СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО ЖЕЛЕЗООКИСНОГО МАТЕРИАЛА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C21B13/00 C21B13/06 

Изобретение относится к области бескоксового получения железа в установках с псевдоожиженным слоем с использованием конвертированного газа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, известный из патента США A-5 082251, в котором обогащенную железом мелкую руду восстанавливают в системе из последовательно расположенных реакторов с псевдоожиженным слоем с помощью восстановительного газа при повышенном давлении. Таким образом полученный порошок железа затем подвергают горячему или холодному брикетированию.

Восстановительный газ получают путем каталитической конверсии обессеренного и предварительно подогретого природного газа с перегретым водяным паром. Затем газ охлаждают примерно до 425^oC в теплообменнике. После этого путем CO-конверсии с помощью катализатора на основе оксида железа в восстановительном газе повышают долю водорода согласно следующему уравнению:
H₂O + CO CO₂ + H₂
Затем образующиеся газы очищают в скруббере для CO₂, так что восстановительный газ состоит из свыше 90% H₂, очень незначительной доли CO, а также из CO₂, H₂O, N₂ и CH₄.

Этот газ смешивается с только частично израсходованным восстановительным газом (колошниковый газ), нагревают до 850^oC и в три стадии (три реактора) в противотоке восстанавливает мелкую руду.

Движение руды начинается с высушивания и последующего просеивания. Затем руда попадает в реактор предварительного подогрева, в котором сжигается природный газ. В трех последующих реакторах мелкая руда восстанавливается при повышенном давлении.

При этом способе восстановительный газ содержит очень высокую долю водорода, так что восстановление мелкой руды здесь протекает исключительно по реакции
_Fe₂O₃+3H₂ = 2Fe+3H₂O-ΔH,
которая сильно эндотермична.

Эта сильно эндотермическая реакция имела бы следствием значительное снижение температуры в реакторах. Для того, чтобы предотвратить это, в случае известного способа вынуждены повышать специфическое количество восстановительного газа на тонну губчатого железа значительно выше термодинамически требующегося минимального количества газа, так что температура реакции в последнем реактора составляет выше 700^oC.

Целью изобретения является устранение этих недостатков и трудностей и в его основу положена задача привлечения химического потенциала восстановительного газа для снижения потребности в энергии. В особенности в его основу положена задача значительно уменьшить производственные расходы, в особенности расходы на энергию, например, на величину более, чем 30%
Эта задача согласно изобретению решается тем, что как колошниковый газ, так и конвертированный газ подвергают промывке от CO₂ и в полученном путем смещения колошникового газа с конвертированным газом восстановительном газе устанавливается содержание H₂ в пределах 45 75% предпочтительно 50 65% и содержание CO в пределах 10 20%
Согласно изобретению восстановление медной руды осуществляют не исключительно по описанной выше в уровне техники сильно эндотермической реакций с H₂, а дополнительно по реакции:
Fe₂O₃+3CO = 2Fe+3CO₂+ΔH,
которая экзотермична. Образующийся при этом CO₂ не приводит ни к какому недостатку, так как он вымывается в скруббере для CO₂, через который пропускается колошниковый газ. Реакция CO с водородом по уравнению:
CO + 3H₂ CH₄ + H₂O
в случае предложенного в изобретении способа не является невыгодной, так как метан образуется только в очень незначительной концентрации, которая не вносит никаких недостатков.

Далее, существенно то, что содержание CO ограничено величиной 20% Если содержание CO выше этой величины, то это может приводить к затруднениям в установке, такое содержание может приводить к разрушению трубопроводов, по которым идет этот газ.

Благодаря отмывке от CO₂ согласно изобретению колошникового газа вместе с конвертированным газом удается простым образом оптимизировать содержание CO, а именно в том отношении, что имеет место реакция с CO, следовательно, возможно поддерживание нейтральным энергетического баланса (по сравнению с реакцией с H₂, которая эндотермична), однако надежно предотвращается разрушение трубопроводов, по которым идет газ.

Из патента ФРГ N A-25 26787 известен способ, согласно ограничительной части формулы изобретения, при котором в реакционный сосуд вводится метан с кислородом. Образование восстановительного газа происходит лишь внутри реактора, к которому через отдельный трубопровод подводится подвергнутый промывке от CO₂ колошниковый газ. Содержание CO составляет от 31,6% в первой реакционной стадии до 18,3% в последней реакционной стадии. Таким образом, в среднем оно выходит за заявленную максимальную область.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, согласно изобретению содержание водорода и CO в восстановительном газе устанавливают путем поддержания пониженного соотношения пар/природный газ, которое предпочтительно составляет 2,5 3,5. Таким образом, удается поддерживать температуру в зоне восстановления по существу постоянной.

Предпочтительно в восстановительном газе устанавливается содержание CH₄, которое составляет 8-35%
Для сведения к минимуму потребности в энергии согласно предпочтительному варианту осуществления прямое восстановление осуществляется в нескольких последовательно подключенных зонах восстановления с псевдоожиженным слоем, причем восстановительный газ идет противотоком к мелкодисперсному, содержащему оксид железа материалу от одной зоны восстановления к другой зоне восстановления и по меньшей мере в последней для восстановительного газа зоне восстановления с псевдоожиженным слоем подвергается частичному сжиганию за счет подвода кислорода.

Для того, чтобы во всех зонах восстановления с псевдоожиженным слоем установить примерно одинаково высокую постоянную температуру, предпочтительно дополнительно, смотря по обстоятельствам, прямо подводить свежеполученный восстановительный газ отчасти в отдельные зоны восстановления с псевдоожиженным слоем, следующие за первой в направлении потока восстановительного газа зоной восстановления с псевдоожиженным слоем, предпочтительно в количестве 5-15%
Согласно предпочтительному варианту прямое восстановление содержащего оксид материала осуществляется в нескольких подключенных последовательно зонах восстановления с псевдоожиженным слоем, причем для подогрева содержащего оксид железа материала в первом для этого материале псевдоожиженном слое применяется исключительно рециркулируемый из последовательно расположенных зон восстановления с псевдоожиженным слоем восстановительный газ.

Таким образом, используется исключительно заметная теплота отходящего газа из последовательно расположенных реакторов без сжигания газа. Этот подогрев может осуществляться в одну или несколько стадий.

Установка для осуществления способа содержит по меньшей мере один реактор с псевдоожиженным слоем для введения содержащего оксид железа материала, трубопровод для восстановительного газа к этому реактору с псевдоожиженным слоем и трубопровод отвода колошникового газа, печь для конверсии, выходящий от печи для конверсии трубопровод для конвертированного газа, который соединяется вместе с трубопроводом для колошникового газа, причем образовавшийся из конвертированного газа и колошникового газа восстановительный газ по трубопроводу для восстановительного газа попадает в реактор с псевдоожиженным слоем и скруббером для CO₂, при этом как трубопровод для конвертированного газа, так и трубопровод для колошникового газа впадают в CO₂-скруббер и трубопровод для восстановительного газа идет от CO₂-скруббера к реактору с псевдоожиженным слоем.

Дальнейшее сведение к минимуму потребности в энергии может достигаться согласно предпочтительному варианту осуществления благодаря тому, что множество реакторов с псевдоожиженным слоем расположено последовательно друг за другом, причем содержащий оксид железа материал идет от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через подающие трубопроводы в одном направлении, а восстановительный газ идет от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через соединительные линии в противоположном направлении и причем по меньшей мере в расположенный последним в направлении потока восстановительного газа реактор с псевдоожиженным слоем дополнительно к трубопроводу, подводящему выходящий из предыдущего реактора с псевдоожиженным слоем восстановительный газ, впадают трубопровод для подачи кислорода и в случае необходимости трубопровод для подачи природного газа.

Поддерживание постоянными температур во всех реакторах с псевдоожиженным слоем на одинаковой высоте согласно следующему варианту осуществления достигается благодаря тому, что множество реакторов с псевдоожиженным слоем расположены последовательно друг за другом, причем содержащий оксид железа материала движется от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через подающие трубопроводы в одном направлении, а восстановительный газ идет от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через соединительные трубопроводы в противоположном направлении, и причем реакторы с псевдожиженным слоем в отношении подвода восстановительного газа, наряду с последовательным подключением в отношении дополнительного подвода восстановительного газа, расположены параллельно.

На чертеже представлена схема способа согласно предпочтительному варианту осуществления.

Предложенная согласно изобретению установка состоит из четырех последовательно расположенных друг за другом реакторов с псевдоожиженным слоем 1 4, причем содержащий оксид железа материал, как мелкая руда, по трубопроводу для руды 5 подается в первый реактор с псевдоожиженным слоем 1 и направляется от одного реактора с псевдоожиженным слоем к другому реактору с псевдоожиженным слоем через подающие трубопроводы 6 и готовый восстановленный материал (губчатое железо) в устройстве для брикетирования 7 подвергается горячему или холодному брикетированию. В случае необходимости восстановленное железо защищают от повторного окисления во время брикетирования благодаря не представленной системе с инертным газом.

Перед введением мелкой руды в первый реактор с псевдоожиженным слоем она подвергается предварительной подготовке, как высушивание и просеивание, которая подробнее не представлена.

Восстановительный газ идет противотоком к потоку руды от реактора с псевдоожиженным слоем 4 к реакторам к псевдоожиженным слоем 3 1 и в виде колошникового газа через трубопровод 8 колошникового газа отводится из последнего в направлении потока газа реактора с псевдоожиженным слоем 1 и в "мокром" скруббере 9 охлаждается и промывается. Приготовление восстановительного газа осуществляют путем конверсии подводимого по трубопроводу 11 и обессеренного в установке для обессеривания 12 природного газа в печи для конверсии 10. Образовавшийся из природного газа и пара газ состоит, главным образом, из H₂, CO, CH₄, H₂O и CO₂. Этот газ через трубопровод 13 для конвертирования газа подается в несколько теплообменников 14, в которых он охлаждается до температуры окружающей среды, благодаря чему из газа выделяется путем конденсации вода.

Трубопровод 13 для конвертированного газа впадает в трубопровод 8 колошникового газа, после того, как колошниковый газ был сжат с помощью компьютера 15. Таким образом, полученный смешанный газ пропускается через CO₂-скруббер 16 и освобождается от CO₂ и теперь он представляет собой восстановительный газ. Этот восстановительный газ по трубопроводу для восстановительного газа 17 направляется в расположенный после CO₂-скруббера 16 подогреватель для газа 18, где нагревается до температуры восстановительного газа примерно 800^oC, и далее подается в первый в направлении газового потока реактор с псевдоожиженным слоем 4, где он реагирует с мелкой рудой для получения прямо восстановительного железа. Реакторы с псевдоожиженным слоем 4 1 расположены последовательно, восстановительный газ через соединительные трубопроводы 19 попадает из одного реактора с псевдоожиженным слоем в другой реактор с псевдоожиженным слоем.

Часть колошникового газа выводится из циркуляции газа 8, 17, 19, чтобы избежать обогащения инертными газами, как азот. Выведенный колошниковый газ по ответвляющемуся трубопроводу 20 подается в нагреватель газа 18 для подогрева восстановительного газа и там сжигается. Возможно недостающая энергия дополняется за счет природного газа, который подается по трубопроводу 21.

Заметная теплота выходящего из печи для конверсии 10 газа, а также дымовых газов печи для конверсии используется в рекуператоре 22, чтобы предварительно подогреть природный газ после прохождения через установку 12 для обессеривания, создать для процесса конверсии необходимый пар, а также подогреть подаваемый в нагреватель для газа через трубопровод воздуха для сжигания, а также в случае необходимости подогреть восстановительный газ.

Подаваемый в печь для конверсии по трубопроводу 24 воздух для сожжения также подогревается.

Для того, чтобы избежать снижении температуры в первом в направлении потока руды реактора с псевдоожиженным слоем 1, может быть предпочтительным сжигание части выходящего из второго реактора с псевдоожиженным слоем 2 восстановительного газа в первом реакторе с псевдоожиженным слоем, причем для этой цели в первый реактор с псевдоожиженным слоем вводятся (впадают) трубопровод для подачи кислорода 25 и, в случае необходимости, трубопровод для подачи природного газа 26.

Для того, чтобы во всех реакторах с псевдоожиженным слоем 1 4 поддерживать постоянно на одинаковом уровне температуру реакции и благодаря этому достигать дальнейшего снижения потребности в энергии, горячий и свежий восстановительный газ прямо через отходы 27 подается в реакторы с псевдоожиженным слоем 1 3, которые расположены последовательно за первым в направлении потока восстановительного газа реактором с псевдоожиженным слоем 4, между прочим в количестве примерно 10% в каждый реактор с псевдоожиженным слоем 1, 2 и 3. Реакторы с псевдоожиженным слоем 1 4 таким образом в отношении подвода восстановительного газа расположены не только последовательно, но и, что касается подвода незначительной части восстановительного газа, также параллельно, в противоположность чему реакторы с псевдоожиженным слоем 1 4, что касается отвода, соответственно дальнейшего направления восстановительного газа, в случае представленного примера осуществления расположены исключительно последовательно.

Благодаря применению четырех реакторов с последовательным слоем 1 4 для осуществления прямого восстановления (при избежании реактора для подогрева), по сравнению с уровнем техники, приходят к дальнейшему уменьшению потребности в энергии и к сведению к минимуму потерь на распыливание.

Пример. В изображенной на чертеже установке с почасовой производительностью 70 т/ч подвергнутого горячему брикетированию железа вводят во взаимодействие 100 т/час мелкой руды, 12200 норм. м³/час природного газа с 43300 норм. м³/час пара с получением 76600 норм. м³/час конвертированного газа. Температура в печи для конверсии составляет 830^oC, давление 18,5 бар. Количество природного газа, необходимое для нижней топки печи для риформинга, составляет 6200 норм. м³/час. Анализы соответствующих газов и мелкой руды представлены в табл. 1.

Холодный конвертированный газ, 50000 норм. м³/ч, смешивают со 145000 норм. м³/ч рециркулированного колошникового газа и подают в скруббер для CO₂, где он освобождается от CO₂. Газ, 182000 норм. м³, имеет следующий анализ, представленный в табл. 2.

Этот газ предварительно подогревается в газонагревателе до 800^oC. Для этого расходуется примерно 5500 норм. м³/ч колошникового газа и 4600 норм. м³/ч природного газа.

Анализ колошникового газа следующий
CH₄ 17,0
CO₂ 4,40
CO 4,90
H₂ 39,90
H₂O 18,90
N₂ 14,90
Брикетированное путем горячего брикетирования железо имеет степень металлизации (Fe_мет/Fe_ges) 92%

Сущность изобретения: в способе прямого восстановления мелкодисперсного, содержащего оксид железа, материала с псевдоожижением осуществляют паровую конверсию природного газа и полученный конвертированный газ смешивают с образующимся при прямом восстановлении колошниковым газом и в качестве восстановительного газа подают в зону восстановления с псевдоожиженным слоем. Колошниковый газ и конвертированный газ подвергают отмывке от CO₂ после их смешивания, при этом газы смешивают в соотношении, обеспечивающем содержание H₂ в пределах 45 - 75%, предпочтительно 50 - 65% и содержание CO в пределах 10 - 20%. В процессе конверсии соотношение пара и природного газа поддерживают равным 2,5 - 3,5, а содержание CH₄ в восстановительном газе - 8-35. Процесс прямого восстановления осуществляют в нескольких, например четырех, реакторах с псевдоожиженным слоем. Реакторы связаны между собой противоположно направленными перегрузочными узлами и трубопроводами восстановительного газа. Последний по ходу движения восстановительного газа оборудован трубопроводами, соединенными с источником кислорода и природного газа. К каждому реактору, кроме первого по ходу восстановительного газа, подведен трубопровод свежего восстановительного газа. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ восстановления мелкодисперсного железоокисного материала в псевдоожиженном слое, включающий паровую конверсию природного газа, смешивание конвертированного газа с колошниковым, очистку от CO₂, нагрев и подачу полученного смешиванием восстановительного газа в зону восстановления, отличающийся тем, что очистке от CO₂ подвергают восстановительный газ после смешивания, при этом газы смешивают в соотношении, обеспечивающем содержание H₂ в восстановительном газе в пределах 45 75% а содержание CO в пределах 10 20%
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение пара и природного газа в процессе конверсии поддерживают равным 2,5 3,5. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержание CH₄ в восстановительном газе поддерживают равным 8 35%
4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что восстановление осуществляют в нескольких расположенных последовательно друг за другом зонах с псевдоожиженным слоем с подводом материала и восстановительного газа противотоком от одной зоны восстановления к другой, причем в последнюю по ходу восстановительного газа зону дополнительно вводят кислород. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что при необходимости в зоны восстановления, следующие за первой по ходу газа зоной, дополнительно подают свежий восстановительный газ в количестве 5 15%
6. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что восстановление осуществляют в нескольких расположенных последовательно друг за другом зонах с псевдоожиженным слоем, причем в первой по ходу движения материала зоне осуществляют подогрев материала исключительно за счет колошникового газа, отходящего из последовательно расположенных последующих зон восстановления. 7. Установка для восстановления мелкодисперсного железоокисного материала в псевдоожиженном слое, содержащая по меньшей мере один реактор с псевдоожиженным слоем, оборудованный загрузочным и разгрузочным средствами, трубопроводами восстановительного и колошникового газов, печь для конверсии с трубопроводами природного и конвертированного газов, последний из которых соединен с трубопроводом колошникового газа, и скруббер для удаления CO₂, отличающаяся тем, что скруббер для удаления CO₂ установлен в трубопроводе восстановительного газа между реактором псевдоожиженного слоя и местом соединения трубопроводов колошникового и конвертированного газов. 8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что она содержит множество реакторов с псевдоожиженным слоем, расположенных последовательно друг за другом и соединенных между собой противоположно направленными перегрузочными узлами и трубопроводами восстановительного газа, при этом последний по ходу движения восстановительного газа реактор снабжен трубопроводом, соединенным с источником кислорода. 9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что последний по ходу движения восстановительного газа реактор псевдоожиженного слоя снабжен трубопроводом, соединенным с источником природного газа. 10. Установка по пп.7 9, отличающаяся тем, что каждый реактор псевдоожиженного слоя, кроме первого по ходу восстановительного газа, снабжен дополнительным трубопроводом подачи свежего восстановительного газа. 11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что она содержит последовательно соединенные четыре реактора с псевдоожиженным слоем.