СПОСОБ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗООКИСНОГО МАТЕРИАЛА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к сталелитейной промышленности и может быть использовано для прямого восстановления железоокисного материала, заключающегося во внешнем риформинге природного газа для получения восстанавливающего газа для процесса прямого восстановления.

Известен способ прямого восстановления железоокисного материала, включающий окислительную конверсию природного газа, во внешних риформерах с получением восстановительного газа, содержащего, по крайней мере, 90 объемных H₂ и СО, смешивание его с нагретыми газообразными реагентами и подачу полученного восстановительного газа в реактор прямого восстановления железоокисного материала [1]
Задача изобретения разработка способа повышения производительности известной установки прямого восстановления без необходимости увеличения производительности внешних установок риформинга, существующих внутри установки, при одновременном снижении потребления энергии в установке.

Сущность изобретения заключается в том, что в процессе окислительной конверсии получают восстановительный газ ниже 950^oС и степенью окисления (n_o) до 0,07, затем его смешивают с подогретым до 650 950^oС кислородсодержащим газом с получением частично окисленного газа с температурой, по крайней мере 1100^oC и степенью окисленности 0,10 0,17, после чего его подвергают дополнительному риформированию в печи путем добавления природного газа в количестве, обеспечивающем соотношение

где CH₄ молярное соотношение СH₄ в газовой смеси;
n_o степень окисления частично окисленного восстановительного газа, определяемая по формуле

где CO₂, H₂O, H₂, CO содержание соответствующих компонентов в газе.

Природный газ подают в реактор в количестве, равном 2 4 от объема частично окисленного газа. В качестве кислородсодержащего газа используют чистый кислород, воздух или их смесь.

Для переоборудования существующей традиционной установки прямого восстановления, чтобы проводить усовершенствованный способ изобретения, необходимо только установить подогреватель между существующими внешними установками риформинга и реактором для предварительного подогрева источника кислорода, смешиваемого с восстанавливающими газами, полученными во внешних установках риформинга, перед введением их в реактор. Кроме того, установка должна быть переоборудована таким образом, чтобы обеспечить избыток природного газа в качестве сырья, подаваемого в реактор наряду с частично окисленным восстанавливающим газом. Природный газ может быть подан в реактор или с частично окисленным восстанавливающим газом или, предпочтительно, непосредственно в зону восстановления реакции реактора в виде отдельного сырьевого потока от окисленного восстанавливающего газа.

С помощью модифицированного способа и переоборудования установки, как указано выше, производительность существующих установок прямого восстановления может быть повышена по крайней мере на 25 без необходимости в увеличении размеров существующего внешнего риформинга газа. Кроме того, стоимость переоборудования установки намного ниже, чем расходы на увеличение производительности по восстанавливающему газу существующих установок риформинга. Наконец, установки прямого восстановления, переоборудованные в соответствии с настоящим изобретением, предусматривают значительно сокращение потребляемой энергии примерно до 30
На фиг.1 схематически показана традиционная установка прямого восстановления для проведения внешнего риформинга восстанавливающего газа для использования в вертикальной шахтовой печи прямого восстановления.

На фиг.2 приведена схема, подобная схеме на фиг.1, показывающая модификации, осуществленные на действующей установке прямого восстановления, для проведения модифицированного способа прямого восстановления железной руды, в котором производительность установки повышается без необходимости в обеспечении увеличения производительности внешних установок риформинга.

На фиг.3 приведен график, иллюстрирующий увеличение производительности, полученное в соответствии с изобретением, и
На фиг.4 приведен график, иллюстрирующий снижение потребления энергии в расчете на природный газ, полученное в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 1 представлена схема традиционной установки прямого восстановления при осуществлении внешнего риформинга восстанавливающих газов для использования в вертикальной шахтной печи прямого восстановления. Ссылаясь на фиг. 1, в реактор для восстановления 1 подают по трубопроводу 2 исходный оксид железа, имеющий содержание железа между 60 и 70 масс. Реактор представляет собой печь вертикального шахтного типа, имеющую восстанавливающую зону 3, в которой оксиды металла контактируют с восстанавливающим оксидов железа восстанавливающие газы, используемые в практике восстановления внутри восстанавливающей зоны, получают вне зоны восстановления с помощью непрерывного процесса каталитического риформинга, осуществляемого во внешних установках риформинга 5, где углеводород такой, как природный газ или любой другой испаряющийся углеводород, контактирует с нагретым косвенным обогревом слоем катализатора в присутствии окислителя, чтобы получить горячий восстанавливающий газ, который состоит в основном из CO и Н₂, причем СО и Н₂ находятся в количестве, большем или равном 90 по объему. В соответствии с известными коммерческими процессами прямого восстановления газ риформинга находится в установке риформинга при температуре около 950^oC. Степень окисления газа риформинга, образовавшегося в установке риформинга, в идеальных ситуациях может быть такой большой, как 0,07. Обычно степень окисления газа риформинга находится между 0,04 и 0,07. Степень окисления определяется как

На фиг.1 газ риформинга, полученный в установках риформинга 5 и имеющий указанные выше характеристики, охлаждают в кондиционирующей установке 6 до температуры ниже 850^oC перед вводом газа риформинга в восстанавливающую зону 3 вертикальной печи шахтного типа 10. Для известных процессов, описанных здесь, является критическим охлаждение газа риформинга до температуры максимум 850^oС, чтобы обеспечивать поддержание максимальной температуры в зоне восстановления в интервале между 800 и 830^oС, чтобы избежать агломерации ПВЖ в восстанавливающей зоне.

Металлизованный продукт, полученный в известном способе, описанном выше на фиг. 1, восстановлен по крайней мере на 95 т.е. содержит по крайней мере 85 Fe.

До настоящего времени для улучшения производительности существующей установки прямого восстановления описанного выше типа, на фиг.1, чтобы увеличить получение ПВЖ, было необходимо увеличивать производительность внешних установок риформинга, т.е. увеличивать количество восстанавливающего газа, получаемого во внешних установках риформинга. Это может быть осуществлено только за счет введения дополнительных установок каталитического риформинга вне реактора прямого восстановления. Затраты на дополнительные установки каталитического риформинга очень высок из-за природы каталитического слоя и реакции реформинга.

На фиг.2 показаны модифицированные способ и установка для повышения производительности существующих установок прямого восстановления без необходимости введения дополнительных внешних установок риформинга в общую установку. На фиг.2 существующую установку прямого восстановления и способ модифицируют таким образом, чтобы обеспечить предварительный подогреватель 7 после внешней установки риформинга 5 для предварительного подогрева источника кислорода, который подают из предварительного подогревателя 7 по линии 8 в линию подачи сырья из внешних установок риформинга 5 в реактор 1 для смешивания предварительно подогретого источника кислорода с восстанавливающим газом, выходящим из установки риформинга. В соответствии с изобретением источник кислорода, которым может быть также воздух, или чистый кислород, или их смеси, предварительно подогревают в предварительном подогревателе до 650 - 900^oС, предпочтительно 750 850^oС. После этого предварительно подогретый источник кислорода смешивают с газом риформинга, выходящим из установки риформинга при 950^oС. При необходимости может быть использована кондиционирующая установка для нагрева газа риформинга из установки риформинга, однако в обычных рабочих условиях не требуется дополнительный подогрев. Поскольку предварительно подогретый источник кислорода смешивают с восстанавливающим газом, происходит частичное сжигание источника кислорода. Частичное сгорание повышает температуру подаваемого частично окисленного восстанавливающего газа по крайней мере, до 1100^oС. Это повышение температуры контролируют с помощью количества предварительно подогретого источника кислорода и подачи в поток восстанавливающего газа. Помимо повышения температуры подаваемый поток частично окисленного восстанавливающего газа имеет более высокую степень окисления, чем газ риформинга, полученный в установке риформинга, так что степень окисления подаваемого частично окисленного восстанавливающего газа находится между 0,10 и 0,17.

Поток частично окисленного восстанавливающего газа, как описано выше, после этого подают в зону 3 риформинга-восстановления реактора и контактируют с ПВЖ в присутствии природного газа внутри зоны риформинга-восстановителя. В соответствии с настоящим изобретением природный газ вводят, предпочтительно непосредственно в зону риформинга-восстановления по линии 9 для контактирования с сырьевым потоком частично окисленного восстанавливающего газа внутри зону риформинга-восстановления, причем ПВЖ работает в этой зоне как катализатор взаимодействия оксидов в подаваемом частично окисленном восстанавливающем газе с природным газом с образованием дополнительного восстанавливающего газа для реакции с оксидами металла, находящимися в зоне восстановления-риформинга, чтобы восстановить подаваемые оксиды металла в ПВЖ. Как отмечалось выше, в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно, чтобы природный газ подавали непосредственно в зону восстановления, однако, следует отметить, что природный газ может быть смешан с потоком частично окисленного восстанавливающего газа до ввода его в восстанавливающую зону реактора.

В соответствии с изобретением для обеспечения необходимого термического равновесия между потоком частично окисленного восстанавливающего газа и оксидами металла, чтобы сохранить процесс восстановления, газообразный метан подают в зону риформинга-восстановления реактора в соотношении по отношению к частично окисленному восстанавливающему газу в количестве, достаточном для поддержания соотношения природного газа к степени окисления подаваемого газового потока, т. е. между 0,5 и 0,7, где n_o определяется следующим образом:

На установке, которая была модифицирована, что составляет подачу природного газа в зону риформинга-восстановления, равную примерно 2 4 объемн. по отношению к подаче газового потока. При поддержании соотношения H₂ к СО в подаваемом газовом потоке больше 1,3, обеспечивающем избыток тепла от потока частично окисленного восстанавливающего газа, и подаче избытка природного газа в зону риформинга-восстановления реактора в определенном количестве, сохраняется термическое равновесие, так что проходит риформинг газа внутри зоны восстановления и сохраняется реакция восстановления оксидов металла.

При модификации ПВЖ процессов и установок, как указано выше, производительность установки возрастает более, чем на 25 без необходимости увеличивать производительность внешних установок риформинга. Кроме того, снижается суммарное потребление энергии. Все это осуществляется при капитальных вложениях, которые значительно ниже, чем те, которые могли бы потребоваться для получения подобного повышения производительности при добавлении увеличенных дополнительных внешних установок риформинга.

Известная установка прямого восстановления, построенная в соответствии с уровнем техники, описанным выше, и в коммерческой операции при CVG промышленном комплексе в Пуэрто Ордаз, Венесуэла была модифицирована и переоборудована в соответствии с изобретением. Модифицированный процесс в соответствии с изобретением привел к увеличению производительности в среднем за первые три месяца работы примерно до 20 т ПВЖ/час. На фиг.3 графически представлены результаты работы установки за первые три мес работы. В дополнение к этому, потребление энергии в виде расхода природного газа на тонну ПВЖ значительно снижено, как показано на фиг.4.

Изобретение может быть осуществлено другими путями, не выходя за пределы существенных признаков. Следовательно, настоящий вариант рассматривается как во всех отношениях иллюстративный и не ограничивающий область изобретения показана в формуле изобретения, а все изменения, которые входят внутрь значений и интервала эквивалентности, охватываются изобретением.

Сущность изобретения заключается в том, что в процессе окислительной конверсии получают восстановительный газ с температурой ниже 950^oС и степенью окисления (n_o) до 0,07, затем его смешивают с подогретым до 650 - 950^oС кислородсодержащим газом с получением частично окисленного газа с температурой по крайней мере 1100^oC и степенью окисленности 0,10 - 0,17, после чего его подвергают дополнительному риформированию в печи путем добавления природного газа в количестве, обеспечивающем соотношение , где СН₄ - молярное соотношение CH₄ в газовой смеси; n_o - степень окисления частично окисленного восстановительного газа, определяемая по формуле

где CO₂, H₂O, H₂, CO - содержание соответствующих компонентов в газе. В традиционной установке прямого восстановления устанавливают подогреватель между существующими внешними установками риформинга и реактором для предварительного подогрева источника кислорода, смешиваемого с восстанавливающими газами, полученными во внешних установках риформинга, перед введением их в реактор. Кроме того, установка должна быть переоборудована таким образом, чтобы обеспечить избыток природного газа в качестве сырья, подаваемого в реактор наряду с частично окисленным восстанавливающим газом. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ прямого восстановления железоокисного материала, включающий окислительную конверсию природного газа во внешних риформерах с получением восстановительного газа, содержащего по крайней мере 90 об. H₂ и CO, смешивание его с нагретыми газообразными реагентами и подачу полученного восстановительного газа в реактор прямого восстановления железоокисного материала, отличающийся тем, что в процессе окислительной конверсии получают восстановительный газ с температурой ниже 950^oC и степенью окисления n_o до 0,07, затем его смешивают с подогретым до 650 950^oC кислородсодержащим газом с получением частично окисленного газа с температурой по крайней мере 1100^oC и степенью окисления 0,10 0,17, после чего его подвергают дополнительному риформированию в печи путем добавления природного газа в количестве, обеспечивающем соотношение CH₄/n_o 0,5 0,7, где CH₄ молярное соотношение в газовой смеси, n_o степень окисления частично окисленного восстановительного газа, определяемая по формуле
n_o (CO₂ + H₂O)/(CO₂ + H₂O + H₂ + CO),
где CO₂, H₂O, H₂, CO содержание соответствующих компонентов в газе. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что природный газ подают в реактор в количестве 2 4% объема частично окисленного газа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего газа используют чистый кислород, воздух или их смесь. 4. Установка для прямого восстановления железоокисного материала, содержащая реактор прямого восстановления и систему подготовки восстановительного газа, включающую источники природного и кислородсодержащего газов, устройство для конвертирования природного газа и соединенный с трубопроводом конвертированного природного газа смеситель газов, отличающаяся тем, что она снабжена подогревателем, вход которого соединен с источником кислородсодержащего газа, а выход со смесителем газов, и расположенным после смесителя и соединенным с источником природного газа средством, обеспечивающим дополнительное перемешивание природного газа и полученного восстановительного газа в реакторе.