Способ восстановления окиси железа

 

1. СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКИСИ ЖЕЛЕЗА, включающий восстанов т J р ,,., «s/v ej fi . ление в шахтной печи противотоком загружаемого сверху материала и горячего восстановительного газа, состоящего из смеси рециркулируемого и десульфурированного газа от газификации твердого топлива с показателем качества не ниже 6,5, о т л ич ающий с я тем, что, с целью сокращения тепловых затрат, часть рециркулируемого восстановительного газа добавляют к полученному газификацией на выходе из газификатора перед десульфуратором, а другую часть подогревают до 760-900°С и смешивают с потоком, идущим из десульфуратора , перед подачей в зону , восстановления. СП to а: О1

СОЮЗ СОВЕТСНИ)(СОЦИАЛИСТИЧЕСНИ)(РЕСПУБЛИК эю

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН

Н ПАТЕНТУ (21) 2806953/22«02 (22) 14.08.79 .(32) 15.08.78 (33) США (46) 30.10.83. Бюл. Р 40 (72) Дейвид Чарльз,Мейсснер и Чарльз

Валтер Санзенбахер (COJA) (71) Мидрекс Корпорейшн (США) (53) США (56) 1. Похвиснев A.È., Кожевников Ю, и др. Внедоменное получение железа за рубежом. M. 1968, с. 102-113.

-2. Патент CNA В 3853538, . кл С 21 В 13/00, 1973. (54)(57) 1 ° СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ОКИСИ ЖЕЛЕЗА, включающий восстанов„„SU „„1052165,A ление в шахтной печи противотоком загружаемого сверху материала и горячего восстановительного газа, состоящего из смеси рециркулируемого и десульфурированного газа от газификации твердого топлива с показателем качества не ниже 6,5, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью сокращения тепловых затрат, часть рециркулируемого восстановительного газа добавляют к полученному газификацией на выходе из газификатора перед десульфуратором, а другую часть подогревают до 760-900 C u смешивают с потоком, идущим из десульфуратора, перед подачей в зону восстановления. I

1052165

3. Способ по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что часть холодного рециркулируемого газа подают в зону охлаждения реактора для десульфурирования газа.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что часть холодного рециркулируемого газа добавляют перед смешиванием с подогретой частью.

1 2

Изобретение относится к прямому по- Цель изобретения - сокращение лучению железа в шахтной печи. тепловых затрат.

Большинство установок для прямо- Поставленная цель достигается тем,. го получения восстановленного же- что согласно способу восстановления леза используют в качестве источни- 5 окиси железа, включающему восстановка восстановителя природный гаэ. При- ление в шахтной печи противотокрм родный гаэ риформируют для того, загружаемого сверху материала и горячтобы получить восстановители СО чего восстановительного .газа, состои Н . ящего иэ смеси рециркулируемого н

Известны установки, использующие j() десульфурировациого газа от. гаэиуголь в качестве источника восста- . фикации твердого топлива с иокаэановителя в ротационных обжиговых про- телем-:качества не ниже. 6,5, часть цессах, например процесс Зь/RN, в со- РФциркулируемого восстановительного. ответствии с которым уголь-восста- ..газа добавляют ic полученному газинавливается прямо на месте. в печи фикацией на.выходе из. газификатора без отдельной газификации угля для : пеРед деаульфатором, а другую часть получения С0 и Н 1,).. . подогревают- до. 760-909вС и смешиваРотационные обжиговые процессы . Йт с потоком, идущим из десульфураимеют недостаточную эффективность, тоРа перед подачей в зону восстасвяэанную с использованием. угля, . новления ! так, как две трети угля сжигается.в: () часть холодного рециркулируемопечи для того, чтобы .обеспечить . .го газа добавляют перед смешиванием нагрев и только-одна треть. использу. — e:ïoäoãðåTîé частью. ется для получения восстанавливают- Часть холодного рецнркулируемого го газа для:прямого восстановления,ь Газа подают в .зону .охлаждения реакэто приводит к тому, что требует- 5 тора для десульфурирования. газа. . ся большое количество угля, чтобы на чеРтеже изображейа схема ре получить 5,0-6,0 гкал на метричес! алиэации способа. кую тонну прямо восстановленного На схеме. обозначена печь 1 с .огжелеза, в противоположность этому, . неуопорным покрытием шахтного типа в более эффективных процессах с ис- 30 с противотоком материала и восстапользованием природного газа из рас- новителя. Подающийся материал 2 чета 3-3,5 гкал на 1 т губчатого (окись железа) в виде окатьиаей окижелеза., си и/или крупнокусковой руды с нонаиболее близким к предлагаемому минальным Размером.в.пределах 5по технической сущности и достигае- Я 30 мм .подается в питательный бункер мому результату является способ,. 3 и в печь через питательную магиствосстановления окиси железа в шахт-: . Раль 4 для создания шихты в печи. ной печи противотоком загружаемого Носстановлениые железные окатыши сверху материала и горячего восста- : и/или кусковой продукт отводятся новительного газа, состоящего иэ 4() иэ нижней зоны печи через выпускную смеси рециркулируемрго и десульфу- магистраль 5 к разгрузочному трансрированного газа от газификации твер- портеру 6 скорость которого конт д о-топлива с показателем качества лирует скорость спуска шихты через

or

t ог контроне ниже 6,5 f23. печь 1.

4 - Свежий Горячий восстановительный

Однако способ является сложная и газ вводится в печь 1 через входную недостаточно практичным для промыш- магистраль 7 для горячего восстаноленного освоения, так как горячий вительиого газа и газовые входные гаэ из газификатора угля содержит отверстия 8, расположенные в огненизкое отношение восстановителей упорной стенке в средней зоне печи.

" (CO и Hg) к окислителям .(COgH HgO () Гоячий восстановительный газ.протепаров) и не может эффективно исполь- . кает внутрь, затем вверх в состояэоваться в прямом восстановлении нии иротивотока по бтношению к спускажелеза. ющейся шихте. Отработанный восстано1052165 вительный гаэ (верхний газ), содержащий СО, выходитчерез шихту в верх ней части печи на уровне загрузки, образованном углом естественного откоса подачи окиси железа через питательную магистраль 4 и уходит из 5 печи через отводящую магистраль 9.

Нижняя зона печи 1 снабжается циркуляцией охлаждающего газа для ох» лаждения восстановленного желеэас .„" перед его выгруэкой иэ печи. Охлаж- 10 дающая печь. включает входное отвер-. стие 10, через которое газ поступает в распределительный элемент ll ,охлаждающего газа внутри. печи 1, сборный элемент 12 для охлаждающего газа, расположенный над распреде-.: .., лительным элементом в печи, выходной элемент 13 для охлаждающего газа и . внешнюю систему для рециркуляции га-. за, имеющую скруббер-холодильник 14 и рециркуляционную воздуходувку 15.

Газификатор 16 природного топли..ва, использующий кислород или кис-. лород и К О . кОуорые впускаются через инжектор 17, используется для газификации размельченного природного топлива, например каменного. угля, бурого- угля или древесного угля, введенного через топливный инжектор 18, для того,, чтобы получить горячий газ, который выходит из гаэификатора через трубопровод 19. Остающаяся после газификации топлива эола удаляется из газовой плиты че» . реэ выброс 20 золы.

Верхний газ, выходящий из печи 35 через отводящую магистраль 9, охлаждается и очищается от пыли в скруббер-холодильнике 21, после чего поступает в трубопровод 22. Часть охлажденного верхнего газа удаляет-, 4п ся из системы через дренажную труб-, icy 23 и используется в качестве топ+ ливного газа для получения пара.

Вторая часть охлажденного газа удаляется через трубопровод 24 и исполь-45 зуется в качестве. топлива для го релки. Третья часть охлажденного верхнего газа сжимается-газовым компрессором 25 и затем впускается через трубопровод 26 в обычный регенеративный узел 27 удаления СО2.

В этом узле основная часть СО удаляется из газа для того, чтобй получить обогащенный восстановителем газ, который удаляется через трубопровод 28. Часть обогащенного восстановителем газа подается в смеши вающцй трубопровод 29 для перемешиваиия с горячим газом от гаэификатора в трубопроводе 19 до температурй .ниже температуры застывания . 60 эолы. Этот перемешивающий газ может быть введен попеременно в зону отвода газа из гаэификатора 16, где он не будет оказывать вредного воздействия на температуРу газификации., 65

Горячий гаэ газификатора в трубопроводе 19 после перемешивания с газом из смешивающего 29 трубопровода, частично охлаждается и вводится в газовый десульфуратор 30 через газовую входную трубку 31. Десульфуратор 30 представляет собой печь шахтного типа с огнеупорным покрыти- ем, в верхней части которого через подающий бункер и подающую 32 трубку вводится в виде частиц известняк для образования шихты в десульфураторе.

Перемешанный горячий гаэ из гавовой входной трубки 31 вводится в десульфуратор через газовые входные . отверстия 33, размещенные в огнеупорной стенке в средней зоне печи.

Этот газ течет внутрь через шихту противотоком по отношению к опускающейся шихте. Горячий десульфурированный газ выводится нз шихты на уровень 34 загрузки и затем через выводную магистраль 35. Введенная в реакцию известь, содержащая серу и остаток не вступившего в реакцию известняка, удаляется иэ десульфуратора через разгрузочную магистраль

36 к разгрузочному транспортеру 37. удаление частиц оставшегося после реакции материала к разгрузочному. 37 транспортеру через разгрузочную 36 магистраль создает гравитационный поток и контролирует скорость прохождения шихты через газовый 30 десульфуратор. Небольшое количество очищенного восстановительного газа, в качестве охлаждающего газа для охлаждения шихты перед ее выгрузкой, из узла 27 вводится через трубо провод в охлаждающий газовый распределительный элемент 39, находящиЧ-. ся в нижней зоне десульфатора 30.

Этот охлаждающий газ течет вверх через десульфатор и подогревается горячей падающей шихтой до тех пор, пока газ достигает средней зоны..

Газовый подогреватель 40 служит для нагревания обогащенного- восстановителем газа, поступающего нз трубопровода 41, до температуры, которая необходима для использования . его в качестве восстанавливающего газа в восстановительной печи 1.По- . догреватель включает нагревающие трубки 42, одну или более горелок

43 и трубопровод 44 для выпуска газа.

Горячие газы, выходящие из выпускного трубопровода 44, предпочтительно используются в теплообменнике (не показан) для подогрева горячего воздуха источника 45 для горелок 43.

Топливо для горелки 43 представляет собой верхний газ, введенный через трубопровод 24. Подогретый, обогащенный восстановителем газ выходит из газового подогревателя 40 через трубопровод 46, перемешивается с го-, рячим деаульфурированным газом, ко1052165 торый поступает иэ десульфуратора 30 и перемешивается с холодным обогащенйым восстановителем газом, поступающим через трубопровод 47, и приобретает температуру, которую должен иметь гаэ при входе в печь. 5

Эта конечная газовая смесь становится грячим восстановительным газом, введенным в восстановительную печь 1 через газовую входную магистраль 7. 10

В прямом восстановлении железа восстановительная печь шахтного типа с противотоком обеспечивает получение наивысшей термической эффективности, в которой восстанавливающий гаэ и руда находятся в состоянии противотока друг относительно друга. При таком относительном движении газа и пород горячий восстановительный гаэ служит не только для того, чтобы восстанавливать

20 окись железа в металлическое железо, а также для того, чтобы нагревать окись железа до температуры восстановления. .Шахтная печь с противотоком также имеет наивысшую химическую эффективность из всех восстановительных печей любого типа при условии, что горячий восстановительный газ, подаваемый в печь, имеет досточно вы- 30 сокий показатель качества, который выражается как отношение восстановителей (СО и Н ) к окислителям (СО и.Н О) в газовой смеси. Опыт промыш-, ленного использования установок íà 35 природном газе показал, что для получения полной химической эффективности шахтной восстановительной печи с противотоком показатель качества восстанавливающего газа должен щ быть по крайней мере равен восьми.

При газификации измельченного твердого ископаемого топлива, такого как каменный или, бурый уголь, в газификаторе с частичным. окислением, таким каким является газовый подогреватель 40, образуется газ, преимущественно содержащий СО, Й, СОу и Н О.

Изобретение основано на газифи;кации типичного подбитуминозного каменного угля с использованием кислорода, Н О и измельченного угля в газификаторе слоистого типа, который производит горячий газ, содержащий главным образом СО, Н2, СО и 55

Н О. Температура газификации в таком газификаторе обычно ранна 1400 С.

При такой температуре зола каменного угля становится .жидкой, заливается водой и удаляется со дна газифи" 0 катора как шлак.

Пример. Горячий восстановительный гаэ, показатель качества которого равен 10, при типичной предпочтительной температуре 815 С вво- 65 дится в восстановительную печь 1 через газовую входную магистраль 7.

СО и .Н, содержащиеся в газе, вступают в реакцию с окисью железа, в результате чего образуется СО>, Н О и металлическое железо. При восстановлении окиси железа в металлическое железо используется только часть восстановителей (СО и Н ), которая снова может быть введена в реакцию после удаления окислителей. Эта термодинамическая ситуация приводит к тому, что отработанный восстановительный газ, выходящий из печи через отводящую магистраль 9, имеет показатель качества равный 1,5. В газовом скруббер-холодильнике 21 конденсируется большое количество вбдяного пара и удаляется из газа, что приводит к тому, что показатель качества охлажденного верхнего газа равен 2. Такой газ является хорошим горючим для сжигания, но не обладает восстановительным потенциалом для прямого восстановления железа.

Часть верхнего газа с показателем качества, равным 2, используется как горючее для горелки 43 газового подогревателя 40. Другая часть газа удаляется из системы через дренажную трубку 23 и используется в качестве топлива для обогрева испарителя (не показан), создания пара, необходимого при работе узла 27 удаления СО . Основная часть колошникового газа рециркулируется через узел 27 удаления СО2, что приводит к обогащению газа, отводимого че» рез трубопровод 28. Восстановительный газ, показатель качества которого высок (23), используется в четырех направлениях.

Горячий газ, выходящий из газификатора 16 природного топлива через трубопровод 19, имеет температуру

l370 C и показатель качества 6,5.

Гаэ содержит Н S u COS из серы -в угле, некоторое количество невступиэшего в реакцию древесного угля и некоторое количество капель остатка золы. Для того, чтобы вызвать затвердевание жидких капель золы в горячем газе и осуществить передачу по трубопроводам поток в смешивающем трубопроводе 29 холодного обогащенного восстановителем газа перемешивается с горячим газом так, чтобы довести температуру смеси до

950 С во входной трубке 31 в десульфуратор 30. Это приводит к тому, что показатель качества во входной трубке 31 становится равным 9..

К десульфуратору 30 подается известняк в виде частиц. Для того чтоl бы шихта имела хорошую газовую проницаемость размер частиц предпочтительно равен 3-20-мм. Скорость потока массы горячего газа, введенного в

1052165 десульфуратор, очень высока по отношению к скорости потока массы холодного известняка, поданного к десульфуратору. Это приводит к тому, что известняк очень быстро приобретает температуру газа при поднятии непосредственно под уровень 34 загрузки. Это приводит к очень быстрому кальцинированию известняка с получением обожженной извести, которая вступает н реакцию с Н $ и, COS и удаляет эти составляющие из газифицированного газа.

Обожженная известь может подаваться вместо известняка, но это экономически невыгодно.

Горячий газифицированный гаэ эа счет перемешивания с холодным, обогащенным восстановителем газом доводится до 950оС перед подачей в десульфуратор 30.

Понижение содержания окислителя в горячем газе посредством перемешивания с высококачественным газом, обогащенным. восстановителем, способствует удалению серы. Содержание серы горячего гаэифицированного газа для специально подобранного угля составляет 3900 ч объемных частей

H S и C0S на миллион. При темпера" туре реакции 950 С и с пониженным содержанием СО и Н О после перемеши2 вания количество серы в газе, выходящем из десульфуратора, составляет около 120 ч. на миллион частей объема. Этот уронень серы ниже максимального и может быть допущен в прямом восстановлении железа, поэтому он дополнительно уменьшается путем перемешивания с горячим или холодным восстановительный газом, не содер- жащим серу, из трубопровода 46 или

47. Количество требуемого известняка занисит от содержания серы каменного угля. Количество СО и Н О, образованного в десульфураторе в результате реакции серы с изнестью, составляет небольшую фракцию всего газового объема и имеет только побочное воздействие на качество газа, выходящего из десульфуратора иэ выводной магистрали 35. СО, выделенный в десульфураторе посредством кальцинирования известняка, также оказывает только побочное воздействие на качество газа.

Побочные добавления СО2и Н О включены в приведенные таблицй.

В десульфураторе 30 шихта.-покидает реакционную зону и охлаждается перед выгрузкой путем ввода относительно небольшого потока газа, о6огащенного восстановителем, иэ трубопровода 38 к газовому охлаждаю.— щему распределительному элементу 39.

5 Охлажденный гаэ высокого качест.ва течет вверх и продавливается по направлению к центру реакционной эоны к поступающему иэ отверстий 33 газу и подогревается горячей спус к кающейся в-охлажденную зону шихтой.

Часть газа, обогащенного восстановителем, выходящего иэ узла 27 для удаления СО> через трубопровод 28, вводится в газовый подогреватель

40 череЗ трубопровоц 41. В нагревателе, который содержит нагревающие трубки 42 иэ теплостойкого сплава, газ нагревается до температуры около 815 С, которая является предпоо чтительной для прямого восстановления большинства типов окиси железа, используемого в качестве питающего материала. Эта температура может находиться в пределах между 760-900 С без отступления от настоящего изобретения.

В примере газ, выходящий из десульфуратора 30 через выводную магистраль 35 после нагрева и обжига поступающего холодного известняка с

ЗО получением обожженной извести имеет температуру 915 С и охлаждается до о о

815 С путем подвода и перемешивания с относительно небольшим потоком газа, обогащенного восстановителем, иэ тру35 бопровода 47. Добавление газа, обогащенного восстановителем, через трубопровод 47 может быть исключе-но посредством простого нагревания в нагревателе 40 до температуры

4р меньше чем 815 С для того, чтобы по о лучить температуру газовой восстановительной смеси около 815 С во входной магистрали 7. для входа восстановительного газа. С помощью до45 полнительного перемешивающего газа, поступающего через трубопровод 47, легче контролировать температуру горячего восстановительного газа, который вводится во входную магистраль 7.

Таблицы основаны на выработке одной метрической тоннй прямо восста.—, новленного железа, имеющего степень металлизации 92Ъ и содержание углерода 1,5Ъ.

55 В табл. l приведены скорость га; зового потока и качество газа (отношение восстановителя к окислителю) в различных местах устройства.

1052165

Т а б л и ц а 1

IIoToK

Магистраль на схеме

Поток качество газа

931

6,5 19

Гаэифицированный газ

532

23,0

Газовая смесь к десульфуратору

Перемешивающий гаэ

9i0

1463

Газ, выходящий иэ десульфуратора

1511

8,5

220

23,0

Перемешивающий газ

Газ подогрева

Восстановительный ras

23,0

238

10,0

1969

Отработанный восстанавливающий газ

1957

1,5

Охлажденный верхний гаэ

2,0

1782

22.„ Дренаж верхнего rasa

23 г,о

269

2,0

Верхний газ-топливо

Обогащенный ras

23,0

1031

Охлаждающий- гаэ десульфуратора

23 0

Т а б л и ц а 2

Потребность в сырье газификатора

16 каменного угля составляет, кг:

Сухой уголь 488 45

И О 93

Кислород,(нм 98% 02) 235

Потребность в сырье и готовый продукт десульфуратора 30 составляет, кг:

Извести як (вход) 32,6

СаО .(выпуск) 9е1

Са8 (выпуск) 11 7

Энергетические затраты осуществленйя предлагаемого способа, кал:

Газификация угля 3,1

Получение кислорода для газификации угля 0,4

" Приблизительно 140 кВ iч при

ЗОВ-ной эффективности преобразования. 60

В табл. 2 приведена температура газа в указанных местах схемы.

Магистраль Темпера-i на схеме тура, С1"

Поток

Газифицированный газ

К десульфура". тору

Из десульфуратора

Восстанавливающий:газ

Топливный газ

От газового подогревателя воздух горелки газОвого нагревателя

19 1370

950

915

815

925

450

Результаты газового анализа. привевены в табл. 3.

4»

)

П р и м е ч а н и е. Поток отработанного rasa на выходе 9 меньше, чем по ок восстанавливающего rasa в трубопроводе 7, так как к прямо восстановленному железу добавляет.ся 1,5% углерода в результа е реакции с СО из . восстанавливающего газа, 12

1052165

Таблица 3

Содержание

Поток

Магистраль- на схеме

Частей (Н 8+СОЯ) на млн.об.ч.

СО СО2 НZ Н20 СН4 Я

Газифицированный газ

55,5 5,5 . 30,0 7,7 0,1 0,9 3900

53Г5 4Г2 . 34,4 5,6 0,2 1,9 2500

К десульфуратору

Из десульфуратора 35

52,4 5ГЗ 35,1 5.,1 0,2 1,9 120

Восстанавливающий газ

51Г8 4r5 36Г8 4ГЗ 0r2 2ГЗ 90

Израсходованный восстанавливающий газ 9

32,0 24i l 27rO 14Г4 ОГ2 2ГЗ 0

35,1 26Г5 29 6 6,0 0,2 2,6 0

Верхний газ . 22.: Газ, обогащенный., восстановителем 29

1.49920..421200336

Составитель A. Савельев

Редактор H. Гришанова Техред .И.Метелева Корректор A- Ильин

Заказ 8697/60. Тираж 568 Подписное.ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

-Расход потока газифицированного

Газа в трубопроводе 19, как показано в примере, составляет 931 нм3 на .метрическую тонну. прямо восстанов :(ленного железа. Этот:"гаэ сойержит

85,5В или 796 нм восстановителей (СО+К). Расход потока горячего вос-! станавливакщего газа во входной магистрали 7 составляе| 19,9 нм HS

Г Г которых 88Г6% нли 1,44 нм составляют восстановителн СО+Н2 . Таким об- разом, только 43 (СО+И, ), потребных для прямого восстановления в печи

1,. снабжается газификатором 16. Ос- 45 тальные 543 потребности восстанавливающего газа обесдечивавтся рециркуляцией отработанного : газа иэ печи прямого. вос» становления.

Хотя в предлагаемом способе для десульфурацин газа использован десульфуратор шахтного типа с нротивотоком, следует иметь в виду, что может бить использован и десульфу-;.

;ратор другого типа, такого, например, как псевдосжиженньм слоем частиц извести. Кроме того, вместо извести может использоваться любой другой десульфурирующий агент, например любой другой подходящий серный поглотитель, такой как окисть магния..

В изобретении представлен, энергои термо-экономичный способ для получения прямого восстановления железа, в котором используется угольный газифицированний газ как источник восстановителя для прямого восстановления.