СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГОРЯЧЕГО ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ГАЗА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КУСКОВОЙ РУДЫ МЕТАЛЛА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C21B13/00 

Изобретение относится к получению горячего восстановительного газа, содержащего СО и Н₂ и служащего для восстановления кусковой руды металла, в частности железной руды, по которому восстановительный газ образуется в газификационной зоне путем газификации носителей углерода, в частности угля, при подаче кислорода, а затем его охлаждают до температуры восстановительного газа, подходящей для процесса восстановления, и к установке для осуществления этого способа.

Способ описанного выше типа известен, например, из DE-C - 3034539 и из ЕР-В - 0114040. В этих известных способах в плавильно-газификационной зоне образуется чушковый чугун или полуфабрикат стали путем выплавления из по крайней мере частично восстановленного губчатого железа при подаче носителей углерода и кислородсодержащего газа и вырабатывается восстановительный газ, содержащий СО и H₂. Восстановительный газ, образующийся в плавильно-газификационной зоне, имеет температуру в диапазоне 1000-1200^oС. При этой температуре происходит разложение высвобождающихся углеводородных соединений. Кроме того, при таких температурах содержание СО₂ и Н₂О падает ниже 6% для СО₂ и 4% для Н₂О, поскольку они превращаются в СО и Н₂.

Для того чтобы использовать в восстановительном реакторе этот очень горячий восстановительный газ перед вводом в восстановительный реактор должен быть охлажден. Например, по DE-C - 3034539 для этой цели применяют форсуночный охладитель с последующей промывкой в башенном скруббере. Часть восстановительного газа, охлажденного таким образом, примешивают к восстановительному газу, выходящему из плавильно-газификационной зоны. Такое традиционное охлаждение восстановительного газа за счет охлажденного восстановительного газа того же типа до ~700-900^oС предотвращает начинающееся плавление частиц руды в восстановительной зоне во время восстановления руды, но без снижения восстановительного потенциала восстановительного газа.

Недостаток этого способа заключается в том, что восстановительный газ, охлажденный таким образом, термодинамически нестабилен, поскольку из моноокиси углерода в соответствии с равновесием Будуара образуется двуокись углерода и углерод, так же как в соответствии с гетерогенным равновесием вода-газ происходит реакция моноокиси углерода с водородом с образованием воды и углерода, которая, так же как и первая реакция, является экзотермической. Это приводит к повышению температуры восстановительного газа и, следовательно, температуры материала в печи, где начинается образование агломератов. Таким образом, осуществляется воздействие не только на процесс восстановления, но и на выработку материала в восстановительной зоне.

В FR-A - 2236951 описан способ, в котором горячий восстановительный газ, образующийся в электропечи, подается в восстановительную шахту, расположенную непосредственно над электропечью, и после входа в восстановительную шахту охлаждается путем нагнетания воды, водяного пара, двуокиси углерода, углеводородов или другой охлаждающей среды для предотвращения агломерации частиц материала, содержащего оксид металла, в восстановительной шахте. В охлажденном таким образом восстановительном газе относительно велико содержание СО₂ и Н₂О.

В FR-A - 766167 описан способ, в котором горячий восстановительный газ, образующийся в плавильном агрегате, подают непосредственно в восстановительную камеру, при этом он охлаждается в области купола плавильного агрегата, то есть до подачи в восстановительную камеру. Охлаждение производится или за счет подачи отработанного восстановительного газа после удаления углекислоты, или за счет подачи смеси углекислоты или водяного пара и угля, чтобы предотвратить агломерацию загрузочного материала в восстановительной камере.

Изобретение направлено на устранение этих недостатков и трудностей и ставит своей задачей создание способа первоначально описанного типа и установки для осуществления этого способа, обеспечивающих получение восстановительного газа в температурном диапазоне, подходящем для восстановления руды металла, то есть ниже температуры, при которой могут начаться явления плавления и закупорки (образования агломератов) в по крайней мере частично восстановленной руде металла. Более того, должно быть оптимизировано содержание Н₂О/СО₂ восстановительного газа и устранено химическое воздействие на металлические компоненты газонесущих систем, то есть реакторов и газопередающих трубопроводов, встроенных конструкций и т.д.

При помощи способа описанного выше типа эта задача решается за счет того, что путем ввода Н₂О и/или СО₂ - чтобы предотвратить реакцию Будуара и гетерогенную водогазовую реакцию и, следовательно, нагрев восстановительного газа и руды металла - восстановительный газ, который был подвергнут охлаждению без увеличения содержания Н₂О/СО₂ в восстановительном газе, преобразуют в восстановительный газ, термодинамически более стабильный при восстановительной температуре.

Путем избирательного ввода Н₂О и/или СО₂ избирательно регулируют или предотвращают термодинамически обусловленное разложение восстановителей СО и Н₂. В восстановительном газе регулируют диапазоны концентраций, в которых сильно экзотермические реакция Будуара и гетерогенная водо-газовая реакция подавляются так, что предотвращается нежелательное повышение температуры восстановительного газа. В то же время, этим способом контролируется степень окисления восстановительного газа и подавляется химическое воздействие на металлические компоненты.

Предпочтительно Н₂О и/или СО₂ вводят в количествах, обеспечивающих почти полное равновесие Будуара и гетерогенное водогазовое равновесие восстановительного газа при температуре, подходящей для процесса восстановления.

Охлаждение восстановительного газа предпочтительно осуществляют путем подачи охлаждающего газа того же типа и/или доменного газа.

Ввод Н₂О целесообразно осуществлять путем подачи водяного пара, а ввод СО₂ - путем подачи СО₂-содержащего газа.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения подачу СО₂ в восстановительный газ по крайней мере частично осуществляют за счет того, что в восстановительный газ подают восстановительный газ, прореагировавший в процессе восстановления, так называемый доменный газ.

Могут быть также использованы и другие газы, содержащие О₂, например продукты очистки от СО₂.

Чтобы обеспечить интенсивное охлаждение восстановительного газа к нему предпочтительно примешивают охлажденный восстановительный газ того же типа, что само по себе известно, а в охлажденный восстановительный газ того же типа вводят Н₂О и/или СО₂.

Установка для осуществления способа, включающая по крайней мере один восстановительный реактор с входящими в него транспортировочным трубопроводом руды металла и трубопроводом восстановительного газа, газификационный реактор с входящими в него питающими трубопроводами для носителей углерода и кислородсодержащих газов и выходящим из него трубопроводом восстановительного газа, а также включающая устройство охлаждения, размещенное в трубопроводе восстановительного газа и не повышающее содержания Н₂О/СО₂ в восстановительном газе, отличается тем, что источник СО₂ и источник Н₂О соединен (соединены) по потоку трубопроводом восстановительного газа для подачи восстановительного газа, который был подвергнут охлаждению.

Целесообразно оснастить восстановительный реактор отводным трубопроводом доменного газа для отвода прореагировавшего восстановительного газа. От него ответвлен боковой трубопровод, соединенный по течению с трубопроводом восстановительного газа.

Другой предпочтительный вариант осуществления отличается тем, что из трубопровода восстановительного газа выведен рециркуляционный трубопровод восстановительного газа, который через скруббер и компрессор снова введен в трубопровод восстановительного газа, в точке, расположенной выше точки ответвления рециркуляционного трубопровода восстановительного газа относительно направлении течения восстановительного газа, частности, выше обеспыливающего устройства, имеющегося в трубопроводе восстановительного газа, и что источник СО₂ и источник Н₂О соединен с рециркуляционным трубопроводом восстановительного газа.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на примерный вариант осуществления, представленный на чертеже, где схематически изображена предпочтительная конструкция установки по изобретению.

Кусковую железную руду и/или гранулированную железную руду загружают сверху в первую шахтную печь, которая образует восстановительный реактор 1, посредством транспортировочного устройства, такого как транспортировочный трубопровод 2, через шлюзовую систему (не показана), возможно, вместе с флюсами, с образованием подвижного слоя.

Термин "подвижный слой" относится к непрерывно движущемуся потоку материала, частицы которого входят в контакт с потоком восстановительного газа.

Вместо шахтной печи 1 в качестве восстановительного реактора может также быть использован реактор, включающий движущуюся колосниковую решетку или барабанную печь.

Шахтная печь 1 сообщена с плавильно-газификационным аппаратом 3, в котором из твердых носителей углерода, таких как уголь, и кислородсодержащего газа образуется восстановительный газ, который подается в шахтную печь 1 через трубопровод 4, при этом в трубопроводе 4, возможно, предусмотрено устройство очистки газа 4' для сухого обеспыливания.

Плавильно-газификационный аппарат 3 имеет питающее устройство 5 для твердых носителей углерода, питающий трубопровод 6 для кислородсодержащих газов и, возможно, питающий трубопровод 7 для носителей углерода, которые являются жидкими или газообразными при комнатной температуре, таких как углеводороды, а также для кальцинированных флюсов. Внутри плавильно-газификационного аппарата 3, ниже плавильно-газификационной зоны 8, собирается расплавленный чушковый чугун 9 и расплавленный шлак 10, которые отводятся через отвод 11.

Вместе с флюсами, обожженными в восстановительной зоне 12, железную руду, восстановленную в губчатое железо в восстановительной зоне 12 внутри шахтной печи 1, из шахтной печи 1 передают в плавильно-газификационный аппарат через транспортировочный трубопровод 13, например, при помощи питающих шнеков и т.п. К верхней части шахтной печи 1 подсоединен отводной трубопровод доменного газа 14 для доменного газа, образующегося из восстановительного газа в восстановительной зоне 12.

Доменный газ, отводимый через отводной трубопровод доменного газа 14, прежде всего подвергают очистке в скруббере 15, чтобы по возможности удалить из него частицы пыли и снизить содержание водяного пара, чтобы он стал пригодным для дальнейшего использования.

Часть восстановительного газа возвращают обратно в трубопровод 4 через скруббер 16 и через рециркуляционный трубопровод 17 с компрессором 18 для того, чтобы кондиционировать восстановительный газ, который выходит из плавильно-газификационного аппарата 3 в очень горячем состоянии, перед тем, как он входит в устройство очистки газа 4', в частности для того, чтобы охладить его до температурного диапазона, подходящего для процесса восстановления в шахтной печи 1 (~700-900^oС).

Позицией 19 обозначены наиболее важные участки вышеописанной установки, на которых наиболее подходящим способом может быть реализована возможность соединения с источником СО₂ и/или источником Н₂O, то есть со средствами ввода газов, содержащих СО и/или Н₂О; действие упомянутых газов будет более подробно описано ниже в примерах II-IV. Участки ввода 19 целесообразно расположены или на трубопроводах 4, соединяющих плавильно-газификационный аппарат 3 с восстановительным реактором 1, или в цикле охлаждения восстановительного газа 16, 17, 18. Если участок ввода 19 расположен в цикле охлаждения восстановительного газа 16, 17, 18 в точке, расположенной ниже компрессора 18, это дает такие преимущества, как, например, возможность применения компрессора 18 меньших габаритов и возможность охлаждения газа, нагретого при сжатии, за счет подачи H₂O и/или СO₂.

Эффективность мер по данному изобретению более полно описана в примерах I - IV. Пример I просто описывает прежнюю технологию. Все величины, представленные в таблицах состава газа, приведены в процентах объема.

Пример I.

Восстановительный газ, полученный по известной технологии, например, по ЕР-В - 0114040, имеет состав, приведенный в табл. I. Восстановительный газ выходит из плавильно-газификационного аппарата 3 при температуре 1050^oС под давлением 4,5 бар абс. Он может быть использован для восстановления железной руды.

Для получения температуры восстановительного газа около 850^oС к восстановительному газу необходимо добавить охлаждающий газ. В соответствии с примером I охлаждающий газ того же типа добавляют при температуре 70^oС, также под давлением 4,5 бар абс. Для получения температуры 850^oС необходимо добавить 27,8 % охлаждающего газа. Это обусловливает следующие недостатки:
- требуется очень большое количество охлаждающего газа, так как через боковой трубопровод должна быть отведена и подвергнута охлаждению значительная часть горячего восстановительного газа, что требует больших энергетических и аппаратных затрат;
- общее содержание СО₂ и Н₂О не соответствует равновесному, поскольку после добавки охлаждающего газа по пути в шахтную печь 1 будет происходить сильно экзотермическое разложение СО и Н₂ в соответствии с уравнением 2СО←→СO₂+С (реакция Будуара) и СО+H₂←→Н₂О+С (гетерогенная водогазовая реакция) соответственно. Это приводит к увеличению температуры, которое может потребовать подачи дополнительного количества охлаждающего газа. Увеличение температуры приводит к агломерации материала в печи. Кроме того, возникает агрессивное химическое воздействие на металлические трубы, встроенные элементы и т. д. , с которыми контактирует восстановительный газ. Наконец, за счет реакции СО и H₂ снижается эффективное количество газа для восстановления.

Пример II.

В восстановительный газ, приведенный в табл. 1, под давлением 4,5 бар абс. ввели обогащенный СО₂ газ при температуре 70^oС. Состав газа, обогащенного СО₂, приведен в табл. II.

Путем добавления к восстановительному газу по табл. I 12,3% охлаждающего газа того же типа, что и в Примере I, и 10,7% газа по табл. 2, обогащенного СО₂, получили восстановительный газ, который имеет температуру 850^oС и давление 4,5 бар абс., с химическим составом, приведенным в табл. III.

В этом восстановительном газе общее содержание СО₂ и Н₂О близко к равновесному при 850^oС, так что разложение СО и Н₂ почти полностью исключено. Газ, обогащенный СО₂, подают на рециркуляцию охлаждающего газа, например, в рециркуляционный трубопровод 17 в соответствии с чертежом.

Нетрудно понять, что при этом возможно значительное уменьшение размера цикла охлаждающего газа, так как требуется добавка лишь 12,3% охлаждающего газа вместо 27,8% по примеру 1. В соответствии с примером II возможно использование газов с низкой теплотворной способностью, то есть газов, обогащенных СО₂. При восстановлении железной руды восстановительным газом, подготовленным таким образом, надежно предотвращается избыточный нагрев материала в реакторе, и восстановленный материал может быть без проблем передан в плавильно-газификационный аппарат 3.

Пример III.

В соответствии с примером водяной пар добавляют к охлаждающему газу того же типа. Химические составы восстановительного газа, выходящего из плавильно-газификационного аппарата 3, и охлаждающего газа идентичны химическим составам, приведенным в примере 1.

Пар (100% Н₂О) добавляют при температуре 250^oС и давлении 12 бар абс. При добавке 18% охлаждающего газа с 8,5% водяного пара образуется восстановительный газ, имеющий температуру 850^oС и давление 4,5 бар абс. Химический состав восстановительного газа приведен в табл. IV.

Этот вариант также обеспечивает преимущество цикла с небольшими объемами циркуляции охлаждающего газа с практически равновесным содержанием CO₂ и Н₂О. Дополнительное преимущество этого варианта заключается в незначительном изменении количества восстановителей.

Сущность: способ выработки восстановительного газа, содержащего СО и Н₂, служащего для восстановления кусковой руды металла, в частности железной руды, включает его образование в газификационной зоне путем газификации носителей углерода, в частности угля, при подаче кислорода, а затем охлаждение до температуры восстановительного газа, благоприятной для процесса восстановления без повышения содержания в нем Н₂О и/или СО₂. С целью выработки термодинамически более стабильного восстановительного газа, для предотвращения реакции Будуара и гетерогенной водогазовой реакции, а следовательно, и нагрева восстановительного газа в охлажденный газ вводят Н₂О и/или СО₂ и восстановительный газ превращается в восстановительный газ, термодинамически более стабильный при восстановительной температуре, что позволяет получить газ ниже температуры, при которой могут начаться явления плавления и закупорки, а также устранить химические воздействия на металлические материалы газонесущих систем. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

1. Способ получения горячего восстановительного газа для восстановления кусковой руды металла, в частности железной руды, содержащего СО и Н₂, по которому восстановительный газ получают в газификационной зоне путем газификации носителей углерода, в частности угля, при подаче кислорода, а затем охлаждают до температуры восстановительного газа, подходящей для процесса восстановления, отличающийся тем, что путем ввода Н₂О и/или СO₂ для предотвращения реакции Будуара и гетерогенной водогазовой реакции и, следовательно, нагрева восстановительного газа, восстановительный газ, который был подвергнут охлаждению без повышения содержания Н₂О и/или СO₂ в восстановительном газе, преобразуют в восстановительный газ, термодинамически более стабильный при восстановительной температуре. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что Н₂О и/или СО₂ вводят в количествах, обеспечивающих почти полное равновесие Будуара и гетерогенное водогазовое равновесие восстановительного газа при температуре, подходящей для процесса восстановления. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ввод Н₂О осуществляют путем подачи водяного пара. 4. Способ по одному или нескольким пп. 1-3, отличающийся тем, что ввод СO₂ осуществляют путем подачи газа, содержащего СО₂. 5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что в восстановительный газ подают восстановительный газ, прореагировавший в процессе восстановления руды металла, например доменный газ. 6. Способ по одному или нескольким пп. 1-5, отличающийся тем, что к восстановительному газу примешивают охлажденный восстановительный газ того же типа, а в охлажденный восстановительный газ того же типа вводят Н₂О и/или СО₂. 7. Установка для осуществления способа по одному или нескольким пп. 1-6, включающая по крайней мере один восстановительный реактор (1) с входящими в него транспортировочным трубопроводом (2) для руды металла и трубопроводом восстановительного газа (4), включающая газификационный реактор (3) с входящими в него питающими трубопроводами (5, 6) для носителей углерода и кислородсодержащих газов и выходящим из него трубопроводом восстановительного газа (4), а также включающая устройство охлаждения, размещенное в трубопроводе восстановительного газа (4) и не повышающее содержания Н₂О и/или СО₂ в восстановительном газе, отличающаяся тем, что источник СО₂ и источник Н₂О соединены по потоку с трубопроводом восстановительного газа (4) для подачи восстановительного газа, который был подвергнут охлаждению. 8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что восстановительный реактор (1) оснащен отводным трубопроводом доменного газа (14) для отвода прореагировавшего восстановительного газа, от которого ответвлен боковой трубопровод (20), соединенный по потоку с трубопроводом восстановительного газа (4). 9. Установка по п. 7 или 8, отличающаяся тем, что из трубопровода восстановительного газа (4) отведен рециркуляционный трубопровод восстановительного газа (17), который через скруббер (16) и компрессор (18) снова входит в трубопровод восстановительного газа (4) в точке, расположенной выше точки ответвления рециркуляционного трубопровода восстановительного газа (17) относительно направления течения восстановительного газа, в частности выше обеспыливающего устройства (4'), имеющегося в трубопроводе восстановительного газа (4), и что источник CO₂ и/или источник Н₂О соединены с рециркуляционным трубопроводом восстановительного газа (17).