СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКИСЛОВ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1998 года по МПК C21B13/00 

Отходы газов из плавильно-восстановительных печей имеют высокую температуру и могут содержать существенные количества восстанавливающих газов, таких, как окись углерода и водород. Было бы экономично регенерировать по меньшей мере часть этого тепла и использовать часть восстановительного потенциала газов.

Известен ряд способов, касающихся либо предварительного нагрева, либо предварительного восстановления окислов металлов из руд. Известны также способы, объединяющие оба признака. Так, в способе [1] большое количество восстановителя используется вместе с высокими температурами в попытке преодолеть низкую скорость восстановления хромистовой руды. Однако улучшение скорости достигается за счет температуры подогрева. Может возникнуть необходимость в дополнительных стадиях обработки, включающих охлаждение, дробление и просеивание, где требуется повторная циркуляция дополнительного восстановителя.

Способ [2] использует просеянную, неагломерированную руду. Подогрев и предварительное восстановление проводятся без каких-либо других стадий обработки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ предварительного нагрева и восстановления окислов металлов, включающий их загрузку и подачу горячего восстановительного газа в камеру [3].

Температура отходящих газов согласно этому способу находится в диапазоне 1040-1650^oC, однако температура флюидизированного слоя должна лежать в диапазоне 565-816^oC во избежание спекания и шлакообразования частиц в этом слое при более высоких температурах.

Технической задачей изобретения является создание способа предварительного нагрева и восстановления окислов металлов, в котором горячий восстановительный газ имеет температуру гораздо выше той, при которой частицы окисла металла и/или частицы, содержащиеся в потоке восстановительного газа, обнаруживают характеристики вязкости, и при этом агломерация и настыль значительно уменьшены или отсутствуют.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что при подаче горячего восстановительного газа с температурой, превышающей температуру вязкости частиц окислов металлов, формируют спутное движение обрабатываемых частиц окислов металлов и восстановительного газа.

Частицы окисла металла проявляют характеристики вязкости, когда нагреваются до температурного диапазона, в котором одна или несколько фаз, присутствующих в окисле, существуют как жидкости, а остальные фазы продолжают существовать в твердом состоянии. Это обычно происходит сначала при эвтектической или перитектической точке в многокомпонентной системе. Когда все присутствующие фазы существуют в жидкой форме, частицы окисла больше не проявляют характеристик вязкости. Температура, при которой частицы окисла металла начинают проявлять характеристики вязкости и диапазон температур, выше которого эти характеристики присутствуют, меняются в зависимости от окисла металла и минеральной смеси. В нижней части диапазона - системы, такие, как Al₂O₃-FeO-SO₂ и FeO-Fe₂O₃-SiO₂, где некоторые композиции бывают жидкими при 1150^oC. В верхней части - системы, такие, как CaO-MgO-SiO₂, в случаях, если масса железа или других металлов была удалена из потоков и минералов руды. Такие системы имеют точки плавления около 1300-1350^oC. В общем, вязкость, связанная с металлизацией железа, может проявляться при температурах ниже 600^oC, но наиболее быстро появляется при температурах свыше 1000^oC. Этот порог увеличивается на 100-200^oC при нагревании руд, содержащих марганец или хром.

Горячим восстанавливающим газом может быть газ синтеза, полученный непосредственно от сгорания природного газа или угля в присутствии пара. Однако предпочтителен горячий восстановительный газ, который остается в плавильных печах. Такие газовые отходы обычно содержат окись углерода и водород. Кроме того, горячие газовые отходы из плавильно-восстановительной печи часто содержат частицы руды с окисью металлов, частицы руды, которые были частично восстановлены, и капли металла. Температура выхода таких газовых отходов обычно превышает температуру вязкости. Следовательно, при охлаждении газовых отходов следует позаботиться о том, чтобы избежать агломерации частиц и настыли на устройстве.

Агломерации и отложения вязких частиц можно избежать использованием одной или комбинации двух технологий. Первая включает быстрое нагревание частиц окисла металла до температуры, гораздо превышающей температурный диапазон вязкости, и после короткого интервала быстрое охлаждение частиц до температуры ниже температурного диапазона вязкости. Вторая технологическая процедура состоит в нагревании частиц окисла до несколько меньшей температуры, которая тем не менее способствует нагреванию некоторых частиц до температуры, превышающей температурный диапазон вязкости, и пропускании частиц потоками так, что коллизии горячих вязких частиц между собой и устройством сведены к минимуму. Это обеспечивает поддержание частиц металлического окисла в температурном диапазоне вязкости более продолжительный срок. Этого можно добиться снижением вначале скорости потока от первого конца вертикальной камеры ко второму концу и последующим повышением скорости при приближении потока ко второму концу. Таким образом входящие частицы первоначально захватываются, или, если они присутствуют в горячем восстановительном газе, остаются захваченными высокоскоростным входным потоком, но при снижении скорости потока при его продвижении ко второму концу некоторые из частиц выбрасываются из потока и падают назад к первому концу. Остается частица захваченной или нет - зависит от ряда факторов, включающих ее плотность, размер, поверхностную площадь, огрубление поверхности и ее позицию в потоке. Частицы, остающиеся захваченными в потоке, охлаждаются до температурного диапазона вязкости до того, как они достигают выхода на втором конце, и частицы, которые падают к первому концу, также охлаждаются ниже температурного диапазона вязкости до того, как они опять захватываются высокоскоростным входным потоком восстановительного газа.

Изобретение предусматривает также камеру обработки для подогрева и предварительного восстановления окислов металлов способом по изобретению. Внутренняя конфигурация камеры и входные трубки для восстановительного газа выбираются с такими параметрами, чтобы способствовать подогреву и восстановлению, в то же время сводя к минимуму агломерацию и настыль.

Камера обработки включает корпус, первый и второй концы, вход в первом конце и выход во втором. Корпус и каждый из концов определены стенками, сужающимися на конус от корпуса к входу и выходу, соответственно. Площадь поперечного сечения корпуса во много раз больше площади сечения входа и выхода. Далее, камера достаточно удлинена, с тем, чтобы в ней можно было создать структуру потока, описанную выше, при вертикальной ориентации.

Изобретение предусматривает также устройство для расплава руды окисла металла, которое включает в себя камеру обработки, описанную выше.

Неожиданным преимуществом настоящего изобретения является то, что оно позволяет закаливать отходы газов, гарантируя в то же время, что любые вязкие твердые вещества или другой захваченный материал охлаждается до температур, при которых агломерация и настыль значительно уменьшены или отсутствуют. Однако, если газовые отходы содержат относительно высокое количество вязких твердых веществ, может возникнуть необходимость изменить некоторые параметры способа, такие, как скорость введения свежих твердых частиц.

На фиг. 1 показан один вариант изобретения. Газовые отходы поступают от расплава к камере подогрева и восстановления. Свежая руда также подается к этой камере, а оттуда к камере оседания и, наконец, к реактору жидкой ванны. На фиг. 2 показан другой вариант изобретения с двумя камерами подогрева и восстановления, работающими последовательно. На фиг. 3, a и b показан другой вариант камеры обработки в соответствии с изобретением.

Один вариант изобретения будет описан с конкретной ссылкой на хромитовую руду, но он может использоваться с любой другой окисной рудой. Однако, он предназначен для окисных руд, "точка вязкости" которых имеет температуру или близка к температурному диапазону, при котором происходит быстрое восстановление. Некоторые окисные руды содержат более одного металла. Например, хромит содержит железо, а также хром. Восстановление обоих металлов или одного является преимуществом. Следует признать, что восстановление может не восстановить все окислы или окисные компоненты.

Изобретение может использоваться вместе с любым реактором, который дает газовые отходы при повышенной температуре с восстановительным потенциалом. Оно находит особое применение с реактором жидкой ванны, например жидкой ванны ферросплава для восстановления хромитовой руды. При использовании газовых отходов способ по изобретению выполняет функции и/или нагревания измельченного материала и газовых отходов и закалки. Любое вязкое или расплавленное вещество, захваченное газовыми отходами, может прилипать к мелким частицам. Во многих случаях наличие некоторого количества этого вещества вполне приемлемо.

Изобретение использует часть химической энергии и тепло, полученное из пирометаллургического реактора для подогрева и восстановления руд металлических окислов. В одном варианте эти частицы руды окисла могут нагреваться до очень высокой температуры, чтобы повысить скорость восстановления окислов металлов. Даже если используемые температуры ниже тех, при которых вязкость частиц значительна в определенном предпочтительном варианте, способ изобретения дает преимущество над известным уровнем, снижая контакт частиц в потоке газа друг с другом и стенками.

Частицы далее быстро охлаждаются ниже их температуры вязкости. По сути говоря, горячие газовые отходы от источника вводятся через входную трубку или трубки, расположенные рядом с одним концом удлиненной подогревающей и восстанавливающей камеры. Предпочтительно, чтобы трубка или трубки располагались аксиально или близко к оси камеры.

Площадь поперечного сечения камеры должна быть значительно больше площади трубок, чтобы сделать минимальным прямой контакт газовых отходов со стенками камеры.

Частицы окисла предпочтительно должны вводиться в камеру в месте или местах, находящихся в непосредственной близости с местами ввода газовых отходов. Вход или входы для руды должны быть сориентированы с направлением основного потока газов и оси камеры. Газам, несущим частицы окисла, можно также придать завихрение. Частицы окисла могут подаваться из накопителя или другой камеры, работающей вместе с первой. Транспортируются частицы к камере любым подходящим газом, включающим газовые отходы, который был полностью окислен.

Частицы окисла вводятся в поток газовых отходов в камеру обработки таким образом, что они захватываются всем потоком газа, сводя к минимуму контакт между частицами и внутренними поверхностями. Частицы мелкого металлического окисла быстро нагреваются до очень высокой температуры, контактируя с горячими газовыми отходами. Предполагается, что определенные структуры потока, устанавливающиеся внутри камeры у стенок, выполняют основную роль в предотвращении образования настыли и агломерации. Тепло уходит через стенку камеры. На стадии выхода из камеры температура частиц в структуре потока падает ниже температуры вязкости.

Контакт между горячими частицами окисла можно сделать минимальным, изменяя относительные пропорции горячего газа и окисла металла. Обычно количество газа "заданное", и зависит от работы печи. Так, скорость подачи новых частиц окиси металла приравнивается к потоку газа. Этот фактор также следует принимать в расчет в конструкции камеры, например, чтобы избежать ненужных замедлений и поддерживать скорость потока газа, который после введения в камеру должен быть аксиальным.

Камера может быть снабжена выпором, и в этом случае частицы охладятся больше до попадания на следующую ступень обработки.

Как упоминалось ранее, внутренняя конфигурация камеры и внутренние отверстия выбираются такими, чтобы свести к минимуму агломерацию частиц и настыль на внутренних поверхностях. Форма каждого отверстия или входной трубки выбирается такой, чтобы внутренние поверхности были гладкими, закругленными с минимумом мертвой зоны для снижения или избавления от агломерации частиц из реактора жидкой ванны вокруг отверстия или трубки.

Когда частицы восстановились до желаемой температуры, их можно вывести из камеры и подвергнуть дальнейшей обработке, например в циклоне.

Нужного температурного градиента можно достичь посредством наружного охлаждения.

Время прохождения частиц в регионе повышенной температуры можно контролировать, регулируя скорости одного или обоих потоков газовых отходов и несущего газа.

Надо сказать, что частицы окисла могут пропускаться через камеру однократно или несколько раз по необходимости.

В одном варианте изобретения флюс или флюсы могут добавляться либо к свежей порции окисла, либо к порции повторной циркуляции, причем флюс или флюсы идут с газом захвата.

Полезно вводить углеродистый материал и кислородосодержащий газ, который при сгорании увеличивает температуру внутри камеры для повышения скорости восстановления.

Обратимся теперь к более подробному рассмотрению использования газовых отходов, например, реактора жидкой ванны, которые содержат относительно высокую концентрацию окиси углерода и водорода, выходная температура этих газов может колебаться от 1400^oC до 1800^oC.

Эти газовые отходы пропускаются в камеру обработки 1, как показано на фиг. 1, где они идут через входную трубку 2 в камеру. Трубка 2 располагается вверх от отверстия 3 и 4, через которые в несущем газе проходит свежая руда. (Расположение вверху является общепринятым). Пространственное расположение трубки 2 по отношению к отверстиям 3 и 4 и внутренние размеры 1 выбираются таким образом, чтобы способствовать быстрому восстановлению частиц руды в общем регионе около отверстий 3 и 4 с последующим охлаждением при их дальнейшем прохождении в камеру. Таким образом расплав частиц минимален и вязкость снижена. Геометрия трубки 2 и отверстий 3 и 4 и их пространственная связь оптимально выбираются с тем, чтобы уменьшить контакт частиц со стенкой камеры, уменьшая или препятствуя образованию отложений на стенке. Скорость потока прогрессивно возрастает благодаря прогрессивному уменьшению площади поперечного сечения камеры у ее выхода. В результате этих изменений скорости можно установить структуры потока, которые уменьшат способность частиц к агломерации или образованию настыли на устройстве.

Газ и захваченные твердые вещества проходят к сепаратору 5, из которого отработанный газ поступает к очистителю. Твердые вещества из 5, которые еще удерживаются в газе, подаются на разделитель потока 6. Все твердые вещества могут пропускаться к реактору жидкой ванны 7, либо часть их может возвращаться к камере обработки 1.

Рассмотрим теперь фиг. 2, здесь имеются две последовательно соединенные камеры обработки 8 и 9. Газовые отходы из реактора жидкой ванны 10 пропускаются к камере 8, где они объединяются с захваченными твердыми частицами, выходящими из сепаратора, камеры 9 и из источника свежей порции (не показан). Газ и твердые частицы из камеры 8 пропускаются к сепаратору 12, отделенный газ идет к камере 9, а твердые частицы к расщепителю 13. Твердые частицы из расщепителя 13 разделяются, одна часть пропускается к реактору 10, а другая - к камере 9. Трубка и отверстия в камерах 8 и 9 подобны тем же, что в камере 1 в варианте, показанном на фиг. 1.

В варианте, показанном на фиг. 2, свежие твердые частицы вводятся в более прохладную камеру обработки 9 до того, как они пропускаются через сепаратор 11 в более горячую камеру 8.

В обоих вариантах, показанных на фиг. 1 и 2, твердые частицы, которые пропускаются к соответствующему реактору жидкой ванны, поступают через верхнюю часть реактора, но могут вводиться в других частях реактора. В верхней части реактора входное отверстие может быть отдельным или объединено с входным отверстием для кислородосодержащего газа, например через кольцо, окружающее входное отверстие для кислородосодержащего газа.

В варианте фиг. 3, a и b более холодный измельченный материал вводится в камеру 14 у выхода из камеры, но рядом со стенками камеры, с тем, чтобы создать падающий шлейф более холодных частиц рядом с внутренней поверхностью. Эти частицы при падении в направлении входной трубки камеры для газовых отходов захватываются потоком газовых отходов и выходят из камеры через выходную трубку для газа и твердых частиц. Частицы поступают в камеру 14 через внутренний круглый распределитель 15. Падающий шлейф обозначен 16 на фиг. 3, b, вид его поперечного сечения дается по линии A-A фиг. 3, a. Трубка 17 и отверстия 18 и 19 той же конструкции, что на фиг. 1.

Горячие твердые частицы с тенденцией к агломерации во время предшествующей обработки не всегда легко вводятся в жидкие ванны через фурмы или инжекторы. Поскольку частицы сильно измельчены, подогретые твердые вещества по настоящему изобретению легко подаются и вводятся в процесс жидкой ванны.

В обоих вариантах фиг. 1 и 2 пунктирная стрелка слева от чертежа указывает введение углеродистого материала и кислородосодержащего газа. Однако надо тщательно отнестись к выбору места введения, с тем, чтобы не мешать механизму быстрого нагрева частиц с последующим охлаждением. Скорость восстановления может быть также повышена введением, например, окиси углерода через трубку 2.

В описании термин "кислородосодержащий газ" означает чистый кислород и газ, содержащий кислород, включающий воздух и обогащенный кислородом воздух.

В описании термин "углеродистый материал" означает любой с углеродным основанием материал, который при сгорании дает нужную высокую температуру и включает: антрацит, битуминозный или суббитуминозный уголь, коксующийся или пропаренный уголь, лигнин или бурый уголь, обожженный лигнин и бурый уголь, группы тяжелого бензина и природный газ. Лигнин и бурый уголь могут быть уплотнены с использованием способа, раскрытого в патентах Австралии 561584 и 588565 и заявке 5 52422/86. Способ получения угля из такого уплотненного продукта раскрыт в заявке Австралии 52234/86.

В описании реактором жидкой ванны, из которого подаются горячие газовые отходы, может быть, например, один из следующих: реактор жидкой ванны железа, реактор глубокой обработки шлака, реактор ванны ферросплава или любой другой реактор ванны пирометаллургического процесса, который выделяет газовые отходы.

Это изобретение предусматривает также камеру обработки для подогрева и предварительного восстановления окисной руды, которая содержит:
1. Резервуар, предназначенный включать и направлять поток частиц окисла и восстановительного газа с высокой температурой;
2. Отверстие или отверстия для частиц окисла, захваченных несущим газом; и
3. Входную трубку или трубки для восстановительных газов; причем отверстие (я) и входная (ые) трубка (и) с такой конструкцией, что частицы окисла сначала подвергаются условиям восстановления, а затем охлаждаются, чтобы не допустить агломерации и слипания.

Изобретение предусматривает также устройство для расплава руды окиси металла, которое в комбинации включает:
1. Реактор жидкой ванны для расплава руды;
2. Средство для отведения газовых отходов от реактора к камере или камерам обработки, как указано выше;
3. Средства для инжекции свежей руды окисла металла или руды окисла металла, которая была подогрета и частично предварительно восстановлена, в камеру или камеры;
4. Средство для подачи частиц окисла, захваченных газом, из камеры или камер к сепаратору или сепараторам газ/твердые частицы; и
5. Средство для подачи по меньшей мере части отделенных твердых частиц и части газа к реактору, и при желании - части к камере или камерам.

Очевидно, что изобретение в общих аспектах не ограничивается до специфических признаков, указанных выше.

Сущность: изобретение касается предварительного нагрева и предварительного восстановления рудных окисных материалов с использованием газовых отходов высокой температуры. Способ включает введение рудных частиц и подачу в камеру горячего восстановительного газа с температурой выше температуры вязкости частиц окисла металла, вследствие чего частицы быстро нагреваются и принимают структуру потока, при которой их контакт между собой и внутренней поверхностью камеры обработки сводится к минимуму. Потоки захваченных частиц и восстановительного газа совпадают. Камера обработки удлинена в направлении движения потока и описана в спецификации. Горячие газовые отходы могут быть получены от реактора жидкой ванны и содержать высокие концентрации окиси углерода и водорода. Для избежания образования агломерации и настылеобразования частицы руды после нагрева до температуры, выше температуры их вязкости, резко охлаждают до температуры ниже температуры вязкости частиц. Структура потока частиц окислов металлов представляет собой структуру с минимальным контактом между ними. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ предварительного нагрева и восстановления окислов металлов, включающий их загрузку и подачу горячего восстановительного газа в камеру, отличающийся тем, что горячий восстановительный газ подают в камеру с температурой, превышающей температуру вязкости частиц окислов металлов, и формируют спутное движение обрабатываемых частиц окислов металлов и восстановительного газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы окислов металлов нагревают до температуры, превышающей температуру их вязкости, а затем резко охлаждают до температуры ниже температуры вязкости частиц окислов металлов. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в камере формируют структуру потока частиц окислов металлов с минимальным контактом между ними, а частицы, нагретые до температуры, превышающей температуру их вязкости, охлаждают до температуры ниже температуры вязкости до контакта с внутренними стенками камеры. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что загрузку частиц окислов металлов в камеру осуществляют посредством газа-носителя. 5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что формирование структуры потока частиц окислов металлов с минимальным контактом между ними осуществляют за счет постепенного снижения скоростей потока частиц в газе-носителе и горячего восстановительного газа и последующего их увеличения в направлении от места ввода восстановительного газа к месту его выхода. 6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что в качестве восстановительного газа используют газы, отходящие из плавильно-восстановительной печи. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что отходящие из плавильно-восстановительной печи газы имеют температуру 1400 - 1800^oС. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют хромитовую руду. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток частиц окислов металлов и восстановительного газа закручивают потоком частиц окислов металлов в газе-носителе. 10. Способ по пп.1 - 9, отличающийся тем, что часть окислов металлов подвергают рециркуляции.