СПОСОБ ПРЯМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ДЕСУЛЬФУРИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗА Российский патент 2003 года по МПК C21B13/10 

Настоящее изобретение относится к способу прямого получения десульфурированного железа.

Процесс получения железа путем его прямого восстановления протекает за счет прямого восстановления оксида железа твердыми или газообразными восстановителями. При этом твердым восстановителем служит, например, уголь, который при повышенных температурах реагирует с диоксидом углерода с образованием СО как восстановительного газа. Поскольку в угле присутствует сравнительно большое количество серы, а используемая железная руда также часто содержит этот элемент, полученное железо и отходящие газы содержат слишком высокое количество серы. Последующая десульфурация отходящих газов и восстановленного прямым путем железа связана с большими затратами.

Из заявки DE 1225673 известен способ сухого восстановления железной руды, при осуществлении которого железную руду и уголь загружают в многоподовую печь, где уголь вступает во взаимодействие с вдуваемым кислородом с образованием моноксида углерода, который постепенно восстанавливает руду. В этой заявке говорится также о возможности добавления на каждый под мартеновской руды, при необходимости смешанной с углем, известью или иными подобными компонентами, если это необходимо для реакции.

В патенте US 3756804 описан аналогичный способ, при этом задержанные фильтром пылевидные отходы, содержащие железо, и восстановители подвергают взаимодействию при высокой температуре в многоподовой печи и таким путем восстанавливают оксиды, содержащиеся в задержанной фильтром пыли. В этой публикации упоминается возможность снижения содержания серы за счет примешивания к задержанным фильтром пылевидным отходам известняка, а также восстановителя. Кроме того, в этом патенте говорится, что подобное добавление известняка и восстановителя является необязательным, поскольку из-за преобладающей внутри печи восстановительной атмосферы опасность образования диоксида и триоксида серы отсутствует.

Исходя из изложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ прямого получения железа с очисткой от серы (десульфурацией) отходящих газов внутри многоподовой печи.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью способа прямого получения десульфурированного железа в многоподовой печи, имеющей две расположенные одна над другой зоны, каждая из которых охватывает несколько подов, при этом в первой зоне многоподовой печи железную руду подвергают взаимодействию с исходным углеродсодержащим материалом при температуре 800-1100^oС, в результате чего эта руда восстанавливается до металлического железа, а газы очищают от серы десульфураторами и затем восстановленное прямым путем железо выгружают из многоподовой печи, а очищенные от серы газы подают во вторую зону, где они обеспечивают подогрев железной руды до температуры 600-800^oС.

Подобная технология позволяет снизить содержание серы в газах внутри многоподовой печи. При прямом восстановлении железной руды сера высвобождается при газификации восстановителя, например угля. Меньшее количество серы может высвобождаться и при восстановлении железной руды до металлического железа. Было установлено, что, в отличие от сказанного в патенте US 3756804, сера в многоподовой печи окисляется и в виде диоксида и триоксида серы уносится газами из многоподовой печи. Строго говоря, атмосфера в многоподовой печи при преобладающих в ней условиях даже несмотря на высокое содержание СО не является восстановительной для оксида железа и серы. Для придания преобладающей в многоподовой печи атмосфере восстановительных свойств в отношении указанных материалов соотношение СО/СО₂ должно составлять по меньшей мере 75/25. Однако при использовании для нагрева многоподовой печи горелок это условие не соблюдается.

Было установлено, что указанное соотношение между СО и СО₂ в преобладающей внутри многоподовой печи атмосфере невозможно обеспечить даже в том случае, если сжигать в горелках большое избыточное количество топлива, т.е. усиливать восстановительный эффект.

Поэтому важно снижать содержание серы в газах в многоподовой печи, чтобы получать восстановленное прямым путем железо с низким содержанием серы и исключить дорогостоящую очистку отходящих газов.

В соответствии с предлагаемым способом связывание серы происходит в пределах первой зоны, и поэтому сера не может, соответственно, может лишь в незначительной степени вступать во взаимодействие с железной рудой, соответственно, с полученным железом. Благодаря этому сера присутствует в железе, полученном прямым путем в соответствии с предлагаемым способом, в значительно меньших количествах.

Десульфураторы предпочтительно вдувать в восходящие в многоподовой печи газы через сопла. В результате химической реакции серы, присутствующей в потоке восходящих в многоподовой печи газов, с вдуваемыми десульфураторами происходит связывание серы с образованием сульфатов, сульфитов, сульфидов и т.д. кальция и/или магния. Эти соединения образуются преимущественно на поверхности десульфураторов. Затем значительная часть десульфураторов уносится газами из многоподовой печи, и их можно легко отделить от отходящих газов в сепараторе, например в циклоне, без необходимости использовать для очистки газов от серы дорогостоящую установку внепечной десульфурации.

Десульфураторы, не уносимые из печи вместе с отходящими газами, можно легко отделить от полученного железа после его выгрузки из печи с помощью магнитных или электромагнитных сепараторов либо аналогичных средств.

Очистка газов от серы происходит преимущественно внутри первой зоны.

Десульфураторы содержат, например, известь (СаО), известняк (СаСО₃) и/или магнезит (MgO).

Преимущество указанных средств состоит в том, что ту их часть, которая не выходит из многоподовой печи вместе с отходящими газами, можно без каких-либо проблем переплавлять вместе с восстановленным прямым путем железом, поскольку подобные десульфураторы положительно влияют на свойства шлаков.

Как было указано, многоподовая печь имеет первую и вторую зоны, каждая из которых охватывает несколько подов. Вторая зона предпочтительно расположена над первой зоной, при этом поток газов движется из первой зоны во вторую, а твердые материалы постепенно перемещаются из второй зоны в первую зону.

Твердые материалы, т.е. железную руду и восстановители, можно загружать в многоподовую печь по отдельности или совместно. Согласно одному из предпочтительных вариантов сначала в многоподовую печь целесообразно загружать железную руду, подавая ее на самый верхний под второй зоны печи. В этом месте она перегребается выступающими над подом гребками и постепенно перемещается на нижележащие поды. Затем в многоподовую печь на уровне одного из нижележащих подов, предпочтительно в нижней части второй зоны, подают восстановитель, смешивая его с подогретой железной рудой. Непрерывное перегребание или перекатывание восстановителя и руды предотвращает их спекание. В качестве восстановителей используют, например, каменный уголь, бурый уголь, кокс и т.д.

Часть десульфураторов и восстановитель предпочтительно смешивать с железной рудой во второй зоне.

Эту часть десульфураторов можно подавать в многоподовую печь вместе с железной рудой и/или вместе с исходным углеродсодержащим материалом. Однако эту часть десульфураторов можно подавать в печь и отдельно.

В зависимости от содержания серы в восстановителе десульфураторы можно подавать либо в какой-либо одной точке многоподовой печи, либо - раздельно в различных точках. В последнем случае можно использовать также фракции различной крупности. Было установлено, что крупнозернистые десульфураторы предпочтительно загружать во второй зоне, а порошкообразный десульфуратор подавать в первой зоне. В зависимости от гранулометрического состава частиц последние уносятся из печи газами или выгружаются из многоподовой печи вместе с твердыми материалами. Порошкообразный десульфуратор предпочтительно подавать непосредственно в поток газов в первой зоне, что позволяет повысить эффективность их очистки от серы. Значительная часть обогащенных серой порошкообразных десульфураторов уносится из многоподовой печи отходящими газами.

Твердые материалы, т. е. полученное железо, остатки углеродсодержащего материала и десульфураторы, после их выгрузки из многоподовой печи направляют на переплавку. При этом десульфураторы вместе с отделенной от руды пустой породой образуют шлак, и связанную серу вместе со шлаком направляют в отвал.

Однако перед плавкой железа от него можно также отделять остатки углеродсодержащего материала и десульфураторы. Для этой цели можно использовать, например, магнитные или электромагнитные сепараторы.

Целенаправленное добавление восстановителей на нижних подах многоподовой печи позволяет отрегулировать концентрацию восстановительных газов в печи на оптимальное значение и достичь тем самым более высокой степени металлизации руды. На уровне самых нижних подов многоподовой печи можно дополнительно вдувать газообразный восстановитель, что обеспечивает более полное восстановление руды.

Все восходящие газы, включая летучие компоненты восстановителей, можно дожигать в верхней части печи, т.е. во второй зоне, что позволяет оптимально использовать остаточное тепло газов внутри печи. Благодаря этому удается существенно повысить термический к.п.д., поскольку увеличивается коэффициент использования энергии.

Для дальнейшего повышения производительности в многоподовой печи можно создавать определенное избыточное давление.

Согласно одному из предпочтительных вариантов руду на самых верхних подах печи до ее контактирования с восстановителем подогревают и сушат горячими газами печи, а также за счет ее контакта с подами. До добавления твердого восстановителя руду предпочтительно нагревать до температуры не менее 400^oС, предпочтительно не менее 600-700^oС.

Кислородсодержащие газы можно целенаправленно вдувать на уровне того пода, где необходимо покрывать потребность в тепле за счет сжигания избыточных технологических газов, например выше того пода, на который подают твердые восстановители.

При этом предпочтительно использовать кислородсодержащие газы, температура которых составляет не менее 350^oС.

Дополнительно один или несколько подов печи, расположенных ниже того пода, на который подают твердые восстановители, можно нагревать с помощью горелок.

Далее изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором в продольном разрезе показана многоподовая печь для прямого получения десульфурированного железа.

На чертеже в продольном разрезе показана многоподовая печь 10, имеющая несколько расположенных один над другим подов 12. Эти консольные поды 12, а также кожух 14, свод 16 и подина 18 печи выполнены из огнеупорного материала.

Многоподовая печь 10 разделена на две расположенные одна над другой зоны, а именно на первую зону 20 и вторую зону 22.

В своде 16 печи 10 предусмотрены газоотвод 26 для удаления из печи газов и отверстие 28, через которое на самый верхний под печи можно загружать руду.

В центре печи 10 расположен вал 24, на котором закреплены гребки, выступающие над каждым из подов.

Гребки выполнены таким образом, что они перегребают материал на одном поде, перемещая его изнутри наружу, а затем на нижележащем поде - снаружи внутрь, в результате чего материал движется внутри печи сверху вниз. Вал 24 и гребки имеют воздушное охлаждение, а в гребках предусмотрены отверстия, через которые внутрь печи может попадать поток воздуха, где он используется для дожигания.

Загруженная на первый под руда перегребается гребками, которые перемещают ее к краю пода, откуда она, проваливаясь сквозь множество предусмотренных для этой цели отверстий, падает на нижележащий под. Затем руда перемещается к центру этого пода, откуда она падает затем на следующий нижележащий под. В процессе такого перемещения руда в результате контакта с подом и восходящими горячими газами подвергается сушке и нагревается до температуры примерно 600^oС.

В боковых стенках многоподовой печи 10 расположены впускные отверстия 30, 32, 34 для загрузки в печь твердых материалов. В качестве таких твердых материалов используют, с одной стороны, углеродсодержащие исходные материалы, такие как буроугольный кокс, нефтяной кокс, пыль доменных или шахтных печей, уголь и т.п., а с другой стороны, десульфураторы, такие как известь (СаО), известняк (СаСО₃) и/или магнезит (MgO).

Исходный углеродсодержащий материал, подаваемый в каждой из обеих зон 20, 22 через впускные отверстия 30, 34 на соответствующий под, смешивается в этом месте гребками 22 с нагретой рудой. Под действием высокой температуры уголь переходит в газообразное состояние с образованием моноксида углерода, в результате чего в процессе перемещения по многоподовой печи 10 происходит постепенное восстановление содержащегося в руде оксида железа до металлического железа.

Десульфураторы подают в многоподовую печь в нескольких точках. Крупнозернистые десульфураторы подают в многоподовую печь вместе с железной рудой через отверстие 28 и/или вместе с исходным углеродсодержащим материалом - через отверстие 30.

Дополнительно в первой зоне 20 через отверстие 32 в восходящие газы вдувают порошковый десульфуратор.

В этом процессе высвобождение серы происходит в две стадии. До температуры примерно 600^oС сначала в виде H₂S высвобождается "минеральная" сера, присутствующая в руде, соответственно в исходном углеродсодержащем материале - в виде CaSО₄ и FeS₂. Затем, начиная с температуры примерно 800^oС, высвобождается сера, присутствующая в исходном углеродсодержащем материале в "органическом" виде. В преобладающих в многоподовой печи 10 условиях эта сера преимущественно реагирует с десульфураторами и поэтому не может взаимодействовать с железной рудой и железом. Таким путем газы очищаются от серы, а в полученном железе присутствует меньшее количество серы по сравнению с тем количеством, которое остается в полученном железе при осуществлении обычных способов.

В боковой стенке предусмотрены сопла 38, которые служат для вдувания горячих (350-500^oС) кислородсодержащих газов и через которые в печь 10 можно подавать воздух или иной кислородсодержащий газ. Под действием высоких температур в присутствии кислорода часть углерода сгорает с образованием диоксида углерода, который в свою очередь вступает во взаимодействие с присутствующим в избытке углеродом и превращается в результате в моноксид углерода. В завершение оксид железа восстанавливается моноксидом углерода до металлического железа. Поскольку эта реакция носит преимущественно эндотермический характер, в нижней части печи целесообразно расположить горелки 40, которые обеспечивают постоянное поддержание температуры на самых нижних подах печи на высоком уровне. В этом случае можно использовать газовые или пылеугольные горелки.

Для подогрева и/или дополнительного обогрева указанные горелки могут работать на газе или угольной пыли с воздухом. Регулированием количественного соотношения между кислородом и топливом можно получать дополнительное количество восстановительного газа либо при избытке воздуха обеспечивать дожигание технологических газов. В случае пылеугольного подогрева в горелке можно получить избыток моноксида углерода. Использование камер сгорания, расположенных снаружи печи, позволяет предотвратить попадание золы от сгоревшего угля в печь и ее смешение с восстановленным прямым путем железом. Образование моноксида углерода позволяет снизить расход исходных углеродсодержащих материалов в печи 10, а тем самым - и содержание золы в готовом продукте.

На уровне последнего или двух последних подов предусмотрено добавление через специальные сопла 42 газообразного восстановителя, например моноксида углерода или водорода. Такая не содержащая кислорода атмосфера обеспечивает более полное восстановление руды.

В завершение восстановленное прямым путем железо вместе с золой восстановителей выгружают через разгрузочное отверстие 44 в подине 18 печи 10.

Контролируемая подача твердых и газообразных восстановителей, кислородсодержащих газов и десульфураторов в различных точках многоподовой печи 10 позволяет точно контролировать процесс восстановления руды и вести этот процесс при оптимальных условиях.

Сущность: способ осуществляют в многоподовой печи, имеющей две расположенные одна над другой зоны, каждая из которых охватывает несколько подов. В первой зоне многоподовой печи железную руду подвергают взаимодействию с восстановителем при температуре 800-1100^oС, в результате чего эта руда восстанавливается до металлического железа, а газы очищают от серы десульфураторами и затем восстановленное прямым путем железо выгружают из многоподовой печи, а очищенные от серы газы подают во вторую зону, где они обеспечивают подогрев железной руды до температуры 600-800^oС. Технический результат заключается в получении десульфурированного железа с очисткой от серы отходящих газов внутри печи. 11 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ прямого получения десульфурированного железа в многоподовой печи, имеющей две расположенные одна над другой зоны, каждая из которых охватывает несколько подов, при этом в первой зоне многоподовой печи железную руду подвергают взаимодействию с восстановлением при температуре 800-1100^oС, в результате чего эта руда восстанавливается до металлического железа, а газы очищают от серы десульфураторами и затем восстановленное прямым путем железо выгружают из многоподовой печи, а очищенные от серы газы подают во вторую зону, где они обеспечивают подогрев железной руды до температуры 600-800^oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что десульфураторы содержат известь, известняк и/или магнезит. 3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что железную руду загружают во вторую зону, откуда она постепенно перемещается в первую зону. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что во второй зоне железную руду смешивают с десульфураторами, а также с восстановителем. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что во второй зоне железную руду смешивают с частью десульфураторов и с исходным углеродсодержащим материалом, а остальную часть десульфураторов подают в первую зону. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используют десульфураторы различного гранулометрического состава. 7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что крупнозернистый десульфуратор подают во вторую зону, а порошковый десульфуратор вдувают в первую зону. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что до добавления твердого восстановителя руду подвергают сушке во второй зоне многоподовой печи, а затем нагревают до температуры не менее 400^oС, предпочтительно не менее 600^oС. 9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что кислородсодержащие газы вдувают в первую зону. 10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на уровне самых нижних подов многоподовой печи подают твердые и/или газообразные восстановители. 11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что один или несколько подов печи нагревают горелками. 12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что его осуществляют при избыточном давлении.