Способ прямого восстановления железа при использовании высокосернистого газа

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Сов етскин

Социалистических

Республик

4(/

/ -==. г (6I) Дополнительный к патенту

3 (512 М. Кл. (22) Заявлено 21.10.80(21) 2996898/22-02 (23) Приоритет - (32) 22. 10 ° 79

С 21 В 13/00

Гасударственный комитет (31) 086980 (ЗЗ) СИА

СССР. Опубликовано 30. 11. 82 ° Бюллетень ррах 44

Дата опубликования описания 30. 11.82 (бз) УДК 669.181. .423(088.8) .по делам изобретений и открытий

Иностранцы

Вильям Артур Арендт и Дональд Бегз (США) (72) Авторы изобретения

Иностранная фирма

"Иидрекс Корпорейшн" (71) Заявитель (США) 54) СПОСОБ ПРЯНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСОКОСЕРНИСТОГО ГАЗА Прямое восстановление окиси же;лева из агломерированных окатышей или кусковой руды до металлического желаза в твердом состоянии в последние годы становится реально. стью на многих заводах прямого восстановления во всем мире. Общая годовая производительность этих заводов, находящихся в работе или строящих« ся, превышает 15 миллионов тонн в . пересчете на металлизированный продукт прямого восстановления железа,, который используется как шихта для электродуговых сталеплавильных печей. Мировая потребность в этом дополнительном прямовосстановленном железе имеет тенденцию к увеличению в значительной степени на протяжении многих лет для удовлетворения растущей потребности в подобной шихте, твк как строятся дополнительные сталеплавильные заводы с электродуговыми печами.

Большая часть коммерческих предприятий, производящих железо прямого восстановления, использует природный газ в качестве восстановителя. Природный газ обрабатывается для получения восстановителей СО и

Н . Наименее энергоемкими и наибо2 лее продуктивными из заводов прямого восстановления с использованием технического природного газа являются заводы, применяющие Иидрекс-процесс, который включает в себя непрерывную катализацию природного газа ,с использованием в качестве окислителей СО и остаточных водяных паров в охлажденном,ретциркуляционном, отработанном восстановительном газе, отходящем от восстановительной печи.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ пря мого восстановления железа, включающий противоток загружаемого в шахт/

978735 ную печь сверху дисперсного материала и горячего обессеренного восстановительного газа, состоящего из смеси рециркулируемого колошникового и конвертированного природного газов, последующее охлаждение восста. новленного продукта и рециркуляцию охлаждающего газа (1) .

Однако при конвертировании природного газа или других газов, со- 10 держащих углеводороды, необходимо поддерживать на очень низком уровне содержание серь> в газовой смеси, прошедшей преобразование для исклюI чения отравления катализатора. Мак- 15 симальный уровень содержания серы, допустимый в процессе, составляет примерно 2-3 части на миллион по объему (млн"объем) во вновь получаемой смеси. Для достижения такого низкого уровня содержания серы часто требуется сложная и дорогая операция обессеривания газа прежде, чем он может быть использован в процессе в качестве топлива.

Во многих промышленноразвитых странах в качестве топлива используют коксовый газ. Однако он включает в себя определенные серусодержа-. щие компоненты, например С05 и

С4Н45 ™оф

В предлагаемом способе процесс прямого восстановления усовершенствован, так как газ для восстановле35 ния проходит обессеривание в Вос становительной печи новым и более эффективным способом вступления в реакцию серы, содержащейся в технологическомм топли BB с горя чи и

40 прямовосстановительным железом, прежде, чем технологическое топливо допускается s преобразователь.

Сера, содержащаяся в технологическом топли ве, передается железу во. время процесса восстановления, допустимый уровень содержания серы в технологическом топливе может

-1, достигать 400 млн об.ьем без введения нежелательного количества .=еры в продукт восстановления железа. Такое обессеривание на месте технологического топлива делает практически возможным использование при прямом восстановлении железа технологического топлива, которое очень трудно обессерить вне данного процесса, яапример, коксового газа или привод-: ного газа, содержащих органические соединения серы.

Восстановительный газ вводят на двух вертикально разделенных уровнях, но на каждом уровне он имеет различный состав. Кроме того, оба газа вводятся по периферии шахтной печи и при различных температурах.

Цель изобретения — повышение эффективности процесса восстановления.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу прямого восстановления железа при использовании высокосернистого газа, включающему противоток загружаемого в шахтную печь сверху материала и горячего обеесеренного восстановител ь--:; ного газа, состоящего из смеси рециркулируемого колошникового и конвертированного природного газов, последующее охлаждение восстановленного продукта и рециркуляцию охлаждаю щего газа, обессеривание метансодержащего газа производят нагревом до 600-775оС перед смешиванием этого газа с рециркулируемым восстановительным и подачей полученной смеси в зону предварительного восстановления в точке выше подачи основного потока восстановительного газа.

Бысокосернистый газ смешивают со всем потоком восстановительного газа.

На чертеже приведена схема осуществления способа.

Схема включает футерованную огнеупором восстановительную печь 1 шахтного типа шихтовой метериал 2 из окисленного железа, т.е. окатыши, куски природной руды или смесь окатышей и кусков руды, имеющих номинальный размер частиц 5-30 мм, вводится в загрузочную воронку 3 и в печь через загрузочную трубу 4 для заполнения печи шихтои 5. Продукт прямого восстановления железа выводится из нижней части печи через разгрузочную трубу б при помощи разгрузочного конвейера 7. скорость которого регулируется скоростью прохождения шихты 5 через печь 1..

Средняя часть трубы 1 снабжена впускной трубой 8 для горячего восстановительного газа, соединенной с несколькими отверстиями.g для впуска газа в огнеупорной стенке печи. Впуск.ная труба 10 для горячего восстановительного газа соединена с несколькими отверстиями для впуска газа, расположенными. на уровне, превышающем

9787 уровень расположения отверстий 9.

Горячий восстановительный газ, который состоит из смеси горячего рециркулированного восстановительного газа и горячего газообразного технологичес-g кого топлива, вводимый через отверстия

11, вдувается внутрь, а затем движется вверх Против опускающейся шихты. Горячий восстановительный газ, вводимый через отверстия, также вду=:10 вается внутрь, а затем движется вверх против опускающейся шихты ° Горячий восстановительный газ из отверстий

9 при своем движении вверх сначала заполняет поперечное сечение шихты, 15 а звтея примерно на уровне отверстий

11 сосредотачивается ц центральном районе шихты благодаря вдуванию горячего довосстановительного газа че-. рез отверстия 11. В верхней части пе- gg чи два газовых потока сливаются вместе и заполняют все поперечное сечение печи и выходят из шихты через уровень 12 засыпки и выходят далее из печи через верхнюю трубу 13 выпус- 2S ка газа. Верхний газ, который выходит из печи через выпускную трубу. 13, предсталяет собой смесь отработанного восстановительного газа и технологического газового топлива.

В нижней части печи 1 предусмотрен охлаждающий газовый контур для охлаждения прямо восстановительного железа перед выгрузкой. Этот охлаждающий контур включает в себя впускной патрубок 14, соединенный с элементом 15 охлаждающего газа, на. ходящимся внутри печи 1, и элемент

16, собирающий охлаждающий газ, расположенный внутри печи над распределительным элементом, а также выпускной патрубок 17 для охлаждающего газа и наружную систему циркуляции газа, имеющую скруббер-охладитель 18 и циркулярный вентилятор 19.

Верхний гаэ, выходящий иэ печи 1, через выпускную трубу 13, охлаждается и очищается от пыли в охладителе-скруббере 20 и выводится по трубе 21. Большая часть охлажденного верхнего газа, проходящего по трубе, сжимается компрессором 22 и затем впускается в выполненные из жаростойкого сплава трубы преобразовате55 ля 23, одна из которых показана на чертеже. Каждая труба преобразовате" ля заполнена кусками огнеупора во входной части трубы, а остальная, 35 6 большая часть заполнена никелевым .... или кобальтовым преобразующим катализатором 24.

Трубы преобразователя заключены .в футерованную огнеупором преобразовательную печь, имеющую несколько горелок 2 (показана одна) и газаотводную трубу 26 для отвода сгорев.-. ших в горелке газов иэ преобразова" тельной печи, Большая часть охлажденных верхних газов. проходящих по трубе 21 вместе с топливом от внешнего источ ника 27, направляется в каждую горелку через трубу 28. Отработанные сгоревшие в горелке газы из газоотводной тру ы 26 используются в теплообменнике для предварительно-. го нагрева (не показан) предназначенного для сгорания воздуха, который поступает в каждую горелку от источника 29.

Нагреватель 30 газообразного технологического топлива, снабженный нагревательными трубами 31, изготовленными из жаростойкого сплава (показана одна),предусмотрен для нагрева газообразного технологического топлива, поступающего из источника

32. Тепло подается в нагреватель от горелок 33 (показана одна) топливо для сгорания в которые поступает от источника 34, а воздух для сгорания от источника 35. Отработанные, сгоревшие в горелке газы выходят из нагревателя через гаэоатводную трубу

36. Нагретое газообразное технологическое топливо подается в восстановительную печь 1 последовательно через труоы 37 и 38 и трубу 1О для впуска восстановительного газа.

Первая, большая часть газа, выходящего иэ труб преобразователя 23> доставляется к впускной трубе 8 для горячего. восстановительного газа в виде горячего рециркулированного вос" . становительнрго газа через трубы 39 и 40. Вторая, меньшая часть горячего газа, .выходящего из труб npeobpaэователя 23, проходит через трубу 41 и клапан 42, затем смешивается с нагретым технологическим газообразным топливом в трубе 38 и эта смесь становится горячим предвосстановительным газом, который подается в печь 1 через входную трубу 10.

Технологический газ должен быть нагрет до достаточно высокой темпера,-о) туры (предпочтительно свыше 650 С), 978735 чтоЬы смесь технологического газа и отведенного нагретого верхнего газа имела высокую температуру для осуществления прямого восстановления окиси железа. 5

Предлагаемый способ включает полное смешивание содержащего серу технологического газа, например, коксового газа, природного газа с горячим очищенным восстановительным га- 10 зом для образования восстановительной газовой смеси. Эта смесь вводится в зону восстановления печи через единую газораспределительную и

O фурменную систему, Такой процесс <5 может быть выполнен в аппаратуре (см. чертеж) перекрытием клапана <<3 на трубе 38.

В технологии оЬессеривания газообразных топлив, таких как при- 2о родный газ, доменный или коксовый газы, известно, большое число разработанных коммерческих процессов удаления HgS (сероводорода) из подоЬных газов за одну стадию обессери-<5 вания. Однако удаление С05 (карбонила серы) и органических соединений серы таких как тиофен (С4 Н45), требует использования сложного и дорогого многостадийного процесса обес-5о серивания для гидрогенизации и пре6 образования сернистых соединений в

I42S прежде, чем такие виды соединений серы могут быть удалены.

В лабораторных экспериментах оЬнару><ено, что COS и органические соединения серы могут быть удалены из газов при взаимодействии с.горлчими

;окатышами прямовосстановленного железа в присутствии водорода, Прлмовосстановленное железо при низких температурах не эффективно длл удаления таких сернистых соединений, но оно эффективно при температурах примерно 700ОС и выше. Механизм такого удаления серы точно неизвестен, но можно полагать, что горячее прямовосстановленное железо становится эффективным катализатором для превращения этих сернистых соединений в присутствии водорода в HgS, который затем химически взаимодействует с

- железом. В любом случае сера переходит из газа в прямовосстановленное железо. .Поэтому газовая смесь, которая

55 подается во впускную трубу 10, долж"

<на иметь температуру, превышающую примерно 700 С длл удаления серы.

Однако предпочтительны более высокие температуры, так как примерно 800 С с необходимо для прямого восстановления окиси железа, Некоторые окатыши проявляют склонность к слипа нию при 800 С и должны восстанавли0 ваться при более низких температурах. Практически нижний предел температуры газа во входной трубе 8 составллет 750сС.

Далее приведен специальный пример с использованием содержащего серу коксового газа в качестве технологического газообразного топлива, как в качестве топлива длл горелок, так и в.преобразовательной печи и в нагревателе технологического газообразного топлива. Уровень содержания серы, /принятый длл коксового газа в этом

-1 примере, составляет 200 млн обьем, что составляет уровень содержания: серы, обычно достигаемый в простом процессе и с одной стадией обессеривания, Газ с таким содержанием серы хотя и непригоден технологически для процесса преобразования, но очень хорошо подходит в качестве топлива длл горелки.

Горячий восстановительный газ из труб преобразователя 23 поступает в восстановительную печь через впускную труЬу 8 при температуре примерно 900ОС. Горлчий предвосстановительный газ, который представляет собой смесь имеющего 900 С газа из труб преобразователя и от подачи имеющего

750 С коксового газа, из нагревательных труЬ 31 проходит в восстановительную печь через впускную трубу

10 при температуре примерно 800 С. о

Конструкция восстановительной печи обеспечивает время нахождения шихты в печи примерно в течение 4 ч от уровня 12 засыпки до отверстий 11 и в течение Ь ч от уровня 12 засыпки до отверстий 9, в результате чего высокая степень прямого восстановления окиси железа до металлического железа достигается в довосстановительной зоне выше отверстий 11 с окончательной степенью прямого восстанов.ления, достигаемой в зоне восстановления между отверстиями g и 11.

В предвосстановительной зоне СО и Н2, содержащиеся в горячем предвосстановительном газе и в горячем :: восстановительном„текущем вверх. из зоны окончательного восстановления уже восстанавливают окись железа, Потребитель

Технологический газ 2,82

Горелки преобразователя 0,07

Горелки нагревателя 0 32

11,80

0,29

1 34

Общая потреб" ность топлива 3,21

13,43

:Продолжение табл. 2

Газ

Скорость потока, 3/

Таблица2

Газовая смесь у верхних выпускных труб (39) Скорость потока, м 9/г

Газ

1007

Прорва гировавший газ (13) От преобразователя (40) .1 901

1320

Возвращающии-.

50 ся газ (22) 1525

У нижних выпускных труб (41) 922

Питание газом .преобразоватеПреобразованный газ из верхних выпускных труб ля (24) 1085 и Возвращенный газ у горелки преобразователя (29) 398 (42) Нагретый технологический газ (38) б09

44п содержащуюся в шихте, до степени металлизации примерно 943, Основываясь на лабораторных испытаниях и техническом опыте установлено, что метан, присутствующий в предвосстановительном газе"из коксового газа, не расщепляется в какой-либо заметной степени при его прохождении через предвосстановительную зону при 800 С вследствие равновесия с водородом, уже присутству= ющим в газе. Поэтому отработанный газ или верхний газ, выходящий из шихты печи через уровень засыпки и через трубу 18 для выпуска, газа из печи, содержит непрореагировавшие восстановители С0 и Н2, окислители СО и Н О, полученные в процессе восстановления, и метан.

В охладителе-скруббере 19 для верхнего газа большая часть паров H U конденсируется из верхнего газа, приводя..к тому, что газовая смесь

В табл. 2 приведены данные по газовым потокам в процессе в обозначенных местах расположения на черте е мЬ/r

78735 10 становится подходящей для конверсии в трубах преобразователя 23 при получении горячего восстановительного газа. В трубах преобразователя С0> и остаточный водяной пар в охлажденном и очищенном от пыли рециркулируемом газе, служат в качестве окисЛителей для конверсии метана.

1@ В табл. 1-3 показаны результаты всестороннего анализа предлагаемого способа на 1 т, продукта йрямого восстановления железа, имеющего степень металлизации 92 и содержа1s ние углерода 1,54. Это широко распространенные технические стандарты, для прямовосстановленного железа„ полученного на природном газе прямого восстановления. щ В табл. 1 показан расход топлива, требуемого для процесса. Коксовый газ имеет наивысшую теплоту сгора" ния 4618 ккал/м (19318 кДж/м )., Таблица1 °

11 978

В табл. 3 приведены данные газового анализа в обозначенных местах расположения, 4.

2 (млн ) Газ о

С0

СО2 Н2 H2U

1 9 6,2

2,5 51,5 5,1

Технологическое топливо (38) l,8 g4,3 3,0 28,7

6,8

200

У верхних выпускнь,х труб (39) 17,1 2,1 53,2 3,8 18.,1 5,7

13,4 12.4 34,3 23,4 10 5 6,0

121

Верхний газ (13) 16,7 16,5 42,7 4,5 13,1 7,5

Очищенный возврат" ный газ

B предлагаемом способе в качестве газообразного технологического топли-. ва вместо коксового газа чаще ис.пользуется природный газ, необходимое объемное количество которого составляет примерно половину коксового газа вследствие почти вдвое большей теплотворной способности природного газа. При этом в природноМ газе допу сти мо содержание при мерно

400 млн " объема без введения черезмерного количества серы в жепезосодержащи и праду кт . никового оборотного и конвертирован>5 ного природного газов, последующее охлаждение восстановленного продукта и рециркуляцию охлаждающего газа, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективносзo ти процесса восстановления, обессеривание метансодержащего газа произвоо дят разогревом до 600-775 С перед смешиванием этого газа с рециркулируемым восстановительным и путем подачи полученной смеси в зону предварительного восстановления в точке выше подачи основного потока восстановительного газа.

2, Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что выкокосернистый газ смешивают со всем потоком восстановительного газа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CillA N 3748120, кл. С 21 В 13/60, опублик. 1979.

1. Способ прямого восстановления железа при использовании высокосернистого газа, включающий противоток загружаемого в шахтную печь сверху материала и горячего обессеренного восстановительного газа, состоящего из смеси рециркулируемого,колошПримерно .0,0187. серы добавляется к металлизированному железному

Преобразованный газ (40) 32

Формула изобретения

735 l2 продукту при помощи передачи серы от газообразного технологического топлива. Эта ниже допустимого предела на 0,033 для использования железа прямого восстановления в электродуговом производстве стали.

Т а б л и ц а 3

Сост ави тел ь А. Савел ьев

Редактор И, Ковальчук Техред З.Палий Корректор У. Пономаренко

Заказ 9258/79 Тираж &87 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, R-35, Раушская наб., р. 4/5

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