Способ прямого восстановления в псевдоожиженном слое
Группа изобретений относится к прямому восстановлению содержащих оксидное железо частиц в продукт восстановления в псевдоожиженном слое, через который противотоком проходит содержащий 30-100 мол.% водорода H2 восстановительный газ. Согласно способу осуществляют прямое восстановление содержащих оксидное железо частиц (2) в продукт восстановления (9) в псевдоожиженном слое (4), через который противотоком проходит содержащий 30-100 мол.% водорода H2 восстановительный газ (8). По меньшей мере 90 мас.% поданных в псевдоожиженный слой (4) содержащих оксидное железо частиц (2) имеют крупность, меньшую или равную 200 микрометрам. Фиктивную скорость U проходящего через псевдоожиженный слой (4) восстановительного газа (9) устанавливают между 0,05 м/с и 1 м/с так, что она для крупности d, равной d30 подаваемых в псевдоожиженный слой (4) содержащих оксидное железо частиц (2), превышает теоретическую скорость перевода во взвешенное состояние Ut и меньше или равна Umax. Изобретение обеспечивает возможность восстанавливать содержащие железо частицы без предшествующей агломерации, снизить строительные и эксплуатационные издержки на установку для осуществления способа. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу прямого восстановления содержащих оксидное железо частиц в продукт восстановления в псевдоожиженном слое, через который противотоком проходит содержащий 30-100 мол.% водорода H2 восстановительный газ.
Уровень техники
Известны различные способы прямого восстановления содержащих оксидное железо частиц, например железной руды, в кипящем слое, также называемом псевдоожиженным слоем, через который проходит восстановительный газ. В коммерческих целях до настоящего времени применяли, например, FIOR, FINMET, FINEX, CIRCORED.
В рамках данной заявки термин «железная руда» относится как к руде, которую после добычи в руднике сразу подают на восстановление, так и к руде, которую подают на восстановление только после стадий подготовки или других видов предварительной обработки, осуществляемых после добычи. В любом случае в них содержится окисленное железо.
В способах с кипящим слоем, применяемых для восстановления железной руды, восстановительный газ проходит через частицы твердого вещества, то есть через содержащие оксидное железо частицы, например, через железную руду в виде сыпучего материала - против направления действия силы тяжести. Благодаря этому частицы твердого вещества переходят в псевдоожиженное состояние, т.е. во взвешенное состояние, и практически приобретают свойство текучести жидкости, что называют также псевдоожижением. Псевдоожижение также используют для транспортировки твердых веществ, например, в случае воздухоподающих каналов с движением твердого вещества и газа противотоком.
Состояние кипящего слоя в зависимости от степени псевдоожижения можно подразделить на различные стадии, например, на минимальное/устойчивое/пузырьковое/турбулентное. Исходным является состояние неподвижного или стационарного слоя, в котором восстановительный газ проходит через сыпучий материал, не вызывая псевдоожижения. С увеличением скорости газа начинается псевдоожижение в состоянии минимального псевдоожижения и затем при дальнейшем увеличении скорости газа происходит переход в состояние устойчивого псевдоожижения. Псевдоожижение на стадии, предшествующей кипящему слою, зависит от скорости, плотности и вязкости газа, а также от массы и плотности частиц, формы, объема частиц и гранулометрического состава используемых твердых частиц. Термин «псевдоожиженный слой» является тождественным термину «кипящий слой», и оба термина применяют в данной заявке равнозначно. В точке псевдоожижения происходит переход от неподвижного слоя к псевдоожиженному слою.
В принципе, в кипящем слое вследствие наличия больших поверхностей взаимодействия между твердым веществом и газом достигаются сравнительно большие коэффициенты массо- и теплообмена. Соответственно, при реакции восстановления достигаются высокие значения удельной степени конверсии.
Технически и экономически достигаемая степень металлизации продуктов восстановления зависит от многих факторов.
Для восстановления оксида железа до металлического железа необходимо получить по меньшей мере стехиометрически необходимое для реакции восстановления количество восстановительного газа. Фактически пропускаемый через твердое вещество объем восстановительного газа определяется термодинамическим равновесием между различными степенями окисления руды и восстановительным газом. На это равновесие может влиять температура.
В режиме эксплуатации при повышенном давлении массовый поток восстановительного газа может быть увеличен, однако при этом недостатками являются более высокие требования к конструкции и к технике безопасности агрегата восстановления.
При высоких температурах также проявляется недостаток, выражающийся в склонности частиц твердого вещества к агломерации, называемой также слипанием, что неблагоприятно влияет на режим кипящего слоя, например, прекращая псевдоожижение.
В режиме эксплуатации с повышенной скоростью газа массовый поток восстановительного газа может быть увеличен.
В рамках данной заявки термин «скорость газа» означает фиктивную скорость в пересчете на полное сечение.
В случае некоторых сыпучих материалов, состоящих из частиц твердого вещества, максимальная практически приемлемая скорость газа - и тем самым максимальное приходящееся на единицу площади за единицу времени количество газа, пропускаемое через кипящий слой - следует из такой скорости газа, при которой из кипящего слоя во время технологического процесса уносится пренебрежимо малая доля частиц твердого вещества.
Состояние, когда скорость газа соответствует скорости осаждения частиц твердого вещества, называется точкой уноса. Скорость восстановительного газа в точке уноса равняется скорости осаждения частиц твердого вещества и принимается за скорость перевода во взвешенное состояние. При дальнейшем повышении скорости газа частицы твердого вещества увлекаются газом и уносятся из кипящего слоя против направления действия силы тяжести. Унесенные из кипящего слоя частицы твердого вещества больше не вступают во взаимодействие в кипящем слое, вследствие чего эффективность основанного на кипящем слое способа восстановления снижается.
Чем меньше крупность частиц твердого вещества, тем меньше скорость перевода во взвешенное состояние. Из малой скорости газа следует необходимость большой площади реактора для обеспечения заданной производительности в случае малой крупности частиц. Однако увеличение площади реактора имеет недостатки, такие как высокие затраты на изготовление, высокие производственные расходы, более высокая подверженность сбоям в работе. Применению больших площадей реакторов в случае применяемых в настоящее время технологий, например, в связи с затратными мероприятиями по технике безопасности и эксплуатации, противодействует, например, значительное повышение давления, режим с турбулентным кипящим слоем, включая рециркуляцию уносимого твердого вещества.
Поэтому при переработке содержащих оксидное железо частиц с большой долей частиц малой крупности проявляются проблемы мало изменяемой скорости газа, связанные тем самым с потребностью в реакторах больших площадей.
В качестве меры по повышению скорости уноса малые частицы твердого вещества часто агломерируют до их подачи на восстановление в кипящем слое.
Краткое описание изобретения
Техническая задача
Задача настоящего изобретения состоит в разработке способа и устройства, которые при сравнительно мягких в отношении техники безопасности требованиях и малых строительных и производственных затратах позволяют использовать содержащие оксидное железо частицы, из которых по меньшей мере 90 массовых % имеют крупность, меньшую или равную 200 микрометрам, для прямого восстановления в псевдоожиженном слое без предшествующей стадии агломерации.
Техническое решение
Эта задача решается способом прямого восстановления содержащих оксидное железо частиц в продукт восстановления в псевдоожиженном слое, через который противотоком проходит содержащий 30-100 мол.% водорода H2 восстановительный газ, отличающимся тем, что подаваемые в псевдоожиженный слой содержащие оксидное железо частицы на по меньшей мере 90 массовых % имеют крупность, меньшую или равную 200 микрометрам, а фиктивную скорость U проходящего через псевдоожиженный слой восстановительного газа устанавливают между 0,05 м/с и 1 м/с так, чтобы она для крупности d, равной d30 подаваемых в псевдоожиженный слой содержащих оксидное железо частиц, превышает теоретическую скорость перевода во взвешенное состояние Ut и меньше или равна Umax.
Значение d30 в отношении крупности частиц, называемой в этой заявке также размером подаваемых содержащих оксидное железо частиц, указывает на то, что 30 массовых % содержащих оксидное железо частиц имеют крупность, меньшую или равную d30, а 70 массовых % частиц – большую крупность.
Теоретически предсказываемое значение Ut для крупности d получается из формулы:
а Umax получается по эмпирически найденной зависимости между крупностью частиц и скоростью перевода во взвешенное состояние частиц крупностью d, равной d30:
Umax = (40000*d)2,78,
где
Ut – теоретическая скорость перевода во взвешенное состояние, м/с;
Umax – максимальная фиктивная скорость для d=d30, м/с;
ρp – плотность частиц, кг/м3;
ρg – плотность восстановительного газа, кг/м3, в рабочем режиме;
d – крупность частиц, м;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
µ – динамическую вязкость, кг/(м·с);
cw – коэффициент сопротивления;
Re – число Рейнольдса.
Теория, соответствующая принятым научным представлениям, согласно указанной ранее зависимости для Ut позволила бы ожидать, что при задании фиктивной скорости U, превышающей теоретическую, в случае крупности d30 подаваемых в псевдоожиженный слой содержащих оксидное железо частиц, при действительной скорости перевода во взвешенное состояние Ut унос составит больше 30 массовых %.
Неожиданно в случае подаваемых в псевдоожиженный слой содержащих оксидное железо частиц, из которых по меньшей мере 90 массовых % имеют крупность, меньшую или равную 200 микрометрам, было выявлено, что в варианте осуществления способа по изобретению унос составляет меньше, хотя Ut для крупности частиц d, равной d30, оказывается превышенной до тех пор, пока фиктивная скорость U меньше или равна Umax для d, равной d30. Соответственно, можно при заданном максимально приемлемом уносе работать с более высокой скоростью газа, чем ожидаемая из теории. Фиктивную скорость U предпочтительно устанавливают так, чтобы унос составлял максимально 30 массовых %, то есть Umax для d=d30, более предпочтительно – максимально 25 массовых %, особенно предпочтительно – максимально 20 массовых %, а наиболее предпочтительно – максимально 15 массовых %.
Восстановительный газ согласно изобретению проходит через кипящий слой со скоростью более 0,05 м/с, предпочтительно более 0,1 м/с. С выбранными по изобретению параметрами содержащие оксидное железо частицы в образовавшемся псевдоожиженном слое, через который противотоком пропускают восстановительный газ, показывают другое поведение, отличающееся от предсказываемого согласно принятым научным представлениям, соответственно указанной ранее зависимости для Ut. При скорости меньше 0,05 м/с поддержание псевдоожиженного слоя сопряжено с трудностями регулирования, и соотношение затрат на осуществление способа и достигаемой производительности является мало приемлемым. Превышение фактически выбранной скорости над значением 0,05 м/с, а предпочтительно над значением 0,1 м/с, зависит от допускаемой условиями эксплуатации степени уноса из псевдоожиженного слоя. С одной стороны, более высокая скорость является желательной, так как вследствие этого необходимая для обеспечения требуемой производительности площадь реактора может быть меньше. С другой стороны, унос при возрастающей скорости увеличивается, а унос частиц из кипящего слоя уменьшает возможную производительность. Поэтому верхняя граница фиктивной скорости составляет 1 м/с.
Более предпочтительно осуществление способа в диапазоне скоростей от 0,05 м/с до 0,5 м/с, так как при этом производительность и степень уноса находятся в благоприятном соотношении.
Согласно изобретению псевдоожиженный слой применяют в состоянии псевдоожижения в области минимума; при этом не применяют циркулирующий кипящий слой.
Унесенное количество относят к промежутку времени от момента подачи содержащих оксидное железо частиц в псевдоожиженный слой до вывода образовавшегося из них продукта реакции, то есть на время пребывания частиц в псевдоожиженном слое.
Относительно общих обстоятельств восстановления в каком-либо кипящем слое или в каком-либо псевдоожиженном слое вводная часть заявки отсылает к предшествующему уровню техники. "Какой-либо" следует понимать в смысле неопределенности в выражении "в каком-либо псевдоожиженном слое".
Содержащие оксидное железо частицы могут представлять собой железную руду или же другой соответствующий мелкозернистый материал, содержащий оксиды железа, например колошниковую пыль, агломерированную пыль, пеллетированную пыль или другие отходы металлургического или сталелитейного завода; они также могут быть их смесью. Под термином "железная руда" по изобретению следует понимать как руду, подаваемую сразу после добычи в руднике на восстановление, так и руду, которую подают на восстановление только после стадий подготовки, например после флотации, или после других видов предварительной обработки, осуществляемых после добычи. В любом случае в них содержится окисленное железо.
Диапазон крупности частиц и гранулометрический состав обеспечивается в процессе крупномасштабного промышленного производства исходного материала. Эти характеристики определяют ситовым анализом. Материал содержащих оксидное железо частиц, из которых по меньшей мере 90 массовых % имеют крупность, меньшую или равную 200 микрометрам, и, как правило, с более чем 50 массовыми % меньше 50 микрометров, представляет собой, например, пеллеты. Для анализа приемлемым является способ согласно ISO 13320 по состоянию на март 2019 г.
Восстановительный газ может состоять из водорода H2 или представлять собой смесь водорода с одним или несколькими другими газами. Например, можно применять технически чистый водород. Таким образом, восстановитель может представлять собой по меньшей мере водород H2. Другие газы могут сами также оказывать восстанавливающее действие на содержащие оксидное железо частицы, то есть дополнительно к водороду H2 являются другими восстановителями. Другим газом может быть, например, монооксид углерода CO. Водород может быть получен, например, электролизом, предпочтительно за счет экологически чистой энергии или поступать от риформинга природного газа.
Кинетика восстановления водородом H2 оксидов железа принципиально, и особенно при более низких температурах, является более благоприятной, чем в случае других газов, например, по сравнению с монооксидом углерода CO. Поэтому восстановительный газ по изобретению должен содержать по меньшей мере 30 мол.% водорода H2 для того, чтобы обеспечивать экономически приемлемую кинетику восстановления в предпочтительном по изобретению температурном интервале вследствие опасности слипания. По сравнению с восстановительным газом с более низким содержанием водорода вследствие этого для достижения определенной степени металлизации следует применять меньше свежего восстановительного газа. По сравнению с восстановительным газом с более низким содержанием водорода вследствие этого в случае необходимости выходящий из псевдоожиженного слоя отработавший восстановительный газ следует рециркулировать после обработки с целью использования содержащегося в нем непрореагировавшего восстановителя.
Восстановительный газ подают через псевдоожиженный слой снизу вверх, против направления действия силы тяжести. По изобретению способ осуществляют в противотоке. Движение частиц - содержащих оксидное железо частиц, промежуточного продукта, продукта восстановления - в псевдоожиженном слое осуществляют так, чтобы возникал противоток восстановительного газа и частиц. В ходе процесса содержащие оксидное железо частицы подают в псевдоожиженный слой, а из псевдоожиженного слоя выводят продукт восстановления. Движение от места подачи к месту вывода в противотоке по отношению к восстановительному газу, протекающему против направления действия силы тяжести, происходит по существу по горизонтали.
В случае псевдоожиженного слоя в противотоке - реализуемом, например, в канале с псевдоожиженным слоем - осуществляют прямое восстановление - предпочтительно почти в горизонтальном положении - по длине псевдоожиженного слоя от места подачи до места вывода. Таким образом, по длине псевдоожиженного слоя изменяется качество содержащихся оксидов железа - например, количественные соотношения оксидов железа магнетита, гематита или вюстита или пористость частиц. Обратное перемешивание, как это может происходить в случае кипящего слоя вплоть до наступления гомогенности во всех местах, является нежелательным, так как вследствие этого, например, материал с малой степенью восстановления мог бы попадать от места подачи к месту вывода или время пребывания частиц было бы нестабильным.
Продукт восстановления - например, губчатое железо DRI со степенью металлизации свыше 90% - имеет более высокую степень металлизации, чем содержащие оксидное железо частицы. Степень металлизации определяют как соотношение массовых долей содержащегося металлического железа к содержащемуся общему железу в продукте восстановления:
степень металлизации=массовая доля (металлического Fe)/массовая доля (общего Fe).
В зависимости от варианта осуществления способа степень металлизации продукта восстановления может быть различной. В зависимости от назначения (целевого применения) продукта восстановления может требоваться более высокая или более низкая степень металлизации - например, она при использовании способа по изобретению для предварительного восстановления для дальнейшего конечного восстановления может быть также меньше степени металлизации губчатого железа DRI, например порядка 60%.
Длительность нахождения частиц в псевдоожиженном слое до превращения в требуемый продукт восстановления, называемая временем пребывания частиц, зависит от кинетики протекающей реакции восстановления. Она, в свою очередь, зависит от множества факторов, таких как состав восстановительного газа, скорость восстановительного газа, вид содержащих оксидное железо частиц - например, в зависимости от того, восстанавливают ли магнетит, гематит или вюстит, - пористость восстанавливаемых частиц. Время пребывания частиц соответствует времени, которое необходимо частицам для перемещения от места подачи к месту вывода, при этом частицы подают в виде содержащих оксидное железо частиц, а выводят в виде частиц продукта восстановления. Значение времени пребывания частиц зависит, например, от расстояния между местом подачи и местом вывода и от высоты псевдоожиженного слоя. При осуществлении способа по изобретению в противотоке, который реализуют, например, по существу в горизонтальном псевдоожиженном слое, при предпочтительно непрерывной подаче содержащих оксидное железо частиц и при предпочтительно непрерывном выводе продукта восстановления, время пребывания частиц удается просто регулировать высотой слоя, задаваемой, например, переливными порогами. При этом время пребывания частиц удается также регулировать выбором расстояния между местом подачи и местом вывода. По существу горизонтальным положением является отклонение от горизонтали до 10°, предпочтительно - отклонение до 5°, а более предпочтительно - отклонение до 2°. При слишком большом отклонении от горизонтали высота слоя в псевдоожиженном слое по длине размещения псевдоожиженного слоя от места подачи к месту вывода становится неодинаковой, что оказывает отрицательное влияние на регулируемость времени пребывания частиц.
Продолжительность времени пребывания газа относится к восстановительному газу в псевдоожиженном слое. Если время пребывания газа является слишком малым для установления приблизительного равновесия реакции восстановления, то из псевдоожиженного слоя уходит относительно много непрореагировавшего восстановителя. На долю непрореагировавшего восстановителя в выходящем из псевдоожиженного слоя газе, называемом отработавшим восстановительным газом, можно влиять высотой слоя. Осуществление способа в противотоке делает простым согласование требований в отношении времени пребывания частиц и времени пребывания газа.
Положительные эффекты изобретения
Способом по изобретению можно экономически рационально восстанавливать содержащие железо частицы без предшествующей агломерации. По сравнению с известными способами можно также снизить строительные и эксплуатационные издержки на установку для осуществления способа, так как по меньшей мере температура, а в случае необходимости также и давление, является относительно низкой (низким). Из этого следует также, что в отношении техники безопасности потребуется меньше затрат.
Повышение давления проявляется в повышенном массовом потоке восстановительного газа как возможное увеличение производительности при одной и той же площади реактора или возможное уменьшение площади реактора при одной и той же производительности. При этом при предполагаемом высоком давлении могут предъявляться более высокие требования к конструкции и к технике безопасности агрегата восстановления.
Способ по изобретению предпочтительно осуществляют при температуре, находящихся между граничными значениями 773 K и 1173 K, причем с включением этих граничных значений. Тем самым уменьшается опасность слипания частиц в псевдоожиженном слое в нежелательной мере, что при более высоких температурах создало бы проблемы. Ниже 773 K восстановление по термодинамическим и кинетическим причинам не происходит в той степени, которая была бы удовлетворительной для экономически приемлемого осуществления способа.
Например, содержащие оксидное железо частицы предварительно нагревают и с температурой до 1173 K вводят в псевдоожиженный слой, а восстановительный газ подают в псевдоожиженный слой с температурой до 1023 K. Восстановление водородом H2 протекает эндотермически, так что продукт восстановления получается с более низкой температурой, например около 853 K.
Вместо предварительного нагрева вне псевдоожиженного слоя или дополнительно к нему можно было бы также устанавливать соотношение экзотермически реагирующих восстанавливающих компонентов, таких как, например, монооксид углерода CO, и эндотермически реагирующих восстанавливающих компонентов, таких как, например, водород H2, в восстановительном газе так, чтобы подводить к псевдоожиженному слою in situ тепло в требуемом количестве.
Способ по изобретению предпочтительно осуществляют при небольшом избыточном давлении относительно окружающей среды. При небольшом избыточном давлении, с одной стороны, в зависимости от конструкции аппарата и требований в отношении техники безопасности еще не требуется производить дополнительные затраты по сравнению с осуществлением способа без избыточного давления, а, с другой стороны, снижается опасность проникновения окружающего воздуха в реакторы. Избыточное давление предпочтительно составляет до 200000 Паскаль, причем с включением этого значения.
Согласно предпочтительному варианту значение d30 подаваемых в псевдоожиженный слой содержащих оксидное железо частиц меньше или равно 110 микрометрам. В этой диапазоне можно особенно легко работать с псевдоожиженным слоем, так как унос тонкодисперсных содержащих оксидное железо частиц не очень высок, а псевдоожижение слоя не затрудняется большой крупностью частиц.
Согласно предпочтительному варианту способ по изобретению осуществляют так, что подаваемые в псевдоожиженный слой содержащие оксидное железо частицы на по меньшей мере 50 массовых % находятся в интервале между 15 микрометрами и 100 микрометрами, причем с включением граничных значений.
В этом диапазоне можно особенно легко работать с псевдоожиженным слоем, так как унос тонкодисперсных содержащих оксидное железо частиц не очень высок, а псевдоожижение слоя не затрудняется большой крупностью частиц.
Согласно другому предпочтительному варианту способ по изобретению осуществляют так, что подаваемые в псевдоожиженный слой содержащие оксидное железо частицы на по меньшей мере 50 массовых % имеют крупность, большую или равную 15 микрометрам. В этом диапазоне можно особенно легко работать с псевдоожиженным слоем, так как унос тонкодисперсных содержащих оксидное железо частиц не очень высок.
Чем мельче содержащие оксидное железо частицы, тем больше становятся необходимые вследствие повышенного уноса пыли затраты на обеспыливание отработавшего восстановительного газа. Кроме того, псевдоожиженный слой может сам по себе становиться менее стабильным и более трудно регулируемым с уменьшением крупности содержащих железо частиц. Предпочтительно, содержащие оксидное железо частицы с долей максимум 30 массовых % обладают крупностью меньше 10 микрометров. По меньшей мере до этой дисперсности содержащих оксидное железо частиц обеспечивается хорошее регулирование технологического процесса.
Псевдоожиженный слой может также иметь разные зоны с разными высотами слоя. Как правило, в случае содержащих оксидное железо частиц, вследствие наличия железа с различными степенями окисления восстановление происходит в несколько стадий через промежуточные продукты - например, магнетит через гематит в вюстит. Оптимальные значения времени пребывания частиц и времени пребывания газа для разных стадий и промежуточных продуктов отличаются по морфологическим, термодинамическим и кинетическим причинам. Разные промежуточные продукты в случае варианта осуществления способа по изобретению в противотоке содержатся в разных зонах псевдоожиженного слоя с разной концентрацией. При этом под зонами псевдоожиженного слоя имеются в виду области вдоль направления от места подачи к месту вывода. Поэтому предпочтительным является вариант, при котором возможно установление разных высот слоя в разных зонах псевдоожиженного слоя. Таким образом, время пребывания частиц и время пребывания газа для разных зон можно надлежащим образом адаптировать регулированием высоты слоя. Например, псевдоожиженный слой можно ограничивать переливными порогами или разными секционированными зонами реакторного пространства.
Высота слоя в псевдоожиженном слое предпочтительно составляет 0,1-0,5 м, более предпочтительно 0,3-0,4 м. Тем самым в случае варианта осуществления способа по изобретению при восстановлении содержащих оксидное железо частиц могут быть достигнуты достаточные значения времени пребывания газа и времени пребывания частиц. Доля непрореагировавшего восстановителя в отработавшем восстановительном газе находится в экономически приемлемых пределах, когда высота псевдоожиженного слоя находится между 0,1-0,5 метра, причем с включением в интервал значений 0,1 и 0,5.
Время пребывания восстановительного газа в псевдоожиженном слое предпочтительно составляет от 0,1 секунды до 10 секунд, более предпочтительно 1-2 с. Когда восстановительный газ находится в псевдоожиженном слое между 1 и 2 секундами, причем с включением значений 1 и 2 в интервал, отщепление кислорода может уже приблизиться к равновесию, а доля непрореагировавшего восстановителя в отработавшем восстановительном газе находится при этом в экономически особенно приемлемых пределах.
Цель состоит именно в том, чтобы при прохождении псевдоожиженного слоя израсходовать как можно больше восстановителя. Чем меньше расходуется восстановителя, тем больше для данного количества содержащих оксидное железо частиц в псевдоожиженном слое должно быть подано восстановительного газа и тем больше будут затраты на рециркуляцию непрореагировавшего восстановителя.
При реализации способа по изобретению касательно высоты слоя и/или времени пребывания газа также неожиданно было обнаружено, что повышенное давление восстановительного газа вызывает незначительное увеличение конверсии веществ и может вести к увеличению доли непрореагировавшего восстановителя в отработавшем восстановительном газе. В случае атмосферного давления или небольшого избыточного давления можно соответственно работать с преимуществом в отношении ресурсосбережения и техники безопасности без отказа от существенного повышения конверсии веществ.
Выходящий из псевдоожиженного слоя отработавший восстановительный газ после обработки предпочтительно рециркулируют в качестве компонента восстановительного газа в псевдоожиженный слой. Это делает способ более экономичным. Водород как компонент восстановительного газа делает рециркуляцию при восстановлении содержащих оксидное железо частиц очень простой, так как в связи с этим наряду с необходимостью отделения пыли необходимо осуществлять отделение только воды H2O как продукта реакции.
Согласно предпочтительному варианту осуществления в псевдоожиженный слой по всей протяженности подают одинаковый восстановительный газ; это в равной степени относится к составу или к температуре, или к давлению, или к двум или всем трем этим параметрам. Это делает контроль технологического процесса простым и уменьшает затраты на оборудование.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления в разные зоны псевдоожиженного слоя подают разные восстановительные газы - например, смеси нескольких компонентов в разных соотношениях, то есть восстановительный газ имеет в каждом случае разный состав; речь может идти также о восстановительном газе с разной температурой или о восстановительном газе с разным давлением, или о восстановительных газах, которые различаются по двум или всем трем указанным параметрам. Также возможно, чтобы псевдоожиженный слой имел разные зоны. Таким образом, можно осуществлять реагирование с разными реакционноспособными восстановительными газами, чтобы в разных зонах находились разные реакционноспособные промежуточные продукты.
Устройство для осуществления способа по изобретению может быть выполнено согласно описанному далее. Оно содержит реактор с псевдоожиженным слоем, пригодный для подачи частиц и восстановительного газа в противотоке куда-либо в реакторное пространство с распределительной тарелкой для образования псевдоожиженного слоя. Реакторное пространство имеет по меньшей мере одно отверстие для подачи содержащих оксидное железо частиц и по меньшей мере одно отверстие для вывода продукта реакции из реакторного пространства. Устройство также содержит по меньшей мере один трубопровод подачи восстановительного газа для подачи восстановительного газа к распределительной тарелке и по меньшей мере один трубопровод отвода восстановительного газа для отвода отработавшего восстановительного газа из реакторного пространства.
"Куда-либо" следует понимать в смысле неопределенности в выражении "куда-либо в реакторное пространство".
Реакторное пространство может быть разделено на несколько зон вдоль направления от отверстия для подачи к отверстию для вывода. Это может быть, например, осуществлено предпочтительно перемещаемыми переливными порогами, которые блокируют радиальное перемешивание частиц - от отверстия для подачи к отверстию для вывода - из соседних зон, а также позволять целенаправленно регулировать зоны с разными высотами слоя. Это может быть реализовано так, что реактор с псевдоожиженным слоем содержит несколько частичных реакторов, при этом пространства частичных реакторов образуют отдельные зоны. В сумме частичные реакторы образуют реактор с псевдоожиженным слоем, а пространства частичных реакторов образуют пространство реактора с псевдоожиженным слоем. Пространства частичных реакторов также могут быть разделены на несколько зон.
Согласно одному варианту осуществления отдельные зоны могут иметь разные размеры по горизонтали и/или по вертикали, так что псевдоожиженный слой может иметь разную ширину или разную максимальную высоту слоя; таким образом, при одной и той же производительности могут быть реализованы разные высоты слоя в разных зонах.
Согласно одному варианту реактор с псевдоожиженным слоем - а в случае необходимости частичные реакторы – содержит(ат) несколько одинаковых модулей. Это обеспечивает сооружение приемлемой по цене установки с предварительно изготовленными модулями, а также простую адаптацию к разным требованиям по производительности.
Предпочтительно, реактор с псевдоожиженным слоем содержит несколько частичных реакторов. Они могут быть расположены последовательно и/или параллельно. Они предпочтительно связаны друг с другом через передаточные устройства. Например, при работе частицы из какого-либо частичного реактора в направлении от отверстия для подачи к отверстию для вывода вдоль реактора с псевдоожиженным слоем передаются передаточными устройствами в соседний частичный реактор. Передаточные устройства являются пригодными для передачи частиц, причем без поступления воздуха в частичные реакторы или утечки газа.
Предпочтительно, несколько частичных реакторов размещены друг над другом. Это уменьшает потребность в площади размещения устройства для осуществления способа по изобретению. Частицы под действием силы тяжести двигаются из расположенного вверху отверстия для подачи к расположенному внизу отверстию для вывода.
Распределительная тарелка реактора с псевдоожиженным слоем расположена по существу горизонтально. При этом отклонение от горизонтали составляет до 10°, предпочтительно отклонение до 5°, более предпочтительно отклонение до 2°. При слишком большом отклонении от горизонтали высота слоя в псевдоожиженном слое по длине размещения псевдоожиженного слоя от места подачи к месту вывода становится неодинаковой, что оказывает отрицательное влияние на регулируемость времени пребывания частиц.
Предпочтительно, распределительная тарелка реактора с псевдоожиженным слоем или по меньшей мере одного частичного реактора размещена наклонно от отверстия для подачи к отверстию для вывода вниз по потоку. Такое размещение упрощает течение частиц противотоком, что известно, например, в случае воздухоподающих каналов.
Согласно одному из вариантов каждая зона содержит отдельный трубопровод подачи восстановительного газа. Согласно одному из вариантов в каждый частичный реактор входит отдельный трубопровод подачи восстановительного газа. Все эти трубопроводы подачи восстановительного газа предпочтительно выходят из центрального трубопровода. Из центрального трубопровода восстановительный газ поступает в трубопроводы подачи восстановительного газа. Подаваемый через центральный трубопровод восстановительный газ может представлять собой, например, свежий восстановительный газ, то есть восстановительный газ, который не проходил через кипящий слой, или смесь из свежего восстановительного газа и рециркулированного восстановительного газа, то есть восстановительного газа, полученного на установке обработки отработавшего восстановительного газа.
Согласно одному из вариантов каждая зона содержит отдельный трубопровод отвода восстановительного газа. Согласно одному из вариантов из каждого частичного реактора идет отдельный трубопровод отвода восстановительного газа. Все трубопроводы отвода восстановительного газа предпочтительно входят в отводящий коллектор, который идет к установке обработки газа. На установке обработки газа отработавший восстановительный газ, например, обеспыливают и сушат. Объединение всех потоков отработавшего восстановительного газа, выходящих из пространства реактора или его зон и/или частичных реакторов, с целью централизованной обработки облегчает их рециркуляцию в технологический процесс восстановления.
Другим объектом настоящего изобретения является устройство обработки сигналов с машиночитаемым программным кодом, отличающееся тем, что оно содержит управляющие команды для осуществления способа по изобретению. В случае другого объекта речь идет об устройстве обработки сигналов для осуществления способа по любому из пунктов 1-12 формулы изобретения.
Другим объектом настоящего изобретения является машиночитаемый программный код для устройства обработки сигналов, отличающийся тем, что программный код содержит управляющие команды, которые выдает устройство обработки сигналов для осуществления способа по изобретению. В случае другого объекта речь идет о компьютерной программе, содержащей команды для устройства обработки сигналов, которые при выполнении программы она выдает на устройство обработки сигналов, чтобы осуществлять способ по любому из пунктов 1-12 формулы изобретения.
Другим объектом настоящего изобретения является носитель информации с записанным на него машиночитаемым программным кодом по изобретению. В случае другого объекта речь идет о носителе информации с записанной на него компьютерной программой для осуществления способа по любому из пунктов 1-12 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение описывается далее в качестве примера с помощью нескольких схематических фигур.
На фиг. 1 показана реализация способа по изобретению в схематически изображенном пространстве реактора в разрезе.
На фиг. 2 схематически показано расположение нескольких частичных реакторов.
На фиг. 3 показана теоретическая зависимость согласно принятым научным представлениям и найденная авторами зависимость между фиктивной скоростью U и крупностью частиц d.
Описание вариантов осуществления
Примеры
На фиг. 1 схематически показана реализация варианта осуществления способа по изобретению. Способ осуществляют в устройстве 1. Содержащие оксидное железо частицы 2, которые на по меньшей мере 90 массовых % имеют крупность, меньшую или равную 200 мкм, подают к месту подачи A через отверстие 3 для подачи в непрерывном режиме в псевдоожиженный слой 4 в реакторном пространстве 5 реактора 6 с псевдоожиженным слоем, что показано стрелками. Согласно одному из вариантов до 30 массовых % содержащих оксидное железо частиц могут быть меньше 15 мкм. Псевдоожиженный слой 4 в реакторном пространстве 5 образуется благодаря тому, что частицы против действия силы тяжести поднимаются поступающим снизу через распределительную тарелку 7 восстановительным газом 8, показанным незатушеванными фигурными стрелками. В представленном примере везде подают одинаковый восстановительный газ 8. Распределительная тарелка 7 обозначена проемами в нижней части реакторного пространства 5; для лучшей наглядности не каждый из проемов сопровождается отдельной фигурной стрелкой и не все фигурные стрелки отмечены ссылочной позицией 8. Оксиды железа в содержащих оксидное железо частицах 2 восстанавливаются восстановительным газом 8 в продукт 9 восстановления. Восстановительный газ 10, отработавший при восстановлении оксидов железа в содержащих оксидное железо частицах, выходит (показано затушеванными фигурными стрелками) из псевдоожиженного слоя 4 вверх. Восстановительный газ 8 состоит, например, из технически чистого водорода H2; соответственно, отработавший восстановительный газ 10 содержит, например, воду H2O и водород, так как не весь поступающий снизу водород вступает во взаимодействие. Частицы, унесенные вверх отработавшим восстановительным газом 10 из псевдоожиженного слоя, отдельно не показаны. Из места вывода B из псевдоожиженного слоя 4 в реакторном пространстве 5 в непрерывном режиме выводят частицы продукта 9 восстановления, что показано стрелками. Восстановительный газ 8 проходит через псевдоожиженный слой 4 снизу вверх противотоком со скоростью больше 0,05 м/с. Температура подаваемых содержащих оксидное железо частиц 2 составляет, например, 1173 K, а температура поступающего восстановительного газа 8 везде составляет 1023 K. Продукт 9 восстановления имеет, например, температуру 853 K.
В реакторе 6 с псевдоожиженным слоем, схематически показанном на фиг. 1, предпочтительно имеется небольшое избыточное давление в 200000 Па относительно окружающей среды.
Представленный способ может быть, например, осуществлен так, что высота кипящего слоя 4 составляет 0,1-0,5 м, и/или время пребывания газа составляет 0,1-10 с, а предпочтительно 1-2 с.
Восстановительный газ 8 через трубопровод 11 подачи восстановительного газа подают на распределительную тарелку 7. Трубопровод 12 отвода восстановительного газа служит для отвода отработавшего восстановительного газа 10 из реакторного пространства 5.
На фиг. 2 схематически показан вариант осуществления, в котором реактор 13 с псевдоожиженным слоем содержит несколько частичных реакторов 14, 16, 18, 20. Частичные реакторы соединены друг с другом последовательно; частичный реактор 14 своим концом 15 соединен с частичным реактором 16, который, в свою очередь, своим концом 17 соединен с частичным реактором 18. Частичный реактор 18 своим концом 19 соединен с частичным реактором 20. Соединения осуществляются через передаточные устройства 21a, 21b, 21c. Отверстие A для подачи содержащих оксидное железо частиц 22 находится в начале 23 частичного реактора 14, а отверстие B для вывода реакционного продукта 24 находится в конце 25 частичного реактора 20. Промежуточные продукты восстановления содержащих оксидное железо частиц 22 до продукта 24 восстановления через передаточные устройства 21a, 21b, 21c соответственно подаются из частичного реактора в следующий за ним частичный реактор, в направлении от отверстия A для подачи вдоль кипящего слоя к отверстию B для вывода. В то время как твердый материал в кипящем слое (отдельно не показан), то есть содержащие оксидное железо частицы, частицы промежуточных продуктов и частицы продукта восстановления, проходит через следующие друг за другом, то есть через последовательно соединенные друг с другом частичные реакторы 14, 16, 18, 20 от отверстия A для подачи к отверстию B для вывода из реактора 13 с псевдоожиженным слоем, через него противотоком проходит восстановительный газ (отдельно не показан).
На изображении по фиг. 2 частичные реакторы 14, 16, 18, 20 размещены по вертикали друг над другом. Они выполнены со слегка наклоненными днищами. В разные частичные реакторы 14, 16, 18, 20 входят отдельные трубопроводы 26a, 26b, 26c, 26d подачи восстановительного газа, все из которых выходят из центрального трубопровода 27 (из соображений лучшей наглядности их соединения с центральным трубопроводом 27 отдельно не показаны). От разных частичных реакторов 14, 16, 18, 20 отходят отдельные трубопроводы 28a, 26b, 26c, 26d отвода восстановительного газа, все их которых входят в отводящий коллектор 29 (из соображений лучшей наглядности их соединения с отводящим коллектором 29 отдельно не показаны). Отводящий коллектор 29 идет к установке 30 обработки газа, где отработавший восстановительный газ, например, обеспыливают и сушат. Через рециркуляционный трубопровод 31 продукт обработки - в случае примера по фиг. 1 обеспыленный и высушенный водород - подают в центральный трубопровод 27 и, таким образом, вместе с поступающим из другого источника свежим водородом H2 рециркулируют в качестве компонента восстановительного газа в технологический процесс.
Псевдоожиженный слой в реакторе 13 с псевдоожиженным слоем имеет несколько зон - в каждом из частичных реакторов 14, 16, 18, 20 располагается одна зона. Благодаря разным размерам частичных реакторов 14, 16, 18, 20, схематически показанных на фиг. 2 с разными высотами, в разных зонах псевдоожиженного слоя при непрерывном осуществлении технологического процесса обеспечиваются разные высоты слоя.
Согласно одному из вариантов способа по изобретению в разные зоны можно было бы подавать разные восстановительные газы; этот вариант отдельно не показан.
Подробное изображение системы подачи и получения свежего водорода H2 из других источников не показано по соображением лучшей наглядности.
В целом температура, давление и состав восстановительного газа влияют на кинетику реакции, из чего следуют требования по времени пребывания газа и времени пребывания частиц, а также высоте слоя. Скорость восстановительного газа влияет на степень уноса из псевдоожиженного слоя и количество циркулирующегося восстановительного газа. Кинетика реакции и скорость восстановительного газа, в свою очередь, влияют на необходимую удельную реакционную поверхность.
На фиг. 3 сплошной линией показаны ожидаемые согласно принятым научным представлениям значения теоретической скорости перевода во взвешенное состояние Ut для разных крупностей d шарообразных частиц DRI/железная руда при 1023 K с водородом H2 в качестве восстановительного газа и при избыточном давлении 200000 Па:
Штриховой линией показана также фактически найденная, отклоняющаяся от принятых научных представлений зависимость между крупностью d и скоростью перевода во взвешенное состояние Umax:
Umax = (40000*d)2,78.
Приведенное выше описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения содержит многочисленные признаки, которые частично приведены в отдельных зависимых пунктах формулы изобретения в нескольких комбинированных формах. Однако эти признаки также могут быть целесообразным образом рассмотрены по отдельности и рациональным образом обобщены в других комбинациях. В частности, эти признаки по отдельности и в любой приемлемой комбинации могут сочетаться в способе по изобретению.
Когда в описании или в формуле изобретения некоторые термины употребляются в единственном числе или в сочетании с числительными, объем охраны изобретения в отношении этих терминов не ограничивается единственным числом или конкретным числительным. Слова "один" или "одна" следует понимать как указание на неопределенность, а не как числительные.
Описанные свойства, признаки и преимущества изобретения, а также средства и методы, которыми они достигаются, более ясно и четко можно понять в связи с описанием примера или примеров осуществления изобретения, которые более подробно поясняются чертежами. Пример или примеры осуществления служат для пояснения изобретения и не ограничивают изобретение ни указанными в них комбинациями признаков, ни в отношении функциональных признаков. Кроме того, приемлемые для этой цели признаки каждого из примеров осуществления могут также рассматриваться совершенно изолированно, обособленно от какого-либо примера осуществления, вноситься в один из других примеров осуществления для его дополнения и сочетаться с одним из любых пунктов формулы изобретения.
Хотя изобретение было подробно пояснено и описано одним или несколькими предпочтительными примерами осуществления, оно не ограничено одним или несколькими раскрытыми примерами, так что могут быть разработаны другие варианты без выхода за пределы объема охраны изобретения.
Список условных обозначений
| 1 | Устройство для осуществления способа по изобретению |
| 2 | Содержащие оксидное железо частицы |
| 3 | Отверстие для подачи |
| 4 | Псевдоожиженный слой |
| 5 | Реакторное пространство |
| 6 | Реактор с псевдоожиженным слоем |
| 7 | Распределительная тарелка |
| 8 | Восстановительный газ |
| 9 | Продукт восстановления |
| 10 | Отработавший восстановительный газ |
| 11 | Трубопровод подачи восстановительного газа |
| 12 | Трубопровод отвода восстановительного газа |
| 13 | Реактор с псевдоожиженным слоем |
| 14 | Частичный реактор |
| 15 | Конец |
| 16 | Частичный реактор |
| 17 | Конец |
| 18 | Частичный реактор |
| 19 | Конец |
| 20 | Частичный реактор |
| 21a, 21b, 21c | Передаточные устройства |
| 22 | Содержащие железо частицы |
| 23 | Начало |
| 24 | Продукт реакции |
| 25 | Конец |
| 26a, 26b, 26c, 26d | Трубопроводы подачи восстановительного газа |
| 27 | Центральный трубопровод |
| 28a, 28b, 28c, 28d | Трубопроводы отвода восстановительного газа |
| 29 | Отводящий коллектор |
| 30 | Установка обработки газа |
| 31 | Рециркуляционный трубопровод |
1. Способ прямого восстановления содержащих оксидное железо частиц (2) в продукт восстановления (9) в псевдоожиженном слое (4), через который противотоком проходит содержащий 30-100 мол.% водорода H2 восстановительный газ (8),
отличающийся тем, что
подаваемые в псевдоожиженный слой (4) содержащие оксидное железо частицы (2) на по меньшей мере 90 мас.% имеют крупность, меньшую или равную 200 микрометрам,
при этом фиктивную скорость U проходящего через псевдоожиженный слой (4) восстановительного газа (8) устанавливают между 0,05 м/с и 1 м/с так, что она для крупности d, равной d30 подаваемых в псевдоожиженный слой (4) содержащих оксидное железо частиц (2), превышает теоретическую скорость перевода во взвешенное состояние Ut и меньше или равна Umax, причем значение d30 указывает на то, что 30 мас.% содержащих оксидное железо частиц имеют крупность не более чем d,
причем теоретически предсказываемое значение Ut для крупности d получается из уравнения:
а Umax получается по эмпирически найденной зависимости между крупностью частиц и скоростью перевода во взвешенное состояние частиц крупностью d, равной d30:
Umax = (40000*d)2,78,
где
Ut - теоретическая скорость перевода во взвешенное состояние, м/с;
Umax - максимальная фиктивная скорость для d=d30, м/с;
ρp - плотность частиц, кг/м3;
ρg - плотность восстановительного газа, кг/м3, в рабочем режиме;
d - крупность частиц, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
μ - динамическая вязкость, кг/(м·с);
CW - коэффициент сопротивления;
Re - число Рейнольдса.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его осуществляют при температуре между 773 K и 1123 K.
3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что его осуществляют при избыточном давлении в 200000 Па относительно окружающей среды.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что d30 меньше или равно 110 микрометрам для подаваемых в псевдоожиженный слой содержащих оксидное железо частиц (2).
5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что подаваемые в псевдоожиженный слой содержащие оксидное железо частицы (2) на по меньшей мере 50 мас.% находятся в интервале между 15 микрометрами и 100 микрометрами.
6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что подаваемые в псевдоожиженный слой содержащие оксидное железо частицы (2) с долей максимум 30 мас.% меньше 10 микрометров.
7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что псевдоожиженный слой (4) имеет разные зоны с разными высотами слоя.
8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что высота слоя в псевдоожиженном слое составляет 0,1-0,5 м, а более предпочтительно 0,3-0,4 м.
9. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что время пребывания восстановительного газа (8) в псевдоожиженном слое (4) составляет от 0,1 с до 10 с, более предпочтительно 1-2 с.
10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что выходящий из псевдоожиженного слоя (4) отработавший восстановительный газ (10) после обработки рециркулируют в качестве компонента восстановительного газа (8) в псевдоожиженный слой (4).
11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что в псевдоожиженный слой (4) везде подают одинаковый восстановительный газ (8).
12. Способ по любому из пп. 7-10, отличающийся тем, что в разные зоны псевдоожиженного слоя (4) подают разный восстановительный газ (8).
13. Устройство обработки сигналов с машиночитаемым программным кодом, отличающееся тем, что оно содержит управляющие команды для осуществления способа по любому из пп. 1-12.
14. Носитель информации с записанным на него машиночитаемым программным кодом для устройства обработки сигналов, отличающийся тем, что программный код содержит управляющие команды, которые устройство обработки сигналов выдает для осуществления способа по любому из пп. 1-12.
