода и окиси углерода с температурой 500°С, а полость газогенератора, расположенная после форсунки для подачи воды, связана газоотводом, предназначенным для транспортирования конвертируемых газов, охлажденных до 100°С.

Установка плазменного восстановительного газогенератора в контуре отходящего газа, и установленного в стенке реактора в зоне восстановления, позволяет осуществлять смешивание отработанного (отходящего) газа с природным газом и водой и обеспечить необходимый температурный режим в объеме зоны восстановления, регулирование тепловой мощности, химического состава тепловой струи и контроль расхода природного газа.

Блок подготовки отходящих газов предназначен для обеспечения работы газогенератора в восстановительном режиме на базе отработанных газов.

Устройство также содержит вспомогательный плазменный генератор, вход которого газоотводом связан с контуром отходящего газа, а плазмотроны - с выходом компрессора очищенного отходящего газа, а в полости газогенератора установлены разнесенные по его длине форсунки, одна для подачи природного газа и воды, а вторая - для подачи воды, при этом полость газогенератора между форсунками связана газоотводом для транспортирования конвертированных газов - водорода и окиси углерода с температурой 500°С, которыми продувают выгружаемое из реактора железо перед его брикетированием, а полость газогенератора, расположенная после форсунки для воды, связана газоотводом, предназначенным для транспортирования отработанных конвертированных газов с температурой 100°С для охлаждения получаемого железа, после горячего брикетирования.

На чертеже представлена схема общего вида устройства для получения железа прямым восстановлением.

Вводят зернистый материал, содержащий оксиды железа, в верхнюю часть зоны восстановления реактора и пропускают через движущийся слой встречный горячий восстановительный газ, содержащий водород и монооксид углерода. Горячий газ через столб материала поднимается вверх и через внешний контур принудительно направляется в плазменный восстановительный газогенератор. Из внешнего контура отбирают часть основного потока отработанного газа, очищают его, поднимают давление и направляют в плазмотроны. В плазменном восстановительном газогенераторе отобранную часть основного потока отходящих газов пропускают через плазменные струи, нагревают до 3000°С, смешивают с основным потоком и, перед входом их в реактор впрыскивают в поток природный газ и воду, снижают температуру до 900-1000°С в соответствии с технологическими параметрами процесса. Конвертируемый в газогенераторе на СО и Н₂ плазмообразующий газ в виде восстановительных плазменных струй продувает зернистый материал в реакторе. Полученная газовая смесь внутри реактора, поднимаясь вверх, непрерывно проходит через слой материала. Материал прогревается и восстанавливается. Температура газовой смеси в верхней части реактора составляет 200-300°С. Металлизированное железорудное сырье выгружают из реактора при температуре свыше 500°С и перед брикетированием, железорудное сырье продувают конвертированными отработанными газами с температурой, соответствующей температуре выгруженного сырья. Затем материал подают на систему горячего брикетирования. Металлизированные брикеты охлаждают конвертированными отработанными газами с температурой 100°С.

Устройство включает в себя реактор, корпус 1 которого выполнен из листовой стали и футерован огнеупорным материалом 2. В верхней части реактора размещается система загрузки 3 оксидных материалов, которая включает конусный засыпной аппарат 4 с системой шлюзования. В нижней части реактора размещено наклонное дно и выпускное отверстие 5 с шиберным затвором 6. В придонной части реактора, в боковой стенке, перпендикулярно его вертикальной оси, установлен плазменный восстановительный газогенератор 7. Под засыпным аппаратом 4 реактора размещен трубопровод 8 отходящих газов, который соединен с восстановительным газогенератором 7. Трубопровод 8 снабжен насосом 9 для обеспечения циркуляции газа через контур и реактор. Восстановительный газогенератор 7 включает соосно расположенные плазмотроны 10, установленные перпендикулярно продольной оси газогенератора 7, а также форсунку 11 для впрыска во внутреннюю полость газогенератора метана и воды, размещенную между стенкой реактора и плазмотронами. Трубопровод 8 отходящих из реактора газов подключен к газогенератору 7 соосно продольной оси газогенератора.

Устройство включает также блок подготовки 12 отходящих газов для плазмотронов, который соединен с одной стороны с трубопроводом 8, а с другой - с плазмотронами 10. Блок подготовки 12 состоит из последовательно связанных между собой циклоном 13 очистки газов, рукавного фильтра 14, теплообменника 15 и компрессора 16. Внутри реактора находится столб железорудного сырья 17, а в верхней части реактора у засыпного аппарата 4 установлен клапан 18 расхода отходящих газов.

Устройство может быть оснащено системой 19 горячего брикетирования с плазменным вспомогательным газогенератором 20, вход которого газопроводом 21 связан с трубопроводом 8 отходящих газов, а плазмотроны 22 - с выходом компрессора 16 очищенных газов. В полости вспомогательного газогенератора 20 установлены разнесенные по его длине форсунки 23 и 24, одна из которых - для подачи метана и воды, а другая форсунка 24 - для воды. Полость газогенератора 20 в промежутке между форсунками соединена газоотводом 25 для транспортирования конвертированных газов - водорода и оксида углерода с температурой 500°С, а полость, расположенная после форсунки 24, связана газоотводом, предназначенным для транспортирования конвертируемых газов с температурой 100°С.

Плазмотроны восстановительного газогенератора 7 снабжены дополнительно трубопроводом 26 подачи сжатого воздуха и трубопроводом 27 - природного газа, необходимыми для запуска газогенератора в момент начала работы реактора. Устройство содержит средства 28 и 29 для регулирования расхода природного газа и воды.

Устройство работает следующим образом.

Перед запуском реактора загружают в его полость заданную массу исходного материала, содержащего оксиды железа. По трубопроводам 26 и 27 подают на плазмотроны 10 восстановительного генератора 7 сжатый воздух и плазмообразующий газ, запускают плазмотроны 10 и одновременно, через форсунку 11 впрыскивают во внутреннюю полость газогенератора 7 метан и воду с расходами, которые регулируют средствами 28 и 29, в соответствии с технологическими параметрами восстановления. Конвертируемый в газогенераторе на СО и H₂ плазмообразующий газ, в виде восстановительных плазменных струй, продувает зернистый материал с температурой на входе в реактор 850-1000°С. Материал прогревается и восстанавливается, горячий газ через столб материала 17 поднимается вверх и через внешний контур 8 попадает в газогенератор 7. Исходя из экспериментальных данных, удельный расход синтез-газа на единицу восстановленного исходного материала находится в пределах 150-350 кг/час на тонну материала. Контролируя расход газа и температуру нагрева материала, определяют продолжительность процесса его восстановления в реакторе. Открывают шибер 6, и металлизированное железорудное сырье после восстановления самопроизвольно разгружается, при этом из конусного засыпного аппарата 4 в реактор поступает новая порция материала. Сечением выходного отверстия шибера регулируют скорость истечения восстановленного материала. Слой исходного материала, который находился ниже зоны восстановления, до выхода реактора на режим, выпускают и возвращают в засыпной аппарат. После окончания периода запуска реактора и вывода его на режим, трубопровод 26 подачи сжатого воздуха отключают, уменьшают расход природного газа на трубопроводе 27, в связи с тем, что плазмотроны переключаются на работу очищенных отработанных, отделенных от основного контура 8 газов, с необходимым для работы плазмотронов давлением, создаваемым компрессором 16. В дальнейшем процесс восстановления и разгрузки материала протекает непрерывно, а загрузку в реактор исходного сырья производят циклически.

Для обеспечения процесса брикетирования восстановленного материала дополнительно устанавливают вспомогательный газогенератор 20, с помощью которого продувают восстановленный материал перед брикетированием восстановительными газами с температурой 500°С, а после брикетирования - охлажденным до 100°С восстановительным газом.

Возможность реализации заявленного способа проверена на опытном образце устройства для получения железа прямым восстановлением. Положительные результаты подтверждают возможность получения технического результата в границах представленной формулы изобретения и применения изобретений в промышленных условиях для переработки металлургического сырья.

1. Способ получения железа прямым восстановлением, включающий движение зернистого материала, содержащего оксиды железа, и встречно циркулирующего восстановительного газа в интервале температур 850-1000°С, состоящего из водорода и монооксида углерода, и полученного за счет нагрева и превращения углеводородов с помощью окислителей, восстановление материала до железа, отвод из зоны восстановления отработанного восстановительного газа, смешивание отработанного газа с природным газом и водой, выгрузку восстановленного железа из реактора при температуре более 500°С, брикетирование полученного материала и последующее охлаждение до 100°С, отличающийся тем, что нагрев и превращение углеводородов с помощью окислителей производят в объеме газогенератора путем воздействия на них плазменными струями, при этом формируют основной замкнутый циркуляционный поток отработанных отходящих газов из верхней части реактора в нижнюю через газогенератор, отбирают часть основного потока из этого контура, очищают его, поднимают давление до необходимого для работы плазмотронов в зоне конвертирования в газогенераторе, причем отобранную часть основного потока отходящих газов пропускают через плазменные струи и нагревают до температуры ˜3000°С, смешивают с основным потоком и перед входом их в реактор впрыскивают в поток природный газ и воду и снижают температуру до 900-1000°С, а давление в реакторе регулируют путем управления расходом отходящих газов посредством, например, клапана.

2. Устройство для получения железа прямым восстановлением, содержащее реактор со слоем зернистого материала и зоной восстановления, контур отходящего газа, включающий газоотвод, выходящий из верхней части реактора и соединенный с зоной восстановления реактора, устройство для охлаждения и очистки газа, насос для обеспечения циркуляции газа через указанный контур, нагреватель газа, средство для смешивания рециркулирующих газов, средство для регулирования расхода природного газа и воды, отличающееся тем, что оно снабжено плазменным восстановительным газогенератором с плазмотронами, установленным в контуре отходящего газа и подсоединенным к зоне восстановления реактора, а также блоком подготовки отходящих газов для плазмотронов, соединенным с контуром отходящего газа, при этом упомянутый блок включает последовательно связанные газоотводом циклон очистки газов, рукавный фильтр, теплообменник и компрессор, выход которого подключен к плазмотронам, установленным в восстановительном газогенераторе, в котором между плазмотронами и стенкой реактора установлена форсунка для впрыска во внутреннюю полость газогенератора, например, природного газа и воды, а в верхней части реактора в районе загрузочного конуса установлен клапан расхода отходящих газов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит вспомогательный плазменный газогенератор, вход которого газоотводом связан с контуром отходящего газа, а плазмотроны - с выходом компрессора очищенного газа, а в полости газогенератора установлены разнесенные по его длине форсунки, одна из которых - для подачи природного газа и воды, а вторая - для подачи воды, при этом полость газогенератора между форсунками связана газоотводом для транспортирования конвертированных газов - водорода и окиси углерода с температурой 500°С, а полость газогенератора, расположенная после форсунки для воды, соединена газоотводом конвертируемого газа, охлажденного до 100°С.